纽扣焊技术在柔性化生产线的应用

一汽-大众汽车有限公司，广东佛山 528000

一汽-大众汽车有限公司引用世界领先的大众集团MQB平台，该平台拥有极高的柔性化生产能力。我们始终秉承工匠精神，钻研技术，采用KVP²（质量改进）方法，即基于现场各种数据统计分析而进行的解决问题方法，去解决工作中遇到的重难点问题。

课题团队对2018年的TOP10质量问题进行了统计分析，发现有63%的问题集中在前盖上。经过分析得出，造成此问题的原因主要是前盖在经过电泳和烘干后发生较大的变形，给总装ZP7增加了大量的返修工作，需要耗费大量的人员调整返修来解决问题。面对当下严峻的质量风险和成本考验，解决此问题迫在眉睫。

如果能够解决前盖电泳变形问题，预计前盖匹配返修工作量可以得到较大幅度的降低，提升生产线的效率。为此，课题团队将解决前盖电泳变形问题作为关键措施，以此实现减少返修、提高效率的目标。

面对前盖电泳变形带来的质量问题和效率损失，如何解决电泳变形成为最关键的因素。根据数据统计，由于前盖电泳变形的影响，前盖的尺寸变化量为：－2.71～4.85mm，而需要的匹配精度为：

因此前盖的变形量和楔形量都必须控制在2mm以内。预计如果前盖电泳变形问题消除，ZP7匹配调整工作量将减少。

纽扣焊技术开发

前盖电泳变形问题是ZP7工段最严重的质量问题，因此按照KVP²的方法开展工作，旨在解决前盖电泳变形问题。经过分析，常规的技术手段以及工艺优化已无法解决该类问题，因此本课题团队重点寻求技术的突破，以技术手段去解决电泳变形的问题。

1.建立理论模型

以V车型前盖总成为例，其主要工艺生产过程分为模具冲压、涂胶、压合、单边焊、电泳、烘干及装配，前盖的尺寸变形量是评价其质量的关键指标，评价指标具体可换算成前盖与翼子板、前盖与大灯、前盖与格栅以及前盖与徽标的平度与间隙。对于尺寸变化量可依据胡克定律进行计算，同时结合匹配标准，以前盖边缘处某点j为基准，建立模型。

胡克定律变形量公式为

式中，FNi主要受电泳液的作用力影响；li及Ai为产品设计值；E为弹性模量与材料本身及生产工艺相关；ε为工艺综合影响经验参数值。

塑性变形所需能量W计算公式为

式中，Fi为受力，li为力距。

工装弹簧积蓄能量U计算公式为

式中，P为载荷力；k为弹簧阻尼系数；d为变位量。

能量守恒公式为

匹配标准见式（1）。

波动量计算公式为

式中，m为波动中心位置；s为波动分布的曲线形状。

经验推导公式为

分析与计算：由理论模型可知，为满足匹配标准，需要控制变形量Dj，即Dj越小匹配状态越好。

1）式（1）～（5），受产品结构设计需求，l及Ai无法改变，在柔性化智能制造过程中，尤其在60件/h产能下，FNi减小空间小，最佳解决途径是优化生产工艺，加大弹性模量E，实现变形量Dj减小的目标。

2）分析式（3）～（5），在外力Fi以及外部对前盖做功W一定的前提下，减小工装弹簧阻尼k会增大行程d，从而使W额外增大，得出前盖的塑性变形能量W降低，可推导出变形量Dj减小。但是，基于生产工艺的经验，其d→0，即U=0，减小工装弹簧阻尼k无法改变变形量Dj。

3）观察式（4）和式（6），结合生产工艺的经验，提出设想，改变弹簧阻尼会影响尺寸的稳定性，即k值与s值成线性关系，推导出经验公式（7）。

经以上分析得出，从阻尼系数k以及弹性模量E两方面着手，去制定生产工艺方案，可能实现V车型的前盖电泳变形量小于2mm这个目标。

2.试验方案

结合整车装配，需要测量以下位置点，如图1所示，用于评价前盖尺寸的变化情况。

图1 测量点分布

（1）焊接方案 前盖内外板通过滚边压合工艺后，为了防止内外板的窜动，一般还会采取焊接工艺，例如单边焊。可以采用以下方案改变弹性模量E：基于车身结构建立前盖力学模型，进行变形量仿真分析，寻求最佳焊接位置；根据仿真结果，验证表1中的工艺，评估前盖尺寸变化情况。

表1 工艺对尺寸的影响

（2）涂胶方案 前盖内外板结合后，其刚度除了焊接本身起作用外，涂胶同样起到增加强度的作用。根据压合状态下胶的固化强度特性，可从以下方面进行试验改变弹性模量E：改变固化时间，设计试验，设置前盖总成静置不同的时间，观察其尺寸变化情况，考察延长静置时间是否能增大整体刚度指标。

改变胶的性能，寻找与原有压合胶性能相近但在强度性能指标上更优的压合胶。

（3）工装方案 工装的作用是连接前盖与车身。更换弹簧，即改变阻尼系数k，可能会影响σ值，观察不同阻尼系数下的变形量及波动量。

3.方案实施

基于试验方案，采取小批量试装的工作方法，得出试装试验数据。

在商务英语研究的实际中，交叉发展是开展商务英语学科建设的必然途径。通过学科建设的实际反映，把学科发展和提高学科教学水平的积极的因素和有力措施运用起来作为主线，其实践过程统称为学科建设。学科的发展永无止境，但是在每个阶段，学科研究的能力是受到一定的限制的，这也造成了学科建设存在一定的矛盾，而认识和把握科学的学科发展特定规律及顺应时代形势发展需要，做到顺势而为是解决该矛盾的出发点和立足点。所以必须要全面、科学、客观地认识到开展学科建设的意义。

（1）焊接试验 根据车身结构进行仿真分析，结果如图2所示。红色及黄色区域变形量最大，因此红色及黄色区域是最佳焊接位置。

图2 变形仿真分析

基于智能制造，综合生产节拍、表面、人员可操作性、强度、经济型及可优化潜力等指标进行评估，再四个角增加焊点，如图2中的红点所示，其变形效果最佳，评估结果见表2。

表2 增加四角焊点后的变形效果评估

从表2可看出，MIG为最优焊接方式，但是其表面状态及可操作性上会存在不足，后续如无更优方案，可从如何去优化并改进MIG焊工艺的角度尝试提出解决方案。

（2）涂胶试验 将总成静置在干燥室温下，尺寸变化量见表3。

表3 静置时间与尺寸变化量

结果显示，静置时间长短对尺寸变化量影响不大。

改变胶的性能，试验结果见表4。

表4 不同胶对变形量的影响

结果表明，2K胶性能最佳，满足变形量质量要求小于2.0mm。但是单车成本增加约30元，投入产出比太低，不适合批量生产。

表5 不同弹簧对前盖尺寸波动量和变化量的影响

试验论证了经验推导公式（7）是成立的，波动量得到有效的控制，进而选择阻尼系数10.9的弹簧最为合适。但是其变形量没有得到控制，因此该方案对于解决前盖电泳变形意义不大。

4.改进与创新

综合评估，决定采取MIG焊接方式，但是需要从技术上解决焊接热变形的问题。因此，尝试利用继电器原理对原有的MIG焊接设备进行改造，如图3所示。

图3 设备改造示意

改造后的MIG焊接设备在每次动作的时候仅在固定的焊接时间输出，同时选择合适的焊丝并对焊枪枪头进行优化，从而形成“纽扣”形态的MIG焊，如图4所示。

图4 “纽扣”焊实物

纽扣焊的特点是操作简单、强度高、对表面影响小，特别适合像前盖这样的表面件。按照表6调试其相关焊接性能，实现表面状态及可操作性上的提升。

表6 焊接调试参数表

5.效果验证

用三坐标测量同一个前盖总成在漆前与漆后的状态，样本量n=58，如图5所示，蓝色表示优化前的尺寸曲线，红色表示优化后的尺寸曲线。结果显示，优化后尺寸变化量为－1.73～0.21mm，满足式（1）的匹配标准，可预见能够解决前盖电泳变形的问题。

图5 三坐标测量结果

6.流程巩固

编制新技术纽扣焊的操作指导书、设备参数记录表以及设备故障处理方法。由此，纽扣焊技术正式投入量产。

在柔性化生产线中的应用

为了实现柔性生产，通常会在一个车型平台上共线生产多种车型。由于不同车型的工艺差别，对某个工位来说，生产不同车型时，可能执行不同的工艺要求，完成不同的工作流程，导致在不同车型下工人的负荷率不同，所以采取平均负荷率来衡量员工的负荷情况和生产线的能力。

1.建立模型

假定某生产线节拍为T（单位为秒），同时生产A、B、C、D四种车型，四种车型的比例为a∶b∶c∶d。工人甲在本工位执行4种车型工艺，A车型工作时间为t1，B车型工作时间为t2，C车型工作时间为t3，D车型工作时间为t4，则工人甲的平均工作时间见式（8），员工甲的平均负荷率见式（9）。

通常工人的平均符合率要求为90%～100%，由于车型比例的差异，则意味着可能某一车型下的员工负荷率会超过100%。只要平均负荷率没有超过节拍也是可以接受的，但是同时对车序会有较高要求，不能连续出现超节拍的车型，即。

通过此种方式可以最大限度地利用不同车型的空余时间，实现负荷率的提高和产能的提升。

设该生产线的设备开动率为k，则该生产线的能力为

通过以上分析可以得出，如果要提升JPH，就必须要降低员工的平均工作时间，可以通过降低任意一种或几种车型的工作时间来达到。通常选取工作时间最长的瓶颈车型。

假设车型D的工作时间最长，通过工作流程优化，使该工位车型D的工作时间从t4降低到t5，则员工甲新的平均工作时间为式（12）。保持设备开动率不变的情况下，则该生产线的JPH能力可以提升至式（13），JPH能力提升的比率为式（14），说明在原有人员和设备的情况下，该工位的效率提升了y。

2.方案应用

（1）改进前 由于车身经过涂装电泳及烘干程序后会发生变形，以及总装的影响，前盖与翼子板或与徽标的匹配有错位，需要在下线前进行调整。目前在总装BA7线上174－177工位有4名员工进行前盖调整工作，生产线节拍为59s。该4名员工分为4组，每人调整工作占4个工位和4个节拍时间，往复循环工作。

经过现场的观察和统计，目前调整耗时较多的点主要为：前盖与翼子板的匹配，前盖与徽标的匹配，以及前盖与大灯的匹配，造成该问题的主要原因是前盖电泳变形。其中V车型前盖变形量最大，为－4.85～2.71mm。重点考察V车型的工作，其改进前工作描述见表7。

表7 优化前工作描述

V车型前盖调整的时间为243s，工作节拍为236s，为超节拍的状态。由于其他三种车型的前盖调整时间并没有超节拍，根据式（8）计算出前盖调整工位的平均工作时间为202s，平均负荷率为85%，见表8。

表8 优化前各车型工作节拍

（2）改进后 V车型实施纽扣焊技术后，前盖匹配调整工作量大大降低，其前盖的变形量为－1.73～0.21mm，改进后工作描述见表9。

表9 优化后工作描述

根据平均符合率公式计算出，如果要优化1人，各个车型需要优化节拍见表10。

表10 节拍优化目标

为此，有针对性的开展其他车型的质量优化工作。其中A车型通过对翼子板单件的型面优化，解决了翼子板与A柱的缩头匹配缺陷；B车型优化了骨架翼子板的定位孔尺寸，解决了翼子板与前盖的匹配缺陷；由于前盖铰链的尺寸得到了有效的控制，C车型前盖稳定性得到了提升。根据式（8）计算出各工位的平均工时见表11。

表11 优化后各车型工作节拍

工作量减少后，原4人的平均负荷率均为74%，存在较多的等待时间。进一步分析可得，原有工作可以减少至3人完成，即优化1人。根据式（9）计算出3人工作的平均负荷率为98%。

综上所述，各车型的质量优化使得ZP7调整工作量降低，其中V车型由于新技术的投入使用，贡献量最大。优化前后ZP7工段工作变化见表12。

表12 优化前后对比表

结语

该项目报告是基于解决2018年的一个TOP质量问题开展起来的。经过统计分析发现前盖匹配问题最多，而前盖电泳变形是导致前盖匹配状态差的根本原因。经过理论分析以及试验分析，得出前盖电泳变形的根本原因是内外板之间的窜动造成，可从优化工装的阻尼系数以及前盖的弹性模量尝试解决问题，因此提出多套试验方案进行评估，终究因为成本或者质量瓶颈而无法解决。

为了攻克技术难点，本课题团队深入思考并开展了大量的试验，发明了“纽扣焊”技术，从技术上解决了问题，实现了将前盖的变形量控制在2mm以内的目标。对ZP7前盖调整相关工位的符合率以及柔性化进行了分析，并将纽扣焊技术运用到V车型上解决了前盖电泳变形的问题，同时对其他相关质量问题进行了优化，最终实现了优化1人的目标。