 【目录】 第一章 立项背景 第二章 原有问题 第三章 目标设定 第四章 原因分析 4.1确认要素1：零件尺寸超差 4.2确认要素2：工件贴合度差 4.3确认要素3：电极对中性差 4.4确认要素4：定位销磨损 4.5 确认要素5：焊钳未垂直工件 4.6 确认要素6：焊接电流大 第五章 解决方法 5.1 对策实施 5.1.1 要因一 电极对中性差 5.1.2 要因二 焊钳未垂直工件 5.1.3 要因三 焊接电流大 第六章 关键技术 6.1 工艺过程变量数字分析 6.2 恒功率参数的建立 6.3 PSQ+PSF+UIP 第七章 创新亮点 7.1数字化监控系统实现车间节拍统计 7.2数字化统计和数据化分析 7.3锡纸焊钳垂直度检查法 7.4焊钳铣削对中性检验工具 7.5焊钳电极对中性校准工具 7.6 焊接耗材管理 7.7在线自动测量匹配分析法 7-8焊接参数全过程自适应调节 7-9恒功率模式分段式功率控制 第八章 应用效果 8.1 直接成果 8.2 有形资产 8.3 附加价值 第九章 推广价值 01 【立项背景】 2018年中国乘用车市场销售火爆，迈腾作为一汽大众主打B级车成为细分市场销售冠军，为满足市场需求公司决定将产能从每小时40台提升到50台。通过数字化工厂（Legato）能力检测和LTF生产能力测试发现，设备节拍满足提产需求，但检返工位节拍严重超标，成为制约产能提升的瓶颈。  图4 数字化工厂中控系统  图5 LTF生产能力智能监控系统 02 【原有问题】 通过康采恩AP系统对返修工位开展工时节拍分析发现，返修时间长的主要原因为车身点焊焊接飞溅率达到24.7%，而点焊焊接飞溅是行业内普遍问题，其成因复杂、影响因素多，因此成为行业难题。 焊接飞溅除了造成质量缺陷增加返修时间外，还产生额外的返修浪费、造成安全隐患和能源、环境影响，因此成立专项攻关组。 质量缺陷： 焊装车身：焊点毛刺、缩孔、焊瘤、焊渣； 油漆车身：飞溅缺陷流出带来的油漆防腐缺陷； 总装车身：飞溅缺陷流出带来的车身覆盖件划伤。 返修浪费： 人员浪费：返修人员增加11人，单车返修工时增加29.4秒； 材料浪费：打磨材料消耗增加0.27元/车；超声波监控测头检测膜消耗增加0.11元/车； 返修工具：额外的配备17个风动打磨器，费用1.48万元。 安全隐患： 人员安全：焊接飞溅产生的毛刺容易划伤员工； 消防安全：焊接飞溅容易引起火灾隐患，近3年公司其他焊装车间出现2起火灾险兆事故； 设备安全：焊接飞溅易导致设备损坏并加速老化，引起设备安全事故。 能源、环境影响： 电能消耗：由于点焊焊接功率过大造成电能消耗浪费0.07元/车； 压缩空气消耗：由于打磨过程产生压缩空间消耗0.01元/车； 打磨粉尘污染：焊接飞溅打磨粉尘造成职业健康隐患，引起员工抱怨。   图6 车身焊接飞溅及影响 利用车身散点图统计一万台车，发现平均单车飞溅焊点1158个，飞溅占比达到24.7%。进一步对24.7%的飞溅焊点按板材分类统计，发现其中81.8%的飞溅焊点分布在高强度钢板和热成型钢板上。由于劳动强度过大，员工的抱怨极大。     图7 车身散点图飞溅焊点统计及数据分析 03 【目标设定】 产生飞溅的原因不是钢板的过度液化就是熔池的受力不均。融化的铁水充盈在两个电极帽之间如同手里握着满杯的水，如果还往杯里加水，水肯定会溢出；如果摇晃水杯，杯里的水也同样会流出。  图8 焊接飞溅产生示意图 高强度钢板和热成型钢飞溅率怎么这么高？通过查阅大量的技术资料后，发现：厚度大于1.5mm，强度大于400MPa的钢板焊接容易产生飞溅。而一汽大众的迈腾车身为了保证车内人员安全，63.6%的板材采用了高强度钢和热成型钢，厚度大于2mm，强度大于1000Mpa，因此更容易产生飞溅。  图9 按板材材质分类的焊接飞溅统计 通过与德国大众及国内同行业对标，将焊接飞溅率优化目标定为5%，此目标值对比其他汽车焊接行业为领先水平。 图10 目标设定 04 【原因分析】 通过头脑风暴从飞溅产生的原因进行头脑风暴，得到九个方向分别为：夹具失效、焊钳不合格、电极帽磨损、机器人轨迹偏、焊接功率高、焊接参数不合理、零件质量不合格、零件不稳定、加紧度不合格。对发现的九个方向进行原因分析，并利用关联图找到六个末端因素分别为：零件尺寸超差、工件贴合度差、点击对中性差、定位销磨损、焊钳未垂直工件、焊接电流大。对每个末端因素进行人员分配，并逐一进行现场确认。 图11 飞溅影响因素关联图 针对末端因素查找标准，制定确认内容、方法，明确负责人和时间，制定要因确认表，逐项开展现场确认。 图12 要因确认表 4.1确认要素1：零件尺寸超差 确认内容：通过三坐标测量零件尺寸。 确认方法：随机4轮次22种单件的稳定性测量。 确认标准：单件CP值≥1.33。 确认结果：CP值＞1.33，零件尺寸稳定。 确认验证：合格件100台上线观察焊接状态。 验证结果：100台试验车的焊接飞溅率为25.2%，无明显变化，所以此要素为非要因。 图13 零件尺寸超差确认表 4.2确认要素2：工件贴合度差 确认内容：工件搭接的间隙。 确认方法：用塞尺检查夹紧面间隙。 确认标准：工件贴合间隙不大于0.5mm。确认结果：工件贴合度小于0.5mm。 确认验证：进行不同匹配间隙的焊接实验，我们随机调整了一个工位贴合度至0.2毫米以内，进行100台车的焊接试验，观察焊接飞溅状态。 验证结果：贴合间隙0.5mm，焊接飞溅率为24.9%，贴合间隙0.2mm，焊接飞溅率为24.8%，焊接飞溅无明显变化，所以此要素为非要因。 图14 工件贴合度确认表 4.3确认要素3：电极对中性差 确认内容：侧围内板工段42把自动焊钳检查上下电极的对中性。 确认方法：用钢板尺验证上下电极对中性。 确认标准：上下电极帽与钢板尺平行，间隙不超过0.5mm。 确认结果：通过钢板尺检查，侧围内板42把自动焊钳共有6把焊钳对中性间隙超过0.5mm，合格率85.7%。 确认验证：调整一把缺陷焊钳，使其上下电极对中，观察100台车的焊接飞溅状态。 验证结果：焊接飞溅焊点个数下降为96点，飞溅率为23.9%，焊接飞溅有明显下降，所以此要素为要因。 图15 电极帽对中性确认表 4.4确认要素4：定位销磨损 确认内容：定位销磨损量。 确认方法：用游标卡尺检查定位销尺寸。 确认标准：定位销磨损不超过0.2mm。 确认结果：定位销磨损小于0.2mm。 确认验证：更换超差定位销，观察100台车焊接状态。 验证结果：焊接飞溅无明显变化，所以此要素为非要因。 图16 定位销磨损确认表 4.5 确认要素5：焊钳未垂直工件 在确认的过程中，由于大家观察视角不同，无法对垂直度进行有效判定！因此提出了创新的锡纸焊钳垂直度检验方法，利用8层0.2mm锡纸夹紧后的状态，有效判断了焊钳与工件的垂直度。 确认内容：焊钳与工件的垂直度。 确认方法：锡纸加紧在工件与焊钳中间。 确认标准：观察加紧后锡纸的压痕完整性，压痕完整为焊钳垂直工件，压合缺失为焊钳不垂直于工件。 确认结果：侧围内板工段99个焊接飞溅焊点中，21个焊点压痕缺失合格率78.8%。 确认验证：调整10个焊点的焊钳垂直度，进行100台车的焊接试验，观察焊接飞溅状态。 验证结果：焊接飞溅率下降为22.4%，焊接飞溅有明显下降，所以此要素为要因。 图17 焊钳垂直度确认表 4.6 确认要素6：焊接电流大 确认内容：焊接电流大。 确认方法：监控焊接电流输出。 确认标准：焊接电流在标准规范内。 确认结果：焊接电流都在规范内。 确认验证：我们在保证强度的情况下随机降低了1把焊钳的焊接电流500A，进行100台车的焊接试验，观察焊接飞溅状态。 验证结果：焊接飞溅率下降为21.7%，焊接飞溅有明显下降，因此判定虽然焊接电流在规范内，但选取过大，会造成过渡液化导致飞溅。经排查符合率为26.3%，所以此要素为要因。 图18 焊接电流确认表 最终确认主要点焊焊接飞溅产生的主要原因为三个，分别为： 1、电极对中性差；2、焊钳未垂直于工件；3、焊接电流大。 05 【解决方法】 5.1 对策实施 针对主要原因制定对策措施，验证目标完成。 图19 要因对策表 5.1.1 要因一 电极对中性差 对策：自制柔性套筒同时编辑机器人及焊钳程序，通过观察电极的通过性快速确 定电极对中性。 措施：1、制作自制柔性套筒； 2、编辑焊钳自动验证轨迹； 3、通过观察通过性微调焊钳； 4、用测量机对焊钳标定。 对策实施后：焊钳未垂直工件从85.7%提升到100%，达标。 图20 电极对中性差措施实施表 5.1.2 要因二 焊钳未垂直工件 对策：针对压痕缺失焊点逐一调整，优化机器人焊接轨迹，保证焊钳垂直于被焊 工件并用锡纸验证。 措施：1、运行机器人至焊点处； 2、锡纸验证垂直度，根据变形量优化电极垂直度； 3、试焊并验证轨迹合理性。 对策实施后：焊钳未垂直工件从78.5%提升到100%，达标。 图21 焊钳未垂直工件措施实施表 5.1.3 要因三 焊接电流大 对策：引入衡功率焊接模式，通过PSQ+UIP+PSF+分段焊接减少和稳定功率输出。 措施：1、焊接实验取得恒功率参数； 2、焊点开启恒功率模式； 3、开启UIP＋PSF监控。 对策实施后：对策实施后焊接电流符合率从26.3%提升到100%，达标。 图22 焊接电流大措施实施表 06 【关键技术】 6.1 工艺过程变量数字分析 通过对点焊焊接全过程变量排查，锁定焊点形成中的关键变量，通过设备综合控制实现功率输出最优。 图23 焊接变量数字化统计表 通过专业焊接监控软件发现，焊接前期的电阻峰值在降电流前后没有明显变化，所以小组成员认为传统恒电流模式，不能有效的消除电阻在焊接过程中产生的峰值，经过分析确定焊接飞溅产生的原因是：焊接初期因为电阻的较大峰值，导致输出的焊接功率明显增加。 焊接初期电阻产生较大峰值的原因： 图24 电阻峰值变化示意图 在焊接的初期由于板材之间的表面粗糙度的不同、板材屈服强度的不同以及电极帽表面的氧化层的原因，电阻共分为四种：1、电极帽的电阻；2、工件的电阻；3、电极帽与工件的接触电阻；4、工件与工件的接触电阻。而传统的恒电流模式在焊接初期要消除电阻4（工件与工件的接触电阻），使其与工件的电阻融为一体，必然会在焊接的初期产生过量的焊接输出功率。而这过量的焊接输出功率只能以焊接飞溅的形式得到能量的释放。因此焊接飞溅产生的主要原因就是焊接过程初期产生的电阻的峰值。 6.2 恒功率参数的建立 利用焊接试验室对板材不同材质搭接、不同厚度组合，不同焊接工况，试验形成基本点焊焊接参数，通过恒功率模式和分段功率控制实现低功率稳定输出。 图25 恒功率参数实验状态 心怀大国工匠目标的小组成员，以自信的心态开展自主试验！连续加班模拟实际状态，用焊接样板进行了1300多次的焊接实验，模拟不同材质、不同厚度，生成了47套不同的焊接规范，并将试验数据100%应用于生产实践。 图26 恒功率参数及规范表 例如： 1.针对高强度高厚度的板材焊接（屈服强度≥1000Mpa,厚度≥1.5mm），通过预焊的短时间超大电流（时间20ms以内，电流大于17kA）瞬间消除板材之间的间隙和粗糙表面，进而稳定整体输出功率； 2.针对薄板低强度板材焊接（屈服强度≤400，厚度≤0.8mm），通过预焊的小电流长时间（时间100ms以内，电流6KA以内）消除板材间的油污和消除镀锌层，进而为后期的主焊接过程做准备； 3.针对板材间有焊接胶的情况，通过预焊的电流烧干胶体（电流和时间随胶量和胶的性质而定）消除板材间的杂质，进而消除焊接初期的峰值。 6.3 PSQ+PSF+UIP 为了保障低功率模式下的焊接强度自适应，引入PSQ功能实现功率曲线自适应补充，并通过PSF和UIP实现工艺稳定性和焊接质量自动评价，实现点焊焊接过程自适应。 图27 数据化功率监控及过程稳定性评价 PSQ 自适应控制器的应用 1、能量守恒，调节功能能却保实际被焊接焊点的能量≥样本焊点能量。 2、飞溅补偿，发生飞溅以后，金属液体的损失可以得到补偿。 3、扰动补偿，参数背离样本时，能被发现并通过电流和时间改变来补偿。 在零件或者设备发生变化时，PSQ功能能够通过补偿，保证焊接强度。 PSQ 的PSF与UIP功能 1、PSF（过程稳定性），显示样本曲线和实际曲线之间的差异，实际曲线越偏离样本曲线，PSF值越低，一般≤100。 2、UIP(质量控制因子），建立在电压、电阻、电流和事件上的质量指标。得分越高焊点质量过剩，分数越低，有虚焊的可能，一般=100. 07 【创新亮点】 7.1数字化监控系统实现车间现场数据化统计 图28 车间数字化工厂监控系统 亮点：通过数字化监控系统，利用LTF生产能力测试进行节拍能力验证,对车间每一个单体工位测算生产节拍，通过车间节拍大数据，筛选出生产线体的重点工位，并且对重点工位进行节拍分解，得出产生问题的主要步骤。 7.2数字化统计和数据化分析 图29 焊接曲线数字化分析系统 亮点：自主开发数字化集成点焊焊接飞溅统计系统，基于数字工厂网络通过现场观察及数据积累确认5毫秒内电阻衰减4%采集为焊接飞溅，同时依据数据化分析软件通过飞溅产生时间给出初步判定，方便锁定产生原因。 采用数字化统计、数据化分析技术实现：1.车间集中采集并且实现细分到每个焊点的飞溅率统计；2.飞溅产生段的数据分析，帮助后期降飞溅提供工作方向。 根据焊接曲线大数据得到的额结果：前期的焊接飞溅，是因为零件状态，飞溅是不稳定电阻（R）造成。例如：少量的零件锈蚀、油污等。后期的焊接飞溅，是因为电流（I）和时间（T）过大，多余的能量以飞溅的形式释放。 7.3锡纸焊钳垂直度检查法 图30 自主创新锡纸焊钳垂直度评价法 亮点：小组人员创新的利用锡纸可塑性强的特点，把8层锡纸放在工件与电极中间夹紧，通过观察锡纸的变形量来确定其垂直度。消除现场确认焊钳与工件垂直度无标准，实际检查困难，以及操作人员目视观察判定垂直度无法有效执行的问题。实现了精益化和高效率的工作特性。 7.4焊钳铣削对中性检验工具 图31 电极对中性刀口尺辅助工具 亮点：制作一种焊钳铣削对中工具，主要分为刀片、刀片加持工具及强磁部分。通过强磁部分将刀片垂直吸附在铣刀刀架平面，维修人员观察刀片与电极杆之间的光隙来判断电极是否与工件垂直。通过此工具，可以快速、准确的确认电极与铣刀的垂直状态，保障了焊钳上下电极帽平面的绝对平整性。 7.5焊钳电极对中性校准工具 图32 自主创新电极对中性监控工具 亮点：小组成员改良现有的工具参考位，制作一个全新的电极可进入的柔性套筒，自动状态下观察电极通过性，通过视为合格，这样方便员工检查。通过实验，此方法可行，我们对柔性套筒的直径、长度和材质进行多次改良，最终满足现场使用需求。 7.6 焊接耗材管理 图33 耗材优化状态跟踪 亮点：小组成员在对焊点质量跟踪的过程中，发现电极帽和铣刀的使用存在浪费，通过与车间超声波检测部门的合作，确定每把焊钳一次修磨后的极限焊接点数（不开焊焊点），作为每次修磨的周期焊点数，铣削圈数从3圈开始，根据修模后的电极帽状态，增加修磨圈数，圈数大于18圈时，更换铣刀刀片，更改修磨次数。经过不断的改进，侧围内板工段减少铣刀和电极帽使用，降低焊接耗材成本5.3万元。 7.7在线自动测量匹配分析法 图34 在线测量匹配监控管理 亮点：对白车身的关键尺寸进行实时动态检测，主要通过测量重复性定位精度来确认批量生产的状态，利用自创的自动在线测量匹配分析法，通过在线测量技术实时监控车身零件匹配状态，发现偏差时报警锁定，通过CP/CPK评价找到关键问题点给予优化或改进。 例如： 确保批量生产的CP≥1.3，如果低于此值对整个生产过程进行梳理和排查，检查生产过程中的变化点，监控所有输入要输并对问题点快速处理，保障过程质量的稳定。 7-8焊接参数全过程自适应调节 图35 焊钳过程参数自适应调节列表 亮点：选取最低功率输出，为弥补焊接变量采取PSQ自适应补充，为保证低功率输出模式的焊接质量，引入PSF+UIP过程质量稳定性和焊接质量监控实现焊点强度保证，在焊接强度和功率输出间找到最优平衡点。 通过多方位监控可达到的效果： 1.当发生干扰变量时，几乎不需要用户进行介入，焊接控制器会自动进行补偿； 2.通过很多种的监控参数，可以对整个焊接过程，实现更好，且更精确的监控； 3.通过对实际值在时间轴上的图形分布信息，可简单而快速地实现监控功能的参数设定； 4.基于自适应调节和监控的一些特殊的附加功能，更可帮助你提高产品的焊接质量（例如：胶功能，薄板功能，焊钳电阻补偿，Q Stop 逻辑技术，压力监控）。 7-9恒功率模式分段式功率控制 亮点：将点焊焊接过程分为3段控制，选取分段式电流、压力输入，根据焊接过程中电阻的变化，相应的调节电流与焊接压力，以取得相对稳定的低功率输出。 通过大量的焊接实验，得到的规范参数大致分为：1.预热参数，热变形消除间隙与融化镀锌层；2.焊接过程参数，焊接参数硬规范转化为软规范；3.焊接压力，①普通板材压力≈板厚+0.5；②热成型刚压力≈板厚+1.0。 以焊接板材间有胶为例： 1.预焊接时间值大致为：50 ... 80 ms. 这是为了加热焊点，并去掉板间的胶。在此时间内，没有真正的焊接发生。该焊接应该设定一个低的焊接电流参数。实际焊接电流的一半，接近4-5KA 的焊接电流是有用的； 2.对于主焊接的焊接电流参数的设定值，其大小值应该与没有使用胶的情况下设定的参数值相同为原则。真正的焊接在此阶段来实现； 3.最后采集焊接参数曲线，通过焊接参数曲线及现场焊接状态，优化参数并锁定自适应恒功率模式，开启PSF+UIP监控保障焊接质量稳定受控。 图36 分段式功率控制曲线 08 【应用效果】 8.1 直接成果 对策实施后通过45周到48周的数据收集，飞溅率由改进前的24.7%下降到4.9%，我们超额完成目标！ 图37 改进效果跟踪记录 侧围内板返修工位的返修时间从22.3秒，降低为5.8秒，满足节拍提升的需求，通过小组成员的不懈努力，侧围内板在42周提前实现了每小时50台车的生产能力，保证车间日产1000台车的目标顺利完成，同时也为公司实现全年20.55万辆的迈腾产能目标奠定了坚实的基础。 8.2 有形资产 图38 焊接飞溅单车返修时间改进前后对比 图39 全年成本节约计算 通过改进在能源及耗材两个方面全年可为公司节省117万元，同时焊接烟尘和打磨粉尘得到极大改善，现场环境明显变好！员工满意度大大提高。 8.3 附加价值 图40 检返人员圆点图 改进后与IE同事一起，通过工步分解车间优化返修人员26人。焊点质 量明显提升，超声波检测符合率达99.5%以上。 09 【推广价值】 图41 参数记录及优化指导书 通过优化迈腾白车身点焊焊接飞溅率实现同行业领先水平。总结优化过程，输出焊接优化指导书、新版恒功率焊接参数等文件，并将巩固措施输入作业文件并开展培训。 图42 横展车型飞溅率状态 |
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