自行車車架焊接的自動(dòng)化發(fā)展研究

肖磊 吳宗江 楊麗 高黨尋 耿娜

（1.中國自行車協(xié)會(huì) 北京 100079；2.清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心 北京 100084；3.江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系 江蘇 221116）

1 前言

中國自行車行業(yè)經(jīng)歷了由小到大、由弱變強(qiáng)的跨越，經(jīng)歷了抗擊國際金融危機(jī)，依然保持平穩(wěn)健康發(fā)展的挑戰(zhàn)。行業(yè)經(jīng)歷了調(diào)整振興、轉(zhuǎn)型升級(jí)、轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的變革，整體面貌發(fā)生了巨大變化，創(chuàng)造出了輝煌的業(yè)績(jī)，成就了世界自行車生產(chǎn)大國、出口大國、消費(fèi)大國的地位。面對(duì)不利因素，行業(yè)團(tuán)結(jié)一致，奮力拼搏，取得了疫情防控和行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的雙重勝利。根據(jù)各主產(chǎn)區(qū)行業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)并結(jié)合國家統(tǒng)計(jì)局規(guī)模以上企業(yè)數(shù)據(jù)，2020 年，我國自行車產(chǎn)量為7 527.5 萬輛，同比增長15.8%；2020 年，我國自行車出口6 029.7 萬輛，同比增長14.8%；2020 年，我國自行車出口額為36.48 億美元，同比增長28.1%。

焊接是自行車加工中必不可少的一種工藝方法，在自行車制造中有著廣泛的應(yīng)用。在自行車的零部件制造中，常用的焊接方法有點(diǎn)焊、氣焊、焊條電弧焊、手工氬弧焊、自動(dòng)氬弧焊、手工CO2氣體保護(hù)焊、自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊、激光焊、釬焊等，其中氣體保護(hù)焊工藝經(jīng)常與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合，組合成機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)工作站，具有自動(dòng)化程度高、工件質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)效率較高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各主要自行車生產(chǎn)廠家。

2 自行車焊接新技術(shù)的應(yīng)用

2.1 CO2氣體保護(hù)焊（MAG）

CO2氣體易于生產(chǎn)，成本較低，價(jià)格便宜，是最理想的焊接保護(hù)氣，因此成為各個(gè)自行車生產(chǎn)廠家最常用的焊接保護(hù)氣體。廠家在使用常規(guī)焊接電源時(shí)，采用短路過渡技術(shù)焊縫成形良好，但焊接熔滴過渡方式易產(chǎn)生焊接飛濺，所以一般會(huì)采用優(yōu)質(zhì)焊機(jī)，選取合適的參數(shù)，以使飛濺降低到最小的程度。CO2氣體保護(hù)焊與焊接機(jī)器人相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自行車車架或零部件的自動(dòng)化焊接。青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的毛現(xiàn)艷等人通過采用仿真軟件對(duì)自行車車架后三角自動(dòng)化焊接進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，根據(jù)生產(chǎn)線布局，設(shè)計(jì)自行車車架工件的焊接工藝流程；通過建立生產(chǎn)線布局，設(shè)計(jì)焊接工藝流程，并利用西門子Process Simulate 軟件對(duì)自行車車架后三角按照焊接流程進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真驗(yàn)證，證明對(duì)自行車車架后三角實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的設(shè)計(jì)方案是可行的。這對(duì)于以后實(shí)現(xiàn)自行車車架后三角自動(dòng)化焊接的升級(jí)改造具有借鑒意義[1]。

2.2 熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）

在焊接保護(hù)氣中添加氬氣或氦氣氣體保護(hù)焊接的工藝，被稱為熔化極惰性氣體保護(hù)焊，簡(jiǎn)稱MIG。這種焊接方法是利用氬氣或富氬氣體作為保護(hù)介質(zhì)，采用連續(xù)送進(jìn)可熔化的焊絲與燃燒于焊絲工件間的電弧作為熱源的電弧焊。這種焊接方法的焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，適于焊接鋁、鎂、鈦及其合金等有色金屬車架及零部件，焊接生產(chǎn)率高。采用自動(dòng)化焊接時(shí)，焊接過程參數(shù)穩(wěn)定，易于檢測(cè)及控制。與CO2氣體保護(hù)焊相比，MIG 具有以下的優(yōu)點(diǎn)：在氬氣或富氬氣體保護(hù)下的焊接電弧穩(wěn)定，焊縫成形均勻、美觀。電弧氣氛的氧化性很弱，甚至無氧化性，減少了焊后表面處理的工作量，提高了焊接效率。MIG 焊接鋁、鎂等金屬是采用直流反接方式，具有良好的陰極霧化作用，可有效去除金屬表面的氧化膜，提高接頭的焊接質(zhì)量。

在使用MIG 焊接車架時(shí)，操作人員需注意脈沖焊的質(zhì)量，保證上管和下管的焊道能夠焊透。根據(jù)江蘇檢驗(yàn)檢疫自行車檢測(cè)中心袁興啟、王景的研究，當(dāng)車架采用脈沖焊接方式時(shí)，如焊接時(shí)滲透嚴(yán)重不足，焊接熱影響區(qū)有輕微過熱跡象，則焊接件的疲勞測(cè)試壽命嚴(yán)重不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)自行車行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，脈沖焊接制作車架易存在強(qiáng)度不足等缺陷，故不推薦在車架焊接時(shí)使用脈沖焊[2]。

2.3 非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG）

非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊簡(jiǎn)稱TIG，是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。焊接時(shí)，保護(hù)氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成氣體保護(hù)層隔絕空氣，以防止其對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)產(chǎn)生有害影響，從而可獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。保護(hù)氣體可采用氬氣、氦氣或氬氦的混合氣體，操作人員可以采用手工焊及自動(dòng)焊兩種方式，焊接鋁、鎂及其合金時(shí)一般都采用交流電源。鎢極氬弧焊可用于幾乎所有金屬和合金的焊接，但由于其成本較高，在自行車行業(yè)中通常多用于焊接鋁合金車架、鎂合金車架以及鈦合金車架等生產(chǎn)附加值較高的中高端自行車。湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的易傳佩通過基于焊接數(shù)值分析軟件SYSWELD，模擬了鋁合金電動(dòng)自行車車架前管和連接管的鎢極氬弧焊過程，其研究結(jié)果可為鋁合金車架實(shí)際焊接生產(chǎn)中制定殘余應(yīng)力的防治措施提供依據(jù)[3]。

3 自行車焊接新材料的發(fā)展趨勢(shì)

自行車車架的發(fā)展始終朝著高強(qiáng)度輕量化的方向前進(jìn)，新的材料不斷地應(yīng)用在傳統(tǒng)自行車上，鋁合金、鎂合金、鈦合金和碳纖維等材料在不斷地取代傳統(tǒng)的碳鋼車身材料。新材料的應(yīng)用，也對(duì)焊接提出了更高的要求。

3.1 鋁合金焊接

鋁合金車架具有質(zhì)量（重量）輕、塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在自行車行業(yè)應(yīng)用較多。自行車所使用的鋁合金多數(shù) 為6000 系（A-l Mg-Si）和7000 系（A-l Zn-Mg-Cu）兩種。日本生產(chǎn)的部分自行車的車架、車把是用冷拉的5056 鋁合金無縫管制作的[4]。

鋁合金焊接時(shí)，由于材料的熱導(dǎo)性較好，因此其熱輸入量應(yīng)相較鋼材焊接時(shí)的熱輸入量大。由于鋁合金表面有一層致密的氧化膜，如焊接時(shí)未將氧化膜徹底清除，將會(huì)在焊縫中形成焊接缺陷。采用鎢極氬弧焊的方式焊接鋁合金時(shí)，操作人員可采用交流電源，在具有較高的熱效率和鎢極承載能力的同時(shí)，可借助“陰極破碎作用”清除鋁合金表面上的氧化膜，使焊接得以順利進(jìn)行，并獲得光亮美觀的焊縫表面，因此鎢極氬弧焊在鋁合金車架焊接中應(yīng)用較多。

3.2 鎂合金焊接

鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等性能，因此其比大多數(shù)的金屬材料更適合應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)部件上。同時(shí)鎂合金具有優(yōu)異的變形及能量吸收能力，用于與人體直接接觸的部件時(shí)可以加強(qiáng)使用的舒適度，因此鎂合金已作為結(jié)構(gòu)部件廣泛應(yīng)用于自行車輪轂、車把夾、腳踏板、手把、前叉、車架等部件。國內(nèi)外知名自行車生產(chǎn)廠商都開始提供鎂合金部件。我國的自行車生產(chǎn)廠商已將大量鎂合金零部件應(yīng)用于自行車中高檔產(chǎn)品上[5]。

鎂合金焊接性能較差，且添加不同元素的鎂合金的焊接性能有差異，焊接時(shí)需要提供很好的氣體保護(hù)，否則易被空氣中的氧氣、氮?dú)獾妊趸绘V金屬在高溫下易蒸發(fā)（鎂的沸點(diǎn)為1 100 ℃）、熱膨脹系數(shù)大，因此焊接過程中會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力變形和裂紋，需在焊接時(shí)注意控制焊接熱輸入量。鎂合金的焊接一般采用鎢極氬弧焊的方式。

3.3 鈦合金焊接

鈦合金具有質(zhì)量（重量）輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕等特點(diǎn)，近年來越來越多被應(yīng)用于高端自行車上，是自行車高端化的標(biāo)志。

鈦合金的焊接對(duì)于保護(hù)氣體的條件要求特別高，少量的N2或O2即可使鈦合金焊縫接頭變脆，因?yàn)殁伜辖鸬暮附颖仨毑捎眉兌容^高的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。鈦合金可采用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、等離子弧焊和激光焊等方式焊接。

4 自行車焊接發(fā)展趨勢(shì)

2020 年雖受疫情影響，但我國自行車生產(chǎn)量及保有量均保持穩(wěn)定增長。預(yù)計(jì)2021 年自行車市場(chǎng)仍將保持穩(wěn)定增長，總產(chǎn)量略有上升，整體市場(chǎng)將繼續(xù)維持穩(wěn)定。

綜合分析，自行車未來的焊接發(fā)展方向依然為自動(dòng)化和高精度機(jī)器人焊接工作站，弧焊機(jī)器人的應(yīng)用將在自行車制造行業(yè)得到更大規(guī)模的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)焊接模擬軟件和有限元分析的應(yīng)用，將為自行車產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定和行業(yè)新品的研發(fā)，提供更為有力的保障。