汽车车身柔性激光焊的规划与应用

汽车车身柔性激光焊的规划与应用

曹建刚苑智广苟晨晨

长城汽车股份有限公司河北保定071000

摘要：汽车上白车身是汽车的基本骨架，是汽车上所有零部件的安装基础，而车身冲压零件及其焊接装配的质量是影响车身质量的重要因素。目前，汽车车身焊接常用的焊接形式是电阻点焊、MIG和MAG焊等。大众汽车集团在旗下的车型中大量的应用了激光焊接技术，应用区域包括行李箱盖、侧围、车顶、门框等。本文以汽车行李箱盖激光焊焊接为切入点，研究汽车车身柔性激光焊的规划与应用。

关键词：汽车车身；柔性激光焊；规划与应用

引言

当今汽车市场竞争激烈，各厂商都加快了产品的更新迭代速度，以覆盖不同级别的细分市场。因而需要投资更多的生产线来满足不同品种零件的生产，总体成本随之提高。各大厂商都在研究措施用以降本，而生产线柔性化正是降本点之一，特别是自动工位的柔性化程度提升。而激光焊由于技术门槛相对较高、投资成本高，因而研究激光焊柔性化生产，具有推广及参考意义。

1汽车焊装生产线设计特点和思路

现代汽车车身装焊技术主要有日益精湛的焊接技术、定位迅速准确的装焊夹具、日臻完善的质量控制手段、立体布置的自动化生产线和大量焊接机器人的应用。汽车车身在装焊过程中有两个最明显的特点一是具有程序性，被焊接车身件按其工艺规程顺序地经过各工位，完成全部焊接过程；二是装焊过程中，为确定零件或合件的相对位置需使用专门的夹具，焊接前将其夹紧贴合。因而汽车焊装生产线主要由各工序上的定位夹紧单元、自动焊接装置以及各工序间进行产品传输的传动机构组成。随着汽车改型的加快，产品不断增加，生产效率越来越高，汽车车身焊装生产方式也不断更新，由原来的手工装焊生产方式发展为装焊流水线生产方式，甚至全自动生产方式，即自动装卸、自动焊接、自动传送及自动控制。汽车车身焊接线工艺布局的研究非常重要，已成为汽车企业进行汽车生产线的建造的重要组成部分。由于在汽车冲压、焊接、涂装和总装四条生产线中，冲压、总装和涂装与新车型开发和制造关系不大，除冲压生产线的模具需要重新制造外，其他三条生产线只需要做简单的适应性改造，而汽车焊接生产线就不同了，与新产品开发的关系非常密切，除了汽车焊接夹具、往复线、输送线等需要重新设计制造外，还需要考虑其他综合因素，如与现有生产线的匹配，旧设备的利用等等。

在进行汽车焊接生产线工艺布局研究时，首先应明确生产纲领和厂房规模。在以上设计要求的基础上，需要对汽车车身的焊接工艺性分析、焊接夹具设计、生产线工艺布置、焊装线的控制方式、物流分析与车间布局优化等综合因素进行考虑，从而才能够设计出比较合理的汽车焊接生产线。本章针对我国自主品牌新车型开发和小批量定制的需求，对汽车白车身生产线上的激光焊接单元进行总体设计。由激光器、焊接机器人、上下料装置、定位夹紧系统、物流系统和控制系统组成，该生产线能进行典型的白车身分总成的合件、组件的激光焊接。

2激光钎焊工艺

激光钎焊是激光焊接技术中的一种焊接方法，由于激光能量密度大，可以作为热源，将焊丝材料熔化，激光光速经过聚焦后照射在焊丝表面，在机器人的牵引下，将熔化了的焊丝材料浸润到被焊接的工业零件上，已经被激光熔化的焊丝填充到要焊接的生产工件之间，使生产工件间得到很好的结合，完成激光焊接工艺。

在激光钎焊工艺中，整个焊接系统的焊接速度很快，而且焊缝比较狭窄，对外关也有很高的要求，焊接系统对焊接参数要求精确，同时对焊接工艺中的送丝速度较精确，对平稳性要求也很高。

激光钎焊时钎料的选则也很重要，要求解约成本，符合设计要求，要结合目材的性能，达到激光钎焊的加热调件。这就要求所选用的钎料要有合适的熔点，它的成分要均匀，稳定性要好，并有良好的润湿性，钎料与目材结合的牢固，具有激光热源的性质，符合节约成本的要求。

3行李箱盖激光焊系统构成

由于激光辐射会对人体眼睛造成伤害，其使用时需保持高密封，激光焊需采用封闭式焊接岛。行李箱盖激光焊系统由以下几个部分构成：

激光源系统：用于产生激光源。当前，主流厂商均采用二极管作为激光源，标准功率在1000~4000W之间，并且集成体积越来越小（小于2m2），二极管激光源及其光学元件产生的热量由专门的去离子水冷却循环制冷。激光源设备对环境要求较高，因此，一般需放置于恒温房内。常用的激光源品牌有：Laserline、Trumpf。常用的激光镜组有：Scansonic、Highyag等。

光导及镜组系统：用于激光光导及聚焦。主要由偏振镜、反射镜、传输光纤、以及聚焦镜组、保护镜片等组成。主要是对激光进行耦合、传输、聚焦，以达到焊接所需功率。焊接过程中，焊丝会与焊缝接触，由于焊丝有一定的刚度，因此在焊接过程中，焊丝可以进行一定焊缝导向，引导具有一定的自调节度的镜组跟踪焊缝走向。这样可以在一定程度上修正轨迹偏差。

送丝系统：包括焊丝盘、送丝机构、以及位于机器人上的焊丝导轮、导向嘴装置。根据行李箱盖零件的特点，常用的焊丝直径有1.0mm，1.2mm，1.6mm，需匹配不同的送丝导轮装置，并切换需利用光学镜头改变激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，一般为2倍关系。如焊丝直径为1.0mm，则光斑直径为2.0mm。

焊接工装系统：用于完成零件定位夹具、焊接。由于激光焊对零件匹配精度要求较高，因此要求激光焊工装需比常规夹具有更高的重复精度。另外，由于焊接过程会产生大量的热量，焊缝附件的夹紧支撑单元须有较好的热传递性能，一般采用铜质支撑单元，以减少焊接热变形。

机器人及控制系统：用于抓取激光焊镜组及送丝机构，并控制其运行轨迹，以完成焊接任务。机器人选用要求：线性重复精度<0.1mm，负载在100kg左右，工作范围在2m左右即可保证可达性。常用的工业机器人如：KUKAVK210-C2PLC控制系统：用于控制焊接过程。主要由工装上各种传感器、辅助视频监控系统、安全光栅等组成，通过收集各种传感器数据，完成工装切换识别、安全监控、焊接过程气缸控制等。

辅助设施：包括激光焊密闭房体、安全围栏、能源供给单元、吸风除尘设备、空调冷却系统等。

4柔性布局方案

对于激光焊接系统，其激光源、镜组、送丝系统、PLC系统及辅助设施均为基建共用部分，生产不同零件时，只需为不同零件编制不同的应用程序。因此只要焊接零件的工装做成柔性可切换的即可以实现基于前述平台的柔性化生产模式。

对于柔性切换工装，其主要评价指标为快速性、可重复性、方便性。为满足这些要求，对于激光焊焊接工装，机械机构方面需保证切换需可靠、方便，通过人工或自动方式进行切换。气及通讯方面可使用快速街头，以满足快速插拔要求。车型识别方面通过传感器或机械装置，可快速识别不同零件，并将信息传到控制系统中。

激光焊主房体内中央布置激光焊机器人，包括激光焊镜组。房体内还有其他设备如送丝设备、吸风除尘设备、视频监控摄像头、安全设备等。激光焊两侧布置两个上件工位：一侧为固定转台上件工位，另一侧为抽屉式可切换工位。通过两种上件工位的组合，可以满足不同节拍需求的各种零件生产需求。固定转台上可以布置两种节拍需求零件很高的行李箱盖的生产工装，而抽屉式切换工位出可以布置各种节拍需求相对较低的零件工装。房体外部包括吸风除尘设备终端、PLC控制柜、激光源房、生产辅助设备等。

结语

本文通过对汽车行李箱盖激光焊柔性规划与应用的研究，分析了激光焊柔性切换的布局方案，希望可以对生产线的降本、柔性程度有一定的提升。

参考文献：

[1]杨树强，王爵丰，张若冰.焊接装备在上汽大众白车身生产线上的应用[J].电焊机，2016，46（08）：58-62.

[2]马强.车身制造方案中的柔性设计及在上海大众的应用[J].汽车与配件，2012（11）：27-29.