自動焊在汽車車身制造中的應(yīng)用探討

汽車車身一般由外覆蓋件、內(nèi)覆蓋件和骨架件組成，覆蓋件的鋼板厚度一般為 0.8～1.2 mm，骨架件的鋼板厚度多為1.2～2.5 mm，也就是說大都為薄板件。車身同時也是汽車上所有內(nèi)外飾零件的安裝本體，因其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，整車尺寸大，搭接接頭多，剛性差，易變形，尤其是一些尺寸大、剛度小的薄
板沖壓件，在焊接過程中產(chǎn)生的大的應(yīng)力和變形，嚴(yán)重影響到車身制造質(zhì)量和穩(wěn)定性，因此也關(guān)系到汽車整車的裝配精度及整車性能。電阻焊是汽車車身焊裝技術(shù)中應(yīng)用最多的，其中車身點焊是電阻焊的主要形式之一，汽車車身焊裝用的點焊設(shè)備占全部電阻焊產(chǎn)品的 90 % 以上。

據(jù)統(tǒng)計，每輛汽車的車身（車身總成及車身部裝件）大約有 4000～5000 個焊點。焊裝生產(chǎn)線主要由輸送部分、工裝夾具部分、設(shè)備及其他輔助設(shè)備等組成，是實現(xiàn)從沖壓零部件到焊接組合件到白車身總成的重要工藝，以往國內(nèi)車身焊接設(shè)備主要以勞動強(qiáng)度較大、生產(chǎn)效率低的懸掛式手工點焊鉗為主，但隨著消費者對汽車質(zhì)量和性能要求的不斷提高，高質(zhì)量、高水平的自動化焊接變成了現(xiàn)代車身焊接技術(shù)的發(fā)展方向。自動焊鉗是一種應(yīng)用于汽車車身焊裝線上的新型點焊設(shè)備，它是由汽缸等機(jī)械裝置驅(qū)動焊鉗實現(xiàn)多個點的焊接，與傳統(tǒng)懸掛式點焊機(jī)相比，它具有使用可靠、故障少、性能穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好的優(yōu)點；與點焊機(jī)器人相比，具有成本低、回報高、結(jié)構(gòu)輕巧、焊接接近性好的特點。因此，自動焊鉗滿足了我國車身焊裝技術(shù)的發(fā)展需求，現(xiàn)在上汽通用五菱汽車股份有限公司焊裝生產(chǎn)線上得到越來越廣泛的應(yīng)用，例如 N5(SPARK)、N200(五菱宏圖)、N300（五菱榮光）和 CN100 等車型均應(yīng)用該技術(shù)。

1、自動焊鉗的結(jié)構(gòu)和種類

自動焊鉗由鉗體、電極臂和氣缸三部分組成。焊鉗鉗體是采用優(yōu)質(zhì)銅材、預(yù)埋紫銅冷卻水管澆鑄而成，鉗體要求強(qiáng)度高，導(dǎo)電性良，冷卻性好，以保證焊鉗在正常使用時的良好冷卻效果；電極臂采用優(yōu)質(zhì)鉻鋯銅（CuCrZr- 1）加工而成，具有導(dǎo)電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點，保證了焊接性能的穩(wěn)定性和提
高了焊鉗的使用壽命；氣缸一般采用鋁合金制成，要求火塞桿的加工精度高，表面進(jìn)行鍍鉻處理，增加了耐磨性，密封性好，保證在焊接的過程中不發(fā)生漏氣現(xiàn)象，從而保證焊接的電極壓力。

自動焊鉗按結(jié)構(gòu)分主要為 C 型焊鉗和 X 型焊鉗，按加工方式分鑄造式和銅管式兩種。

1.1 C 型自動焊鉗

A.電極臂; B.電極；C.握桿夾頭；D.軟電纜接線端；E.反應(yīng)指針；F.汽缸前安裝座；G.雙行程汽缸；H.尾端安裝座；I.彈簧 ；J.軛；K.調(diào)節(jié)彈簧 ；L.安裝端面；M.導(dǎo)向桿；N.調(diào)節(jié)螺桿

圖 1 C 型自動焊鉗結(jié)構(gòu)圖

1.2 X 型自動焊鉗

A.電極；B.電極臂；C.握桿夾頭；D.軟電纜接線端；E.雙行程汽缸；F.連接軸；G.調(diào)節(jié)螺桿；H.握桿夾頭；I.安裝托架

圖 2 X型自動焊鉗結(jié)構(gòu)圖

2、自動焊鉗的選型

自動焊鉗是為焊裝特定零件而設(shè)計、制造的專用焊接設(shè)備，安裝在支座上實現(xiàn)的多把焊鉗同時動作進(jìn)行焊接。自動焊鉗的選型，涉及到生產(chǎn)節(jié)拍的限制、設(shè)備布置空間需要和夾具的有效占用空間及輸送機(jī)構(gòu)等因素，故需要進(jìn)行三維焊鉗與夾具的焊接過程動態(tài)模擬，以提高選型的準(zhǔn)確性，減少在焊接生產(chǎn)線調(diào)試過程中更換焊鉗的現(xiàn)象。

自動焊鉗的選型步驟：

（1）工藝設(shè)計人員對焊點進(jìn)行分析，確定焊點的主要參數(shù)，包括數(shù)量、位置、幅度、重要程度等，涉及到與安全和法規(guī)有關(guān)的焊點除外；

（2）根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和工位布置以及設(shè)備等因素，確定焊點在每個工位的焊接數(shù)量；

（3）對每個工位的焊點數(shù)量進(jìn)行分組，即將 1 把焊鉗在 1個工作節(jié)拍內(nèi)完成的焊點分為 1 個焊點組，方便以后編制焊接生產(chǎn)工藝；

（4）焊點分組完成后即可進(jìn)行焊鉗選型。要確定焊點組的數(shù)量即焊鉗型號的最小數(shù)量，確定那些焊點適合人工點焊，那些焊點不方便采用人工點焊或者不符合人機(jī)工程，需要采用自動焊接完成；根據(jù)工件的形狀及尺寸確定自動焊鉗的形式（X 形,C 形）及喉深、喉寬、汽缸行程、電極形狀；自動焊鉗的安裝形式根據(jù)焊點分布位置和操作位置以及工件輸送機(jī)構(gòu)等確定；根據(jù)選定的焊鉗型譜進(jìn)行焊鉗型號的選擇，對于在型譜中找不到合適焊鉗焊接的焊點，則需要重新設(shè)計焊鉗與之匹配，自動焊鉗型號在夾具總圖設(shè)計完成之前應(yīng)予確定。

3、自動焊在 CN100 下車體焊裝線上的應(yīng)用

注：前底板焊合總成板厚為 0.8mm；右大梁焊合總成板厚為 3.6mm

圖 3 焊點截面示意圖

圖 4 CN100 車型下車體 3# 自動焊拼臺

CN100 車型的下車體生產(chǎn)線分為 9 個焊接工位，在下車體 3# 工位主要實現(xiàn)前底板焊合總成零件的安裝和定位焊接。為提高生產(chǎn)線的自動化水平，以及滿足生產(chǎn)節(jié)拍和節(jié)約成本的要求，故采用空中輸送小車來完成該零件的輸送和安裝，利用自動焊接技術(shù)完成該零件與左右大梁翻邊的定位焊接（左右各 6 點），余下的焊點在下車體 4# 補(bǔ)焊工位完成，這樣在下車體 3# 工位減少了操作工，在保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍的同時，節(jié)約了成本。

3.1 自動焊單元的設(shè)計過程

在下車體自動焊接單元的設(shè)計過程中，借助 UG 三維設(shè)計軟件進(jìn)行工裝的建模，并對自動焊的焊接過程進(jìn)行模擬分析，對可能出現(xiàn)的干涉部分等及時改進(jìn)和優(yōu)化，可提高設(shè)計效率，節(jié)約時間和費用，實現(xiàn)高質(zhì)量、快速度、低成本的設(shè)計。首先，根據(jù)焊點的分布情況確定自動焊鉗的為 X 型，以及焊點離零件邊緣的距離（即 A 和 B）確定焊鉗的喉深和喉寬；其次，根據(jù)零件的厚度以及焊鉗的喉深確定焊鉗氣缸的直徑。由于CN100 焊裝線采用滑橇實現(xiàn)工件的水平輸送，為了避免自動焊單元與車體輸送線干涉，3 個自動焊鉗采用串聯(lián)回路，故采用二級運動機(jī)構(gòu)，焊接時先平移前進(jìn)，再焊接；3 點焊接完成后，先平移退出，再平移滑動，然后平移前進(jìn)，再焊接 3 點；焊接完成后，先平移退出，系統(tǒng)進(jìn)入下一工作循環(huán)，這樣保證輸送線的安全工作空間。

1.變壓器 2.安裝座 3.導(dǎo)電銅板 4.空冷無感電纜 5.自動焊鉗 6.限位座 7.連接銅板 8.直線導(dǎo)軌 9.安裝架 10.汽缸 11.油壓吸振器 12.底座 13.汽缸 14.安裝底板 15.安裝托架 16.自動焊鉗 17.自動焊鉗

圖 5 自動焊單元示意圖

3.2 自動焊單元焊接過程中的動作順序

圖 6 自動焊單元焊接動作順序圖

由控制柜 PLC 給控制箱第一次焊接信號，第一點焊接完成后，控制箱反饋給控制柜 PLC 完成信號，間隔 5s 后，控制柜PLC 在給控制箱第二次焊接信號，依次類推，焊接完第六點后，自動焊鉗回到原位等待，系統(tǒng)進(jìn)入下一個工作（見圖 6）。

3.3 自動焊接系統(tǒng)故障分析

（1）焊接時間分析；

（2）焊接壓力分析；

（3）焊接電流分析；

（4）氣缸 13 前進(jìn)到位分析；

（5）氣缸 10 平移前進(jìn)到位分析；

（6）氣缸 10 平移后退到位分析；

（7）氣缸 13 后退到位分析。

然而對于系統(tǒng)在運行過程出現(xiàn)的各種故障，分別通過相應(yīng)的檢測開關(guān)來反饋給 PLC，再由 PLC 反饋到控制柜的觸摸屏，維修檢驗人員便可方便及時準(zhǔn)確的排除故障，保證生產(chǎn)線的正常運行。

圖 7 自動焊接系統(tǒng)故障分析圖

3.4 自動焊系統(tǒng)控制圖（見圖 8）

圖 8 自動焊系統(tǒng)控制圖

4、機(jī)械機(jī)構(gòu)的安裝

在進(jìn)行自動焊接系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)安裝和調(diào)試過程中，導(dǎo)電銅板的接觸面要進(jìn)行打磨，確保銅板安裝面充分接觸，連接異性電極以及自動焊鉗和安裝座之間的絕緣墊片和絕緣套要確保安裝要可靠，杜絕發(fā)生電流短路。連接好后要對焊鉗的回路系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)檢查，確保同級的電流相通，異極的電流為零；并且避免出現(xiàn)機(jī)械運動過程中的干涉現(xiàn)象，安裝完畢后，先進(jìn)行手動試運行，沒有問題再進(jìn)行氣動運行。

圖 9 自動焊接系統(tǒng)安裝示意圖

5 結(jié)束語

自動焊接系統(tǒng)經(jīng)過在 SGMW 公司 N5(SPARK)、N200(五菱宏圖)、N300（五菱榮光） 和 CN100 等車型焊裝線生產(chǎn)中的運用，結(jié)果表明能較好地解決實際生產(chǎn)遇到的諸如零件焊接困難、生產(chǎn)效率低、工人勞動強(qiáng)度高等問題，并且在焊裝生產(chǎn)線的部分關(guān)鍵工位采用自動焊接代替懸掛式點焊機(jī)的人工作業(yè)，可避免焊接質(zhì)量受人為因素的影響，提高了生產(chǎn)效率，減少了焊接變形，保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，使焊裝線更符合人機(jī)工程的要求，減少操作工人，節(jié)約了成本，實現(xiàn)了低投入和高回報，產(chǎn)生了顯著效益。