螺柱焊系统的故障分析及预防措施研究

滕 飞

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201804）

螺柱焊是指通过拉弧焊接将金属螺柱、销钉或类似连接紧固件焊至工件上的焊接方法。螺柱焊系统由以下几个部分构成：机器人、焊机、送料系统、电源分配系统、焊枪、接地等。经过长时间的统计分析，人们发现，螺柱焊系统的故障由焊接姿态、送料故障、硬件连接故障和软件匹配问题等构成。

1 螺柱焊常见故障

1.1 送料故障

送料故障以卡钉为主，按照螺钉的输送过程，存在四种卡钉位置：螺钉在进入滑轨处的踢刀处卡钉、在滑轨上卡钉、在轨道到送钉管的切刀处卡钉、在焊枪中卡钉。

1.1.1 螺钉在进入滑轨处的踢刀处卡钉

此种情况的主要原因是踢刀踢钉角度或踢钉位置不正确，即踢刀与滑轨不平行或踢刀作用点正在螺柱径向上。

1.1.2 在轨道上卡钉

此故障可从两方面查找原因：设备调整不到位或螺柱质量问题。设备调整不到位可细分为：滑轨倾角不合适，倾角过大过小均有可能造成此问题；滑轨盖板高度设置不合理。螺柱质量问题分为：螺钉法兰厚度不正确和螺钉油污致滑过重。

螺钉的法兰厚度过小，会导致在导轨输送过程中产生前后的叠加而卡在滑轨中或法兰钉法兰（非焊接端面）一圈上的厚度不一致，个别法兰局部偏厚，其在进入滑轨后旋转，导致偏厚处受滑轨盖板高度限制而卡钉。

螺钉的油污会导致车间粉尘黏结在滑轨上，由于螺钉在滑轨上是靠自重重力的影响而向下滑动的，当其粘上粉尘后，螺钉将不能自由滑动而卡钉。

1.1.3 在轨道到送钉管的切刀处卡钉

此故障最常见的原因是：设备调整不到位，即切刀运动的速度与送钉速度不匹配，导致螺钉回落至切刀的运行腔，卡住切刀，从而致使螺钉无法送出。

1.1.4 在焊枪中卡钉

此故障主要由接收块磨损、螺钉法兰直径过大或不圆、螺钉油污致接收块粘到灰尘铁屑等几大原因导致。

1.2 焊接姿态

焊接姿态问题主要有：焊枪在焊接中不在零件焊接点的法向，螺柱焊接后虚焊或螺柱偏转；焊枪在焊接运动中，焊枪的管线与机器人臂发生缠绕、扭曲，导致焊枪在焊接中运动不畅，甚至无法运动。这两种情况均会引起焊接故障。

1.3 软件匹配问题

机器人程序结构不合理，机器人程序软件的信号时序与焊接的时序要求不完全匹配（即逻辑顺序不一致）。当出现此种问题时，常常会表现如下故障：焊点缺失，焊接中停机但不反馈故障信息，焊接缺陷等。

1.4 硬件连接故障

接地线、焊接线连接不可靠，将导致无法焊接或焊接不良等问题；测量线连接不良，将导致焊接不良等质量问题；如控制通信线连接不可靠，将可能导致程序调用错乱、动作不正确，甚至不能动作等。

2 故障预防措施

针对以上故障，本文分析研究了对应的预防措施。

2.1 产品设计要求

2.1.1 被焊零件材料及板厚

被焊零件需是碳钢；材料厚度应不小于0.65mm，尤其是焊接件是接地螺栓或大头钉时（易焊穿），螺柱不可焊接在“L”零件的根部，以免出现磁偏吹。

2.1.2 被焊零件的平整度

M5的螺柱，需要Ф30mm的平台，平台最小不小于Ф25mm；M6的螺柱，需要Ф35mm的平台，平台最小不小于Ф30mm。如必须焊接在弧面上，曲率半径要求不小于400mm。

2.2 工艺工装设计要求

2.2.1 工装工具的设计

（1）反面支撑。当被焊零件材料板厚小于1.2mm，且背面50mm范围内无其他零件支撑时，需做反面支撑；反面支撑须与工装绝缘，材质为耐磨的铜质。

（2）导套。导套内径比焊枪灭弧罩外径大1mm，M5及接地螺栓31mm，M5螺栓26mm。导套高度25mm，材质要求为铜质。

（3）接地。大零件，如地板分总成等，需2块以上标准接地块，对称分布；接地电缆截面积要求不小于90mm2，需采用压线鼻；工装上应采用分线排，将电压检测及接地线分到接地块。

（4）管线敷设。管线需悬挂或铺设在地面用盖板保护，防止管线弯折损坏。

2.2.2 焊接路径

机器人焊接时，同一把枪的焊接方向最好控制在2个方向，最多不能超过4个方向，以防止焊接中姿势过于复杂，导致管线缠绕，出现卡钉。人工焊接时，应防止反手或反向焊接，如有这种情况可考虑工装旋转。

2.3 设备选型要求

2.3.1 送钉方式的选择

螺钉数量多于4颗的选用自动送钉。

2.3.2 角度检测功能选择

首选带角度检测功能的设备，在如下情况下必须选用带角度检测功能设备：弧面或可能出现冲压褶皱部位（如弧面拉伸区域的平面、翻遍边缘）上的螺柱焊接必须选用带角度检测功能的焊接设备；操作有需仰焊或反向焊接等操作不便的姿势时，必须选用带角度检测功能的焊接设备。

2.3.3 焊枪的选择

相同螺栓而零件板厚差异满足以下条件时，不能采用同一套焊接规范，如手动焊接时，需用不同的焊枪：表面镀层相同，焊接板厚差别在0.4mm及以上，且薄板厚度不大于1.0mm时；表面镀层不同，厚板板厚低于1.2mm。机器人抓焊枪焊接需要选配机器人管线固定托架。机器人需注意配置专用的螺柱焊软件包。

2.4 安装调试要求

2.4.1 电源安装

插接箱空开不小于60A，通常采用200A。焊机接线处采用三相五线的防爆插头，插头安装要牢固，电源插上需注意卡口是否扣紧，否则容易拉弧发生焊接故障或电压不正常故障。电源接线拧紧并做标记，否则容易出现拉弧设备故障，出现电流过小或电压过高的焊接故障。

2.4.2 管线安装

电缆应插到底，并锁紧卡口，否则容易拉弧、漏气发生焊接故障或焊枪前进后退不到位，或动作缓慢，延时报警；焊接控制电缆及送顶管应舒展、无弯折，尤其是送顶管不可绕圈扭曲，否则容易卡钉或线缆损坏；管线不能与围栏、托架之间有滑动摩擦，需做固定，否则电缆容易磨损。

管线吊挂托架需做成弧形，否则在吊挂处弯折，管线容易折断或卡钉；机器人臂上需采用管线固定托架进行安装，否则管线容易摩擦损坏，或缠绕扭曲导致卡钉；六轴焊枪安装处，应留有余量，余量的判断方法为，焊枪在六轴的所有活动范围内前进后退，管线与六轴关节无摩擦，且无弯折扭曲，否则电缆容易磨损或卡钉。

管线两端与送钉器及焊枪连接处，螺栓应连接紧固，否则易出现送顶管、送钉器和焊枪之间有间隙，发生卡钉；手工螺柱焊，焊枪及管线应采用平衡器吊挂，管线吊挂处应采用弧形托架，防止管线受力集中发生弯折。敷设在地面的管线应安装盖板，防止管线被踩踏损坏。

2.4.3 焊枪安装

焊枪固定板在机器人臂上的安装必须平整，否则焊枪安装板容易断裂。检查方法是，观察焊枪安装板与支架之间的间隙是否一致。安装螺栓必须紧固，并做拧紧标识。

2.4.4 工装安装

（1）接地块的安装。接地块必须是标准的形式；零件在夹紧状态时，接地块必须与零件夹紧，平面与接地块均匀接触；接地块上接地线及电压发馈线需拧紧，接地线必须采用压线鼻；固定焊枪的接地块安装在抓手上。

（2）分线排的安装。工装上接地块数量在两块及以上时，需使用标准的分线排，接地线和测量反馈线分开安装；固定螺栓必须拧紧，并做拧紧标记。

（3）反向支撑。反向支撑与工装之间需用2mm后的绝缘垫块绝缘且支架边缘绝缘垫块应露出2～3mm，否则零件容易与支撑拉弧；反向支撑应采用耐磨的铜质或尼龙。

（4）导套。需检查导套的直径与设计是否相符；导套中心线与零件应垂直，否则容易产生虚焊或焊偏的缺陷；导套下端离零件的高度5mm。

2.4.5 焊接调试

（1）焊接参数。常规设置：焊接电流=焊接面直径（mm）×110A；焊接时间=焊接电流×0.04ms。注意，当焊接板厚小于1mm时，不能按照上述计算，需要采用大电流、短时间；通常电压范围在15～30V，当零件表面状态较差时，电压会偏高。

（2）送料调试。送料需注意送钉时间和送钉吹气压力的配合；送钉时间通常在1000～1500ms，跟钉的大小和送钉管长度相关；送钉调试中，需注意送钉导轨的角度，以钉在导轨上可自由下滑，且螺钉无堆叠卡死为准；调试完后可进行50～100次连续送钉测试，要求无卡滞。

（3）焊枪调试。要检查焊枪活动顺畅无卡滞，需特别注意：灭弧罩或顶杆比卡抓高出2mm；螺柱伸出灭弧罩或顶杆的高度在2～3mm；手动可用卡规检查；自动焊枪现场调试时，可用1元硬币贴近顶杆，螺钉法兰底面与硬币平齐，确保螺钉高出顶杆1.5mm以上。

（4）焊接垂直度调整。手动、半自动采用光栅检测垂直度；自动无检测；手动、半自动靠导套保证，导套的轴线与零件的发现需平行；导套的高度会影响焊接垂直或螺柱伸出长度的校取。导套高度的判断标准：焊枪灭弧罩3个接触角与零件接触后，导套与灭弧罩台阶间有2～3mm间隙；导套的内径会影响焊接垂直情况；自动焊枪，靠焊接姿态保证垂直。

2.5 正式生产阶段

2.5.1 日常检查

（1）焊枪。灭弧罩及卡抓飞溅清理；螺柱是否在灭弧罩中心（同心检查）；卡抓是否损坏；卡抓是否锁紧；推动焊枪，查看焊枪活动是否顺畅。

（2）接地线。晃动接地线连接，检查是否有松动；检查接地线是否有破损或异常弯折。

（3）工装导套。清理导套飞溅；检查导套是否松动或磨损。

2.5.2 周或月度检查

（1）焊枪。打开接收块盖板，检查接收块磨损情况；打开接收块盖板，手动送钉，检查送钉顶针动作是否顺畅；检查顶针是否磨损；送钉管处是否漏气。

（2）送料器。检查送顶管处是否漏气；检查螺钉导轨处是否松动；导轨及送料箱内灰尘、铜屑是否及时清理；送钉管处是否漏气；检查送料器切钉装置是否磨损或漏气。

（3）焊机。内部灰尘用干燥空气清洁，开展接线紧固检查。

3 结论

通过措施实施前后的对比分析，笔者得出如下结论：找出螺柱焊的设备和质量缺陷的根本原因，并制定落实预防措施，可以有效控制螺柱焊生产的稳定性；设备长久稳定运行需要保障团队对设备进行有效可靠的维护保养。