淺談汽車白車身車頂蓋激光焊接系統(tǒng)

武漢法利萊切割系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司 武漢神龍汽車有限公司 李斌 黃海 國莉 郭漣

　　在線車身激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)面車身的焊接。采用激光焊接技術(shù)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的靈活性，降低制造成本，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車體的剛度，提高產(chǎn)品的競爭力。武漢華工激光針對汽車白車身車頂蓋的焊接工藝擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗，曾服務(wù)于神龍、江淮、通用等汽車生產(chǎn)線。

　　激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝。在車身裝配生產(chǎn)線上，五軸激光加工機或光纖傳輸?shù)募す饧庸は到y(tǒng)已廣泛用于激光焊接。美國三大汽車集團（通用、福特和克萊斯勒）、歐洲汽車制造公司（如RENAULT、VOLVO、AUDI、BENZ和BMW）生產(chǎn)線上采用激光焊接機器人，以通用汽車公司為例，其在線使用激光器達200臺以上。德國大眾公司在Audi A6、lf A4及Passat等品牌車型的車頂均采用激光焊接。

　　隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢。從國際上看，知名汽車公司都爭先恐后地在車身制造中應(yīng)用激光焊接技術(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品技術(shù)先進性，在日益激烈的產(chǎn)品競爭中立于不敗之地。這種趨勢在國內(nèi)的合資企業(yè)中已得到體現(xiàn)。但國產(chǎn)品牌汽車的車身大規(guī)模在線激光焊接還是空白，提高產(chǎn)品品質(zhì)，在國內(nèi)開展有關(guān)應(yīng)用研究工作，掌握關(guān)鍵技術(shù)、工藝，形成自主研發(fā)、創(chuàng)新、生產(chǎn)能力，是大勢所趨，也是國產(chǎn)品牌走向國際市場的基礎(chǔ)。

　　基于激光焊接的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　與傳統(tǒng)零件相比，激光焊接需要更為穩(wěn)定的三維尺寸精度，對車身焊縫位置設(shè)計提出了更高的精度要求與質(zhì)量保證。為了保證車身生產(chǎn)的穩(wěn)定性，我們必須控制激光釬焊相關(guān)的各個零件的功能尺寸，并且確定在合適的范圍內(nèi)波動時，焊接外觀質(zhì)量不會發(fā)生變化。

　　車身側(cè)圍和頂蓋的沖壓件采用傳統(tǒng)的多次沖壓方式，難以保證激光焊接區(qū)域?qū)畹囊蠓秶?，沖壓必須嚴格保證幾何尺寸。改變傳統(tǒng)的兩次成形，一次沖壓A、B和C三個區(qū)域和分塊結(jié)構(gòu)，通過同一加工基準，同一設(shè)備，同一安裝窩座加工安裝，保證激光焊接區(qū)域面度是一致的。

　　在外觀方面，傳統(tǒng)側(cè)圍起皺嚴重，會影響激光焊接。車身沖壓件裝配后，多使用電阻焊接，工件不受扭轉(zhuǎn)力矩，當工件的重力與點焊時加壓方向一致，焊接壓力足以克服工件的彈性變形，并仍能保持準確的裝配位置與定位基準貼合。

　　在進行車身頂蓋設(shè)計時，需要根據(jù)調(diào)試情況調(diào)整頂蓋整形的角度，也就是激光焊接面的面角度，保證側(cè)圍和頂蓋能在一個理想的間隙和角度下進行焊接。

　　激光焊接工業(yè)化系統(tǒng)開發(fā)

　　華工激光法利萊采用光纖激光器配以相應(yīng)的導(dǎo)光系統(tǒng)、機器人、工裝夾具、車身輸送線及控制系統(tǒng)等進行激光焊接技術(shù)開發(fā)，對轎車大型車身件（頂蓋與側(cè)圍）進行激光焊接，研究實用化的激光焊接關(guān)鍵技術(shù)、工藝、質(zhì)量檢驗與控制措施，并將各加工制造系統(tǒng)有機集成，實現(xiàn)在線生產(chǎn)，滿足生產(chǎn)能力要求。

　　作為汽車生產(chǎn)線還需要攻克系統(tǒng)穩(wěn)定性技術(shù)難關(guān)，工業(yè)產(chǎn)品要求以穩(wěn)定性和可靠性為第一要素，因此需要對成套裝備及加工工藝進行技術(shù)優(yōu)化和完善，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾特性，以滿足工業(yè)加工每周7天、每天生產(chǎn)24 h的工作需求。

　　1. 焊裝夾具

　　焊裝夾具是生產(chǎn)時的一種輔助手段，它是將工件迅速準確地定位并固定于所定位置，包括引導(dǎo)焊槍或工件的導(dǎo)向裝置在內(nèi)的用于裝配和焊接的工藝裝備的總稱。焊接夾具是進行金屬結(jié)構(gòu)焊接不可缺少的輔助器具，是焊接工藝的重要組成部分，它在焊接過程中主要起維持、保證焊接產(chǎn)品形狀及尺寸符合產(chǎn)品圖紙要求，方便焊工操作，提高工效的作用。車身焊裝夾具體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于制造、裝配、檢測和維修，必須對夾具結(jié)構(gòu)進行分解，否則無法進行測量。車身總裝夾具有3個裝配基準：底板、左側(cè)圍和右側(cè)圍，在他們的平面上都加工有基準槽和坐標線，定位夾緊組合單元按各自的基準槽進行裝配、檢測，最后將3大部分組合起來，成為一套完整的夾具。

　　（1）頂蓋夾具設(shè)計  頂蓋屬于柔軟易變形零件，成形工位的定位工裝脫離后頂蓋Z向會變形拱起，造成焊縫位置偏移和間隙變大。在焊接工位通過浮動工裝再次定位頂蓋Z向形面，保證焊縫位置和間隙。在激光焊接工位頂蓋與車身已經(jīng)存在物理定位關(guān)系，頂蓋受物理定位（重力、貼合支撐及預(yù)成形焊點）影響已經(jīng)變形扭曲，需要頂蓋成形工裝再次定位，保證頂蓋與車身焊縫位置和間隙，同時降低焊接應(yīng)力減少焊后變形。

　?。?）龍門架及地板夾具設(shè)計  地板夾具采用4點支撐，利用車身自身的重量將車身牢牢支撐在地板夾具上，保證Z軸的定位準確。再用一個圓柱銷和一個棱形銷，兩點定位，保證X、Y軸的方向精度，以便于焊接線路的準確性。

　　位于車尾處的龍門架則用于放置送絲機、焊絲預(yù)熱系統(tǒng)及其冷卻系統(tǒng)。兩側(cè)的龍門架內(nèi)側(cè)設(shè)計有4個定位壓塊，用于工裝夾具的定位，使夾具放置在車身上實現(xiàn)穩(wěn)定定位。

　　2. 生產(chǎn)工藝流程

　　全自動化焊接系統(tǒng)工作流程如下：

　?。?）雪橇載著車身總成進入激光焊工位，滾床上的夾緊器固定雪橇，升降機帶動滾床和雪橇下降，使車身落在底部夾具上，車身總成通過底部工裝夾具上的一個圓形定位銷和一個棱形定位銷以及基準面完成定位，同時激光房兩側(cè)滑動門關(guān)閉；

?。?）焊接工裝夾具通過安裝在搬運機器人凸緣盤的氣動夾緊器裝載在機器人上，搬運機器人將其運送到位后，夾具上的4個V型塊與定位支撐架上的定位V型塊配合，形成定位，然后定位支承架上的旋轉(zhuǎn)氣缸翻轉(zhuǎn)將夾具夾緊，機器人凸緣盤的氣動夾緊器通過氣缸驅(qū)動松開頂蓋夾具，搬運機器人空載離開返回待命位置；

　?。?）焊接機器人持激光焊接頭先后進行車身右側(cè)圍、左側(cè)圍與頂蓋的激光釬焊；

　?。?）焊接完畢后，焊接機器人復(fù)位，同時搬運機器人過來抓取焊接夾具，氣動夾緊器抓緊焊接夾具后，定位支撐架上的旋轉(zhuǎn)氣缸打開，搬運機器人負載其返回至待命位置，同時激光房兩側(cè)滑動門開啟；

　?。?）升降機升起，帶動滾床和雪橇上升，上升到位后，滾床夾緊器松開雪橇，雪橇托住車身離開激光焊工位。

　　3. 激光安全防護系統(tǒng)

　　我們使用的4 kW激光器處于安全等級4的危險光源，出光后會引發(fā)火源，同時其反射光也會對人造成危害，所以激光釬焊應(yīng)用必須在封閉的環(huán)境中，并考慮足夠的安全條件，獨立激光焊接間的設(shè)計是必要的。

　　激光器產(chǎn)生的激光除了用于激光焊接外，我們希望所有的反射和散射的激光都可以被封閉在激光焊接間內(nèi)部。為此，我們在設(shè)計激光焊接間必須考慮，墻壁材質(zhì)具有很好的反光效應(yīng)或吸光效應(yīng)，同時在焊接間的出光條件控制必須滿足足夠的安全條件。一般來說，激光焊接間選用鋁制或者帶涂層的鋼制，而以鋁材質(zhì)具有很好的反光特性為優(yōu)。

　　本工位使用的光纖激光器所產(chǎn)生的波長為1 070 nm，圖1為光纖激光器光的分類，屬于不可見的一種紅外激光。由于它無法察覺，這道光線對眼睛和皮膚非常危險。我們通過硬件及軟件上的一些專門設(shè)置，來保證人員及設(shè)備的安全。

圖1：IPG光纖激光器光的分類

　　激光房設(shè)置有兩個安全門，供人員及設(shè)備出入。安全門的軟硬件設(shè)計按照《AUT-STD-997》標準完成，可對安全門的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，安全門未正常關(guān)閉時，激光源無法出光；安全條件不滿足時，安全門無法打開。整個激光焊接區(qū)域設(shè)置有5個緊急停止按鈕，分別置于安全門旁、激光放內(nèi)部、機器人控制器上和激光柜上。這些緊急停止按鈕可以在緊急狀態(tài)下停止工位設(shè)備的運行。此外，通過檢測機器人的位置開關(guān)，控制激光源在機器人運行至焊接區(qū)域時才出光；無論有沒有焊接完成信號，激光源在出光超過安全時間后，都將切斷光源。激光防護房采用特制的鋁合金型材，起到了保護工作人員不被激光傷害的作用。

圖2：激光防護房設(shè)置

　　工藝研究

　　工藝規(guī)范的設(shè)計與控制是關(guān)鍵，也是技術(shù)難點。為得到完整、外形美觀且高質(zhì)量的焊縫，使用三段不同的工藝參數(shù)分別進行起弧段（見圖3）、中間段和收弧段（見圖4）的焊接。

　　起弧段長度根據(jù)頂蓋的形面結(jié)構(gòu)決定，起弧工藝的關(guān)鍵是控制送絲、出光和機器人運動之間的相對時間。

　　中間段使用單獨的一套工藝參數(shù)進行焊接。在焊接過程中，設(shè)置一定大小的力，使其修正實際焊縫相對于軌跡點的Y向偏差。當偏差過大，SA軸偏出了設(shè)定的SA_range范圍時，立即停止工藝和機器人運動。

　　收弧段使用SA hold功能，旋軸處于hold保持狀態(tài)進行焊接，以避免結(jié)束點焊料偏向側(cè)圍。結(jié)束焊接工藝時，給定一定的延時關(guān)閉激光。

圖3：起弧段 收弧段

　　在自動化焊接中，為保證焊接起始點的質(zhì)量，必須使每次焊接之前的焊絲干伸出長度和焊絲截面一致，而收弧時焊絲熔斷截面不穩(wěn)定，因此設(shè)計了一套燒斷焊絲的工藝。在每焊完一邊焊縫之后，送絲機再次定位一定的長度，機器人回到某一點，執(zhí)行斷絲程序，給定高功率、短時間的激光來熔斷焊絲，以獲得良好形狀的焊絲端面與穩(wěn)定的焊絲干伸出長度。

　　結(jié)語

　　激光焊接可以實現(xiàn)兩塊鋼板之間的冶金結(jié)合，減少搭接寬度，壓縮車身結(jié)構(gòu)件本身的體積，減少車身重量，把傳統(tǒng)點焊變成連續(xù)焊接，提升車身強度30%，降低了熱變形，極大地提高了車身結(jié)合精度。

　　激光焊接不僅大幅度地提升產(chǎn)品品質(zhì)，而且更容易實現(xiàn)車身焊接的自動化和智能化，提高生產(chǎn)效率。研發(fā)轎車車身激光焊接自動化工裝設(shè)備是滿足國民日益膨脹汽車需求的保證，同時也是國內(nèi)汽車制造公司擠進國際市場的前提。

　　隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢。汽車車身主要靠焊接進行連接，車輛產(chǎn)品的技術(shù)含量在一定程度上代表著一個國家的工業(yè)化水平。從國際上看，知名汽車公司都爭先恐后地在車身制造中應(yīng)用激光焊接技術(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品技術(shù)先進性，在日益激烈的產(chǎn)品競爭中立于不敗之地。這種趨勢在國內(nèi)的合資企業(yè)中已得到體現(xiàn)。在國內(nèi)開展激光焊接相關(guān)研究工作，掌握關(guān)鍵技術(shù)、工藝，形成自主研發(fā)、創(chuàng)新、生產(chǎn)能力，是大勢所趨，也是國產(chǎn)品牌走向國際市場的基礎(chǔ)。