車身頂蓋激光釬焊工作站規(guī)劃及工藝實(shí)現(xiàn)

張鎖軍

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

車身頂蓋激光釬焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和全尺寸價(jià)值鏈的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被各大汽車廠廣泛應(yīng)用，東風(fēng)柳州汽車有限公司開展了激光釬焊技術(shù)原理和工藝設(shè)計(jì)的研究，結(jié)合景逸SX5項(xiàng)目開發(fā)首次在廣西區(qū)內(nèi)引入車身頂蓋激光釬焊工藝，本文結(jié)合景逸SX5項(xiàng)目頂蓋激光釬焊工業(yè)化實(shí)例，向讀者介紹車身頂蓋激光釬焊工作站規(guī)劃及工藝實(shí)現(xiàn)。

1 激光釬焊工藝介紹

激光釬焊原理如圖1所示：熱源為激光光束，通過釬焊頭聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，當(dāng)工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點(diǎn)溫度后，釬料熔化（工件未熔化），并借助毛細(xì)作用被吸入和充滿固態(tài)工件間隙之間，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴(kuò)散溶解，冷凝后即形成釬焊接頭[1]；釬焊過程中母材本身不會(huì)被激光嚴(yán)重熔蝕損傷，因此焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡(jiǎn)單處理甚至無需處理。

圖1 激光釬焊原理

激光釬焊與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1）負(fù)離焦加熱，熔化帶寬，無飛濺，填充劑熔化后自然浸潤(rùn)，焊縫外觀質(zhì)量良好，可用于外觀件拼焊；2）局部加熱，且可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，零件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)小，在不熔化母材的情況下施焊，保證質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡(jiǎn)單處理甚至無需處理；3）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能有效地控制光束強(qiáng)度和精細(xì)定位；4）通過外光路系統(tǒng)可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機(jī)器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)；5）可釬焊幾何形狀復(fù)雜或特殊結(jié)構(gòu)的工件。

2 激光釬焊工作站引入的必要性

車身頂蓋激光釬焊在合資系汽車廠已經(jīng)廣泛應(yīng)用，頂蓋激光釬焊成為汽車的一種常態(tài)配置，為提升公司產(chǎn)品品牌競(jìng)爭(zhēng)力，將激光車身頂蓋激光釬焊應(yīng)用到公司產(chǎn)品中，同時(shí)車頂使用激光釬焊因省去頂蓋飾條、焊裝和涂裝密封膠，節(jié)省制造工時(shí)，單車成本降低約40～60元，質(zhì)量減輕約0.5 kg，從而降低了油耗。同時(shí)釬焊是連續(xù)的金屬連接，其焊縫寬度≥1.5mm，提高了車身連接強(qiáng)度[2]。

3 激光釬焊工作站規(guī)劃及建設(shè)

3.1 激光釬焊工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備組成

3.1.1工作站設(shè)計(jì)思路

激光釬焊原理圖1展示激光束和焊絲是激光工作站的核心，激光束是由激光焊接頭、激光器+機(jī)器人等部件組成。

焊接頭考慮到維護(hù)和操作性選用SCANSONIC ALO3系列，機(jī)器人沿用公司現(xiàn)有品牌，激光器選用功率4 000W，激光源和光纖出口的功率可以檢測(cè)，激光源必須有兩路以上的光閘輸出（一用一備），激光器配有冷卻系統(tǒng)。

焊絲穩(wěn)定性是釬焊質(zhì)量關(guān)鍵因素，焊絲的送絲速度和響應(yīng)速度都是通過送絲機(jī)控制，激光工作站需要配置送絲機(jī)，考慮到焊絲使用量和更換時(shí)間，焊絲采用桶裝絲（容量≥110 kg）。

激光束的職業(yè)接觸限值，屬于危險(xiǎn)光源；激光釬焊過程中會(huì)有害氣體，為滿足生產(chǎn)環(huán)境要求，結(jié)合以上要求激光工作站需要做激光工作間（包含除塵系統(tǒng)），激光工作間的頂部、底部排煙口，設(shè)計(jì)成斜頂，能夠防止臭氧等有害氣體在操作間內(nèi)的邊角滯留。

激光工作站的設(shè)備種類及控制邏輯多，需設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制集成電柜，該項(xiàng)目采用了較為成熟激光工作站工藝柜，負(fù)責(zé)各工裝和設(shè)備間的銜接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀況和參數(shù)調(diào)用。

結(jié)合上訴關(guān)鍵設(shè)備需要，頂蓋激光釬焊的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2[3]。

圖2 激光釬焊工藝系統(tǒng)示意圖

3.1.2激光釬焊系統(tǒng)中核心設(shè)備功能介紹如下：

1）激光發(fā)生器：光纖激光焊接器，雙光路輸出，帶QD接口；

2）光纖：負(fù)責(zé)傳輸激光器發(fā)出的激光束到激光焊接頭（1用1用），直徑為600μm；

3）焊接頭：傳輸激光經(jīng)過光頭校準(zhǔn)處理后，可以變成具備一定加工性能的能量光束，焊縫力學(xué)跟蹤系統(tǒng)、碰撞檢測(cè)開關(guān)及透鏡堵塞測(cè)定等功能；

4）送絲系統(tǒng)：用于實(shí)施熱絲激光釬焊的機(jī)器人送絲機(jī)構(gòu)，采用桶裝絲并有焊絲殘留計(jì)算功能；

5）焊接功能測(cè)試臺(tái)：TCP效準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，含有功率測(cè)量器和試板焊接簡(jiǎn)易工裝

6）機(jī)器人系統(tǒng)：負(fù)責(zé)抓手和焊接頭軌跡行走，調(diào)用焊接參數(shù)，給出適當(dāng)?shù)碾姎庑盘?hào)；

7）激光防護(hù)房：滿足《GBZ-2.2-2007工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值物理因素》的相關(guān)要求；保護(hù)房?jī)?nèi)留有吊裝軌道，用于后期工裝更換、機(jī)器人裝卸和設(shè)備維修；

8）工藝控制柜：負(fù)責(zé)各工裝和設(shè)備間的銜接，將監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀況和參數(shù)調(diào)用，通過工藝柜實(shí)現(xiàn)激光熔化銅絲填充到側(cè)圍與頂蓋的縫隙中的工藝；

9）工裝夾具：確保零件裝配尺寸，保證焊縫位置的重復(fù)精度；

10）抽風(fēng)系統(tǒng)：焊接時(shí)高溫氣化會(huì)產(chǎn)生煙霧、有害氣體，需要安裝抽風(fēng)系統(tǒng)，保證操作間內(nèi)每小時(shí)20到25次的排放量，系統(tǒng)采用濾筒式過濾器，帶自動(dòng)反吹洗功能。

3.2 車身頂蓋釬焊規(guī)劃思路

3.2.1激光釬焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)連接方式

車身頂蓋與側(cè)圍之間為滿足激光釬焊工藝要求，頂蓋與側(cè)圍連接某一剖面處形成點(diǎn)接觸，整個(gè)接觸區(qū)域形成線接觸；但由于沖壓件制造公差、壓緊工裝和頂蓋自重等，車頂易下沉；為克服頂蓋下沉與側(cè)圍焊接面之間間隙要求，接觸面左右設(shè)計(jì)成倒梯形（圖3），吸收頂蓋下沉的容差，該結(jié)構(gòu)連接方式能夠有效滿足釬焊的焊縫要求，同時(shí)也可獲得良好的外觀質(zhì)量。

A-側(cè)圍與水平方向的夾角，保證車頂與側(cè)圍之間足夠接觸；

B-車頂和側(cè)圍5°夾角，確保車頂與側(cè)圍有一個(gè)正切直線接觸；

C-圓角半徑（頂蓋圓角要求詳見圖4），為提高整體的外觀表現(xiàn)，減少焊絲的填充、降低成本；F-焊接平面要求（詳見圖4），需要確保該特征為一連續(xù)的平面。

圖4 側(cè)圍與頂蓋搭接面G D&T要求

3.2.2車身精度要求

頂蓋激光釬焊對(duì)車身的穩(wěn)定性要求高，車身精度通過地板線、側(cè)圍線及主拼線各成形工位（合拼工位）將下車體、左、右側(cè)圍總成、頂蓋前、后橫梁總成焊接為車身總成，保證車身精度精度為：X±1 mm，Y±0.7 mm，Z±1.5 mm 的要求。

3.2.3頂蓋與車身精度實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)頂蓋與車身精度開發(fā)需求，該工位采用了白車身頂蓋裝焊柔性抓手及白車身頂蓋輸送系統(tǒng)的專利技術(shù)（華工法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司2017.07.04申請(qǐng)），浮動(dòng)工裝裝通過車身頂蓋橫梁X向定位，Y向通過頂蓋與側(cè)圍兩側(cè)V型接觸，加上Z向機(jī)器人給浮動(dòng)工裝Z向下壓力實(shí)現(xiàn)頂蓋Y和Z向自動(dòng)找正功能，實(shí)現(xiàn)頂蓋與車身精度要求。如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及頂蓋浮動(dòng)工裝自動(dòng)找正簡(jiǎn)圖

該工位兼顧在線三車型生產(chǎn)及頂蓋自動(dòng)抓取等要求，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍規(guī)劃采用設(shè)備工裝由1臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人、2臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人、對(duì)中臺(tái)、浮動(dòng)工裝及存放架和2臺(tái)料車組成。此工裝安裝在搬運(yùn)機(jī)器人上，通過換槍盤實(shí)現(xiàn)三車型的柔性共線生產(chǎn)。具體的步序如下：頂蓋存放在精定位料車上，料車推至上料位置→搬運(yùn)機(jī)器人從料車抓取頂蓋到對(duì)中臺(tái)→對(duì)中臺(tái)將頂蓋對(duì)中→搬運(yùn)機(jī)器人抓取頂蓋至車身上→浮動(dòng)工裝定位銷插入頂蓋橫梁定位孔→浮動(dòng)工裝Z向下壓→頂蓋自動(dòng)找正實(shí)現(xiàn)定位→兩臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)定頂蓋。工藝布置圖詳見圖6。

圖6 頂蓋點(diǎn)定工位數(shù)模圖/現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工裝安裝圖

3.2.4激光釬焊工位

在頂蓋定點(diǎn)工位實(shí)現(xiàn)頂蓋與車身精度要求并點(diǎn)定后，頂蓋圓角與側(cè)圍焊接平面搭接的間隙要求主要由B/C柱抱具與頂蓋下壓抓手工裝保障。B/C住抱具主要保證車體Y向尺寸，實(shí)際生產(chǎn)測(cè)得抱具基準(zhǔn)面與B/C柱間隙在0.1 mm以內(nèi)，滿足車體精度要求；頂蓋下壓抓手工裝左右各分布20個(gè)帶剛性彈簧的壓塊，壓塊在剛性彈簧的作用下，給頂蓋施加一定的下壓力，保證頂蓋與側(cè)圍整個(gè)接觸區(qū)域形成線接觸，將頂蓋與側(cè)圍焊接平面的貼合間隙控制在釬焊要求：貼合間隙≤0.3mm。頂蓋下壓抓手工裝及抱具設(shè)計(jì)如圖7。

圖7 激光釬焊工裝示意圖

該工位激光是波長(zhǎng)為1 070 nm的光，對(duì)人體眼睛以及皮膚具有強(qiáng)烈的輻射作用，因此在激光釬焊應(yīng)用中應(yīng)設(shè)計(jì)獨(dú)立密封的激光房。激光釬焊工位主要設(shè)備工裝由1臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人、2臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人、2臺(tái)激光焊接頭、精定位龍門架、精定位抱具（B、C柱）、抓手工裝及存放架組成。具體的步序如下：車身下落到位→B、C柱抱具夾緊→搬運(yùn)機(jī)器人抓取頂蓋下壓抓手→抓手放置龍門架上并加緊→兩臺(tái)激光釬焊機(jī)器人焊接→釬焊完成并返回至home點(diǎn)→搬運(yùn)機(jī)器人抓取頂蓋下壓抓手返回至home點(diǎn)→B、C柱抱具松開→車身上升輸送至下工位。3D工藝布置圖詳見圖8。

圖8 激光釬焊工位數(shù)模圖/現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工裝安裝圖

3.2.5打磨工位

該工位分兩層規(guī)劃，一層為人工打磨激光釬焊起弧、收弧處的焊絲，同時(shí)對(duì)焊絲質(zhì)量進(jìn)行檢查；二層用于存放激光發(fā)生器、激光器冷卻系統(tǒng)和激光房除塵系統(tǒng)布置在該工位鋼平臺(tái)上，這樣布置合理利用了廠房的空間，也有利于多臺(tái)設(shè)備集中管控，以便于設(shè)備人員進(jìn)行維修。3D工藝布置圖詳見圖9。

圖9 打磨工位數(shù)模圖/現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工裝安裝圖

3.3 車身頂蓋激光釬焊全工藝流程

經(jīng)過對(duì)頂蓋點(diǎn)定工位、激光釬焊工位和人工打磨三工位詳細(xì)設(shè)計(jì)及規(guī)劃，結(jié)合數(shù)字化仿真和虛擬調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)驗(yàn)證，最終完成車身頂蓋激光釬焊全工藝流程設(shè)計(jì)，設(shè)備、工裝布置及機(jī)器人站位如圖10所示。

圖10 激光工作站數(shù)模圖/現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工裝安裝圖

4 激光釬焊工作站的應(yīng)用效果

結(jié)合東風(fēng)柳汽點(diǎn)焊和激光釬焊工藝投資開展對(duì)比，工裝設(shè)備投資對(duì)比：按照生產(chǎn)節(jié)拍35JPH，頂蓋與側(cè)圍連接采用點(diǎn)焊和激光釬焊的投資金額分別為862.4萬(wàn)元和1547.06萬(wàn)元，激光釬焊相對(duì)點(diǎn)焊工藝投資高出684.66萬(wàn)元。

生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)對(duì)比（結(jié)果對(duì)比如表1，細(xì)項(xiàng)不展開對(duì)比）：焊裝在能耗、備件、輔料和人工等方面均增加成本，但涂裝與總裝專業(yè)減少2條頂蓋裝飾條和涂膠、裝配等作業(yè)，后工序整體降成本30元/臺(tái)。從全價(jià)值鏈評(píng)估白車身釬焊相對(duì)點(diǎn)焊降成本為30元/臺(tái)。

表1 各專業(yè)運(yùn)營(yíng)對(duì)比數(shù)據(jù)

東風(fēng)柳汽的頂蓋激光釬焊工作站項(xiàng)目從全價(jià)值鏈評(píng)價(jià)，車身頂蓋激光釬焊工作站在生產(chǎn)23萬(wàn)輛車身后，即項(xiàng)目投入使用18月后實(shí)現(xiàn)投資的平衡點(diǎn)。2018年1月后所生產(chǎn)的頂蓋激光釬焊的車身實(shí)現(xiàn)30元/臺(tái)的降成本，因此，在產(chǎn)量飽和狀態(tài)下車身頂蓋激光釬焊是較為經(jīng)濟(jì)的，能夠?qū)崿F(xiàn)降成本連接工藝。

5 結(jié)論

激光釬焊技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)焊接工藝提高了生產(chǎn)效率和增加強(qiáng)度的同時(shí)，減少整車頂蓋飾條及后工序工時(shí)，實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈的降成本。隨著激光焊接技術(shù)在國(guó)內(nèi)外汽車廠家積極廣泛地推動(dòng)，技術(shù)會(huì)在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)車身連接工藝提供新的解決方案。