焊接技术与装备在汽车行业的应用及发展趋势_黄政艳pdf

《装备制造技术》2011年第4期焊接技术与装备在汽车行业的应用及发展趋势黄政艳(广西机电职业技术学院，广西南宁530007)摘要：从自动化焊接技术、中频焊接技术、伺服技术、弧焊技术、激光焊接技术、等离子焊、搅拌摩擦焊等方面，简述了当前焊接技术及装备在汽车行业的应用情况，分析指出焊接机器人自动化柔性生产系统、先进制造技术、自动控制技术以及计算机与信息技术的应用，是未来汽车工业焊接技术发展趋势。关键词：焊接技术；焊接设备；汽车工业；应用；发展趋势中图分类号：TG47；U46文献标识码：A文章编号：1672-545X（2011）04-0131-03焊接技术是汽车制造过程中的一项关键技术，汽车的白车身及发动机、变速箱等零部件的生产，都离不开焊接技术的应用。近几年来，汽车工业在焊接新技术的应用及推广方面，起了积极的推动作用。汽车行业目前所用的焊接方法，主要有电阻焊（点焊、凸焊为主，其他如缝焊等）、电弧焊（MIG/MAG焊、TIG焊、CO2焊等）以及激光焊等其他一些焊接方式。汽车焊接不同于其他产品焊接的主要工艺要求是：对焊接件的尺寸精度要求高，要求尽可能减少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的热应力与变形，确保产品的装配精度和尺寸稳定性；对焊接接头的性能要求高，接头不仅要满足静态和动态的力学性能指标，而且还应有很好的抗低周疲劳性能和高周疲劳性能；对批量焊接生产品质要求高且一致性要好；对焊接生产过程要求高节拍、高效率；对“零缺陷”的品质控制与保证，要求自动化焊接过程的监测与信息化管理[1]。当前，汽车工业正在朝着环保低碳、节省能源、安全性、舒适性、多样化方向发展，要求汽车采用新能源、新结构、新材料和新工艺，对汽车焊装也提出了新的要求，汽车焊接技术，正在传统的材料连接概念与方法的基础上，迅速地延伸和拓展，并向先进的“精量化焊接制造”的方向发展。1焊接技术与装备在汽车行业的应用现状1.1自动化焊接技术在汽车制造业中，以点焊、弧焊为主。近年来，国内汽车行业发展迅猛，工业机器人在汽车行业得到一定的推广应用，但人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接的缺陷是，难以保持焊接工作稳定性和一致性。焊接机器人的工作状态稳定，能保持焊接品质。机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，在提升企业技术水平、稳定产品品质、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。工业机器人作为现代制造业的主要自动化设备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂和码垛等复杂作业。机器人自动焊接线，作为一个灵活、可靠、通用的点焊柔性加工单元，只需通过简单的机器人程序调整及工作参数、焊枪的更改，就可以应用于不同的汽车焊装线。机器人点焊系统属于复杂的多智能体系统，可实现全自动无人生产线。由PLC控制系统用于机器人和生产线机械化设备的协调与控制，实现参数设定、系统编程、工作状态显示及故障报警显示。机器人自动焊接生产线可以通过PLC控制系统，自动地将当前的车型信息发送到工位，实现夹具的自动变换，要求机器人同时做到对车型的识别，自动完成焊接持续的变换，从而体现自动化生产的柔性化特点，满足焊接线上高频次、多种类车型的混线生产需要。由于生产中的机械压力、电力、高温工件与设备、焊接烟雾与粉尘以及化学物质的扩散，均会对操作者造成不同程度的伤害，自动焊使工人得以解放，操作者可以远离危险的环境，通过人机交换界面就可实现对设备的编程、调试以及故障监测。采用安全栅栏加安全光幕的方法，可以给人留有足够的安全防护空间，安全栅栏用来形成一个封闭的安全防护空间，安全光幕用来防止可能发生的人机干涉。收稿日期：2011-01-22作者简介：黄政艳（1973—），男，广西容县人，副教授，高级工程师，工学硕士，研究方向为机械制造及其自动化技术、高等职业教育管理。131EquipmentManufactringTechnologyNo.4，20111.2弧焊技术在汽车行业内，除了电阻焊焊接方式，另一项最主要的焊接方式就是弧焊焊接方式。卡车制造业弧焊技术，已基本上实现了CO2焊接方式，传统电弧焊已经基本取缔；在轿车企业，已大量采用MIG/MAG焊接方式。弧焊技术从原先的旋转式直流焊机，发展到二极管整流焊机、晶闸管（可控硅）整流焊机、晶体管整流焊机、逆变式焊机；发展到现在的全数字化逆变式焊机。目前在国内拥有自主知识产权的焊机，仅为晶闸管（可控硅）整流焊机和仅有简单功能的逆变式焊机。而全数字化逆变焊机、双丝脉冲技术、具有CMT功能的技术都掌握在国外厂家手中。这些技术和设备虽好，但由于成本较高，应用推广需要一定时间。在未来两年内，手工电弧焊焊接方式将会在我们的生产中消失，而只作为修补和修理作用，逆变焊机会越来越多地应用到焊接生产当中，除了合资企业，部分国内企业也会尝试应用新的弧焊方式，如数字化焊机、脉冲焊机等，除了CO2焊接方式，也会尝试较多的应用MIG/MAG焊接方式，以提高弧焊的焊接品质。1.3伺服技术伺服技术伴随着焊接机器人的大量应用而发展起来。为保证高效率的生产模式、减少气动焊钳点焊时对工件表面造成的冲击，提高工件的表面品质，实现对焊钳施压过程的精确控制而产生伺服型焊钳。电机伺服驱动，是利用电动机产生相应的力，变换机构带动两电极臂闭合或者张开，是近年来开发的一种可以提高焊点品质的性能较高的机器人焊钳。焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，脉冲码盘反馈。这种焊钳的张开角度，可以根据实际需要选定并设置，而两电极间的压紧力也可以无级调节，其优点如下：一是每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程，焊钳就可以开始闭合，而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以同时位移；二是焊钳张开角度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞干涉，就尽可能较小张开度，以节省焊钳开合所占时间；三是焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，减少了撞击变形和噪声。1.4中频焊接技术中频逆变直流焊机是将工频（50Hz）交流变换成中频（上千Hz）直流输出，时间分辨率比工频高，控制精度高，并且输出电流不受次级输出回路变化影响，热效率较高，输出功率很大，焊接品质更好[2]。与传统工频焊机的能耗高、焊点不稳定、焊接飞溅大、焊接品质相对较差等缺点相比，中频焊机具有焊接品质好、控制精度高、焊接速度高、节能效果明显、设备体积与自重相对较小、可以广泛点焊异种金属、节能环保等优良特性。近年来，国外部分生产汽车批量大的企业，已将中频焊接技术应用于轿车白车身焊装线。在欧洲，中频点焊机器人使用量已占40%，并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业[2]。国内如一汽大众，也基本上采用中频点焊设备，目前卡车生产线尚没有大规模应用。由于中频逆变焊机具有高效节能优点，在全球提倡节能环保低碳生活的今天，在汽车制造业中应积极采用中频焊接技术。1.5激光焊接技术[3]激光焊接被认为是21世纪最有发展前景的制造技术之一。激光焊是利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统并调焦到焊件接头处，将光能转换为热能，使金属熔化形成接头。与传统的点焊相比，激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自动化、轻量化和降低成本等方面，都具有无可比拟的优越性。激光焊接设备的关键，是大功率激光器，目前主要有两大类：一类是固体激光器，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，适用于柔性制造系统或远程加工；另一类是气体激光器，又称CO2激光器，以分子气体作工作介质，可以连续工作并输出很高的功率。汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊和零件焊接，例如顶蓬与侧围的焊接。德国的大众汽车已经将激光焊接技术引进了中国，并在上海大众和一汽大众的生产线上较多应用。以激光焊接为代表的精量化焊接生产方式，以一种全新的技术理念促进了汽车焊接技术的进步。同样，激光焊接也有着很高的技术应用难度，焊件位置要求精确在激光束的聚焦范围内，最大可焊厚度受到限制，高反射性及高导热性材料（如铝、铜及其合金等）焊接性会受激光所改变，能量转换效率较低，焊道快速凝固，设备昂贵等。基于以上这些原因，激光焊接技术在国内企业大量应用将会较慢。1.6其他焊接技术一是等离子焊。由于激光焊接的高昂成本和严格的技术要求，在国内来说，大面积应用会较难，所以，在某种程度上，我们可以研究等离子焊接在汽车企业内的应用。由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，故可提高焊接生产率。132《装备制造技术》2011年第4期二是搅拌摩擦焊[4]。搅拌摩擦焊是上世纪90年重视焊接自动化，如一汽引进的捷达车身焊装车间代发展起来的一种新型焊接技术。搅拌摩擦焊焊接的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由过程中，搅拌针通过搅拌、摩擦，使焊缝金属材料热计算机控制，自动完成工件的传送和焊接。机器人的塑化，热塑化材料在搅拌头的旋转摩擦作用下，由搅动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动拌针的前部向后部转移过渡，过渡后的热塑化金属化水平，既改善了工作条件，提高了产品品质和生产在搅拌轴肩的作用下，受到挤压和锻造，最终得到由率，又降低了材料消耗。精细锻造组织构成的焊缝接头。由于整个焊接过程2.3自动控制、计算机与信息技术的应用中被焊接金属材料没有经过“熔化-凝固”过程，所近30年来，自动控制技术在焊接电源（逆变电以得到的是优异的固相接头连接。这种焊接方式由源、脉冲电源）、数字化焊机、焊接专机以及焊接机器于没有金属熔化，具有变形小、无熔化焊的焊接缺陷人中，得到了充分应用，也可以说焊接设备性能的提这些特点，所以，搅拌摩擦焊非常适合长平直焊缝的高，主要依赖于自动控制技术的发展[1]。随着计算机焊接和铝合金的焊接。目前由于搅拌摩擦焊应用范与信息技术的应用，促进了传统的焊接生产制造方围比较窄，且成本较高，只在国外厂商和国内的轨道式转变。基于虚拟现实建模的机器人焊接过程仿真客车企业内应用。但伴随着新材料新技术的发展，搅技术，提供了关于工件、夹具和机器人焊枪姿态的三拌摩擦焊的应用场合会越来越多，也会逐步应用到维信息，已大量地应用于焊接过程策划、工艺参数优国内的汽车企业当中。化以及焊接夹具设计等各个环节，仿真技术也运用1.7焊接周边技术于焊缝质量的评估及焊后的应力与变形预测。在新主要是排烟除尘技术的应用。在高度重视环保的车型设计阶段，还可以对多种材料的连接方式及疲今天，生产的同时对环境的保护以及对工人的保护劳性能、冲击性能等进行综合考虑，通过对接头的仿是必不可少的。厂房通风和排烟除尘也已发展了很真，作出适用性评价。以计算机和信息技术为平台的多年，从最简单的单个工位的除烟尘设备，到厂房的焊接生产过程信息系统，对汽车焊接生产过程的品集中烟尘处理设备，以及目前最新的厂房整体治理质分析与优化、企业的管理与决策，有着非常重要的模式，成本优势和实用性都有较大的提升。在国内，意义。也有很多厂家通过自主研发、与国外公司进行技术合作的方式，提高自己的产品研发能力，在通风和排3结束语烟除尘方面，也已经与国外接轨，在理念上和产品上也提出了新的模式。与国外的先进技术和设备相比，国内的汽车企2汽车焊接技术与装备的发展趋势业在焊接技术上，还是需要有很长的路要走。“十二五”期间乃至今后更长的时间内，要根据企业实际情况，主动去尝试使用新的焊接技术，比如中频技术、2.1焊接机器人自动化柔性生产系统逆变和数字化新型焊机、自动化焊接工作站等，为企自动化柔性生产系统，是汽车焊接的发展趋势，业的可持续发展和焊接技术发展，积累经验和人力工业机器人因其自动化和灵活性，在轿车生产中得资源。要主动与高校、科研院所联合研发一些新的焊到大规模使用，多品种、小批量、柔性化的汽车制造接方法、焊接设备，或者在现有焊接方法上改进，或特点，很大程度上促进了焊接机器人的发展。在焊接者吸收消化国外的先进焊接方法，积累焊接技术资设备方面，主要使用的是六自由度点焊机器人和弧源。要把握自动化焊接技术和人工焊接之间的平衡焊机器人。机器人具有焊钳储存库，可根据焊装部位点，不要盲目追求自动化，也不