焊接裝備在上汽大眾白車身生產(chǎn)線上的應(yīng)用

楊樹強(qiáng)，王爵豐，張若冰

（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

焊接裝備在上汽大眾白車身生產(chǎn)線上的應(yīng)用

楊樹強(qiáng)，王爵豐，張若冰

（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

介紹上汽大眾汽車有限公司（以下簡稱上汽大眾）白車身生產(chǎn)線上相關(guān)焊接裝備的應(yīng)用情況，以普通點(diǎn)焊、單面點(diǎn)焊、激光焊和激光釬焊為例，從其在上汽大眾車身生產(chǎn)線上應(yīng)用的歷史演變情況，結(jié)合節(jié)能減排和其他一些要求，從柔性高、節(jié)拍快、自動化率高、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、生產(chǎn)安全性高、設(shè)備開動率高、裝備輕量化、改造時(shí)間短等角度，進(jìn)一步分析了上汽大眾白車身生產(chǎn)線目前所面臨的主要挑戰(zhàn)、應(yīng)對思路及其發(fā)展趨勢，如何建設(shè)高速、高柔性、高標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能、安全并兼具一定經(jīng)濟(jì)性的白車身生產(chǎn)線將是未來一定時(shí)間內(nèi)的主要課題。

白車身；點(diǎn)焊；激光焊接；標(biāo)準(zhǔn)化；節(jié)能

0 前言

在過去近30年的時(shí)間里，國內(nèi)汽車市場不斷發(fā)展壯大，與此同時(shí)，上汽大眾也從一個(gè)車身車間，一條只生產(chǎn)老桑塔納的白車身生產(chǎn)線，發(fā)展到現(xiàn)在全國各地超過8個(gè)車身車間，生產(chǎn)線涵蓋從A0級到B級別多達(dá)10種以上的車型。相應(yīng)地，白車身生產(chǎn)線的焊接裝備也在不斷發(fā)展。其中，有不少裝備上汽大眾在國內(nèi)都是比較早，甚至是首先應(yīng)用的，比如激光焊、一體式點(diǎn)焊裝備等等。

在此將介紹上汽大眾白車身生產(chǎn)線上的主要焊接設(shè)備，當(dāng)前白車身生產(chǎn)線所面臨的主要挑戰(zhàn)及其應(yīng)對構(gòu)想和發(fā)展趨勢。

1 上汽大眾白車身的主要連接工藝類型

上汽大眾的白車身生產(chǎn)線在用主要工藝如圖1所示，可分為焊接、涂膠、滾折邊和鉚接四大類工藝，焊接是其中最主要的連接工藝類型。

圖1 上汽大眾白車身生產(chǎn)線上的連接工藝類型

1.1 普通點(diǎn)焊

目前國內(nèi)外主流整車廠的汽車車身焊接仍然以電阻點(diǎn)焊為主[1]。

上汽大眾使用的點(diǎn)焊裝備最早是從工頻分體式焊鉗和相應(yīng)工頻焊接控制器開始，在2004年途安項(xiàng)目之前，上汽大眾的車身車間幾乎是清一色的分體式點(diǎn)焊裝備，包括帕薩特B5的白車身生產(chǎn)線。這種焊接裝備成本較低，焊鉗輕巧靈便，適合于初期投資較小的項(xiàng)目；主要缺點(diǎn)是能耗高，焊鉗與焊接控制器之間的電纜重，并且電纜長度要求不能太長。

從2004年途安項(xiàng)目開始，上汽大眾主要使用一體式工頻焊接設(shè)備取代分體式焊接設(shè)備。一體式焊接設(shè)備雖然初期投資高于分體式，但適用性較廣且節(jié)能。

近年來白車身上應(yīng)用的高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板越來越多，中頻技術(shù)越來越成熟，裝備的價(jià)格也逐漸下降，上汽大眾已在后續(xù)全新白車身項(xiàng)目中全面采用中頻點(diǎn)焊設(shè)備取代工頻點(diǎn)焊設(shè)備。在自動焊接部分，為了進(jìn)一步保證焊接質(zhì)量，將全部采用自適應(yīng)焊接，在手動焊接部分，也將陸續(xù)采用自適應(yīng)焊接。

在節(jié)能方面，根據(jù)測算，工頻手工點(diǎn)焊一體式比分體式節(jié)電超過70％，節(jié)水超過67％；一體式中頻點(diǎn)焊比工頻點(diǎn)焊節(jié)電約10％。

1.2 單面點(diǎn)焊

單面點(diǎn)焊工藝是近年德國大眾聯(lián)合德國FFT EDAG Produktionssystem GmbH公司新推出的一種工藝，應(yīng)用在門蓋包邊之后，取代此前應(yīng)用的感應(yīng)加熱凝膠，如圖2～圖4所示，包括氣伺服機(jī)器人焊鉗、電極帽修磨與更換組合體和中頻自適應(yīng)焊接控制器。

圖2 單面點(diǎn)焊的焊接位置

實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)、電極帽修磨、電極帽更換一體圖3 單面點(diǎn)焊設(shè)備組合站

圖4 自動氣伺服焊鉗

與感應(yīng)加熱凝膠工藝相比，該工藝有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）單面焊設(shè)備屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，易于操作，且焊接性能可靠。

（2）單面焊設(shè)備柔性高，可應(yīng)用的零件范圍廣。

（3）適應(yīng)高節(jié)拍，可以滿足60 JPH（jobs per hour）的要求。

（4）單面焊對零件表面質(zhì)量影響小。

（5）減少了凝膠感應(yīng)加熱時(shí)的氣體揮發(fā)。

1.3 激光焊

激光焊具有熱輸入量低、熱影響區(qū)小、焊接變形小、位置精確、重復(fù)性高、焊接速度高的特點(diǎn)[2]。

上汽大眾應(yīng)用激光焊接的歷史可以追溯到1999年，首款應(yīng)用激光焊的車型是帕薩特B5，焊接區(qū)域在車頂與側(cè)圍連接處以及后蓋（行李箱蓋）上。

目前上汽大眾應(yīng)用的激光焊接主要有激光焊和激光釬焊，前者是指只有母材熔化，不加入釬料而把零件連接在一起的焊接；后者主要是指母材基本不熔化，加入的釬料熔化、冷卻后最終實(shí)現(xiàn)零件連接在一起的焊接。

上汽大眾目前激光焊的接頭形式主要有：①搭接斜角焊縫，如過去帕薩特B5、領(lǐng)馭和昊銳的車頂與側(cè)圍連接處；②I形焊縫，如途安、途觀、過去02/ 03款Polo的側(cè)圍、側(cè)圍與底板連接區(qū)域等。

由于這種類型的焊接對零件匹配以及相應(yīng)的尺寸保證體系要求較高，批量生產(chǎn)中的質(zhì)量控制復(fù)雜。

上汽大眾目前激光釬焊的接頭形式主要是卷邊角焊縫，如Polo、途安、途觀、朗逸、新帕薩特等車型的車頂與側(cè)圍連接區(qū)域，部分車型的后蓋區(qū)域和側(cè)圍落水槽區(qū)域。

由于這種類型的焊接對零件匹配要求相對較低，焊后質(zhì)量穩(wěn)定，外形美觀，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，目前已經(jīng)成為大眾集團(tuán)某些特定零件連接的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

圖5為激光釬焊焊縫在試片上的外觀形貌，亮白色的部分為焊縫，淺灰色的為母材；圖6為激光釬焊卷邊角焊縫的斷面宏觀金相。

圖5 激光釬焊焊后的外觀形貌

圖6 激光釬焊卷邊角焊縫的斷面宏觀金相

激光焊接的工藝裝備主要由激光鏡組、光纜、激光房和激光源等構(gòu)成。十幾年前，上汽大眾在帕薩特B5項(xiàng)目使用的激光源是Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石晶體）激光源，而目前應(yīng)用最多的是二極管激光源。如不考慮通貨膨脹，兩者相比，二極管激光源設(shè)備單價(jià)下降了50％以上，能耗降低了80％以上。激光房是對人員保護(hù)的重要屏障，由于是一個(gè)相對獨(dú)立的密閉空間，也需要考慮消防問題，上汽大眾將在今后的項(xiàng)目中陸續(xù)采取一些措施。

上汽大眾不久前進(jìn)行了兩項(xiàng)有關(guān)激光焊接的工藝測試，一項(xiàng)是激光點(diǎn)焊，一項(xiàng)是小點(diǎn)焊。前者是由美國IPG Photonics公司提供激光點(diǎn)焊鉗，外形類似于普通的機(jī)器人焊鉗，從激光束的方向看過去，焊接后在零件上形成蛇形焊縫，不是一條直直的焊縫。這與以前研究的采用激光束完成一個(gè)類似圓柱體的所謂激光點(diǎn)焊[3]很不相同。據(jù)悉，目前德國其他一些主要焊鉗供應(yīng)商也在測試類似裝備。小點(diǎn)焊是指采用比常用電極帽外徑小一點(diǎn)的電極帽進(jìn)行點(diǎn)焊，同時(shí)對其外形和內(nèi)部形狀進(jìn)行一定優(yōu)化，在焊接質(zhì)量要求不降低的條件下，解決較小法蘭邊門蓋零件的點(diǎn)焊困難的問題。

除此之外，在上汽大眾的車身項(xiàng)目中，激光應(yīng)用領(lǐng)域?qū)砜赡苓€會有進(jìn)一步的發(fā)展：

（1）激光切割。

對于個(gè)別難以通過傳統(tǒng)手段完成的沖孔，可能采用激光切割比較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是速度較慢。

（2）激光打凸臺。

有些零件的間隙要求高，需要保證在一定范圍內(nèi)預(yù)先打一下凸臺，通過控制凸臺高度間接控制零件間隙。這種凸臺可以考慮采用激光加工實(shí)現(xiàn)。

（3）3D激光焊接。

目前激光焊接時(shí)，從激光鏡組出來的光束打在零件上形成光斑，它隨著激光鏡組的整體移動而移動，激光鏡組不動，光斑也不移動，這在某種程度上限制了激光焊接質(zhì)量的優(yōu)化手段，將來可能需要光斑在激光鏡組和機(jī)器人姿態(tài)沒有變化時(shí)實(shí)現(xiàn)一定程度的移動，這種移動要具備機(jī)器人第七軸的功能。

（4）鋁材和復(fù)合材料的激光焊接。

未來鋁材將會在車身上應(yīng)用得越來越多，激光焊工藝也可在鋁材方面大顯身手。約20年前國外就在研究這方面的內(nèi)容[4]，而到現(xiàn)在還沒看到國內(nèi)有這方面的實(shí)際應(yīng)用。對于復(fù)合材料的激光焊接，國內(nèi)在十幾年前已經(jīng)有研究[5]，雖然目前還不可能在中低端車型的車身骨架上使用復(fù)合材料。

2 上汽大眾白車身生產(chǎn)線面臨的主要挑戰(zhàn)及應(yīng)對設(shè)想

隨著最近幾年國內(nèi)乘用車市場的蓬勃發(fā)展，各主機(jī)廠也在積極應(yīng)對，無論是產(chǎn)能的提升，還是車型的更新速度等，都有更高的要求。白車身生產(chǎn)線作為乘用車生產(chǎn)的核心內(nèi)容，幾乎任何較小的改款、改型都會導(dǎo)致白車身生產(chǎn)線的變化，因此面臨的挑戰(zhàn)也很大。

2.1 上汽大眾白車身生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)

2.1.1 柔性高

本研究的柔性主要是指柔性制造中的過程柔性和生產(chǎn)柔性[6]。未來汽車生產(chǎn)的大規(guī)模定制模式[7]，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈管理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

目前在上汽大眾的任意一個(gè)車身車間，都沒有從前那樣只生產(chǎn)單一車型的情況了，都是幾種不同的車型混線生產(chǎn)。

2.1.2 產(chǎn)能高

由于市場的需求量大、銷量高，對生產(chǎn)多個(gè)車型的同一個(gè)車間來說，總的產(chǎn)能也要高，從很早以前不到10 JPH，到現(xiàn)在普遍要求60 JPH，將來的要求可能還會更高。

2.1.3 自動化率高

目前50％以上的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在汽車領(lǐng)域[8]。近年勞動力成本逐漸提高，而機(jī)器人等自動化設(shè)備的價(jià)格在下降，將促成未來機(jī)器人的應(yīng)用比例逐步擴(kuò)大，生產(chǎn)線的自動化率逐步提高，因而生產(chǎn)線的復(fù)雜程度提高，項(xiàng)目調(diào)試和維護(hù)的工作量增加，實(shí)施的技術(shù)難度大大增加。

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)化程度高

上汽大眾的生產(chǎn)線多，地域分布廣，裝備復(fù)雜，必然要求標(biāo)準(zhǔn)化程度高，對標(biāo)準(zhǔn)的建立、維護(hù)提出了更新、更高的要求。

2.1.5 單車生產(chǎn)能耗降低

為適應(yīng)節(jié)能環(huán)保的需要，要求單車生產(chǎn)能耗將逐步降低，一些低成本、高能耗的生產(chǎn)裝備將無法滿足這樣的要求，需要淘汰。

2.1.6 項(xiàng)目周期縮短

車型更新?lián)Q代快、產(chǎn)能高、混線生產(chǎn)，為減少項(xiàng)目改造帶來的停產(chǎn)損失，要求生產(chǎn)線新建和改造的項(xiàng)目周期逐步縮短，這對從方案規(guī)劃到現(xiàn)場調(diào)試直至交付的整個(gè)項(xiàng)目過程提出了更高要求。

2.1.7 生產(chǎn)安全要求高

高效生產(chǎn)要保證安全，而裝備和生產(chǎn)布局的復(fù)雜化、生產(chǎn)節(jié)拍的提高也對生產(chǎn)安全帶來了更大的挑戰(zhàn)。

2.2 應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的設(shè)想

2.2.1 減少輔助時(shí)間

以總拼和底板主線工位間的輸送為例，低產(chǎn)能生產(chǎn)線的單個(gè)節(jié)拍內(nèi)的輸送時(shí)間（含升降）可能要接近20 s，而高產(chǎn)能生產(chǎn)線縮短為12 s，將來還要進(jìn)一步減少。在激光釬焊焊縫自動工位的安全門上開設(shè)小窗口用于更換打磨片，避免工人進(jìn)出工位，節(jié)省了時(shí)間。

2.2.2 提高設(shè)備開動率

采用新技術(shù)提高設(shè)備開動率，比如新型修磨技術(shù)提高更換電極帽的時(shí)間間隔；采用7軸機(jī)器人氣伺服焊鉗；采用高速機(jī)器人等。

2.2.3 裝備輕量化

目前業(yè)界討論比較熱的輕量化概念主要集中在車身用料方面，而車身工藝裝備的輕量化也很重要，如輕量化的焊鉗、輕量化的換槍盤、輕量化的機(jī)器人、輕量化的抓手等。

2.2.4 設(shè)備安裝前的預(yù)集成

與國內(nèi)一些主機(jī)廠不同，上汽大眾主要的設(shè)備安裝工作歷來是在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行的。隨著項(xiàng)目改造停產(chǎn)時(shí)間的逐漸壓縮，在現(xiàn)場的安裝時(shí)間越來越少，為了保證項(xiàng)目如期進(jìn)行，部分工作需要進(jìn)行預(yù)集成，如安裝過程的預(yù)演練、預(yù)安裝調(diào)試、計(jì)算機(jī)離線模擬安裝，將變得越來越重要。

2.2.5 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化主要分為工藝裝備的標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)線布置方案的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)在不同廠區(qū)的技術(shù)裝備和生產(chǎn)線布置符合統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，伴隨著標(biāo)準(zhǔn)的升級，技術(shù)裝備和生產(chǎn)線相應(yīng)升級。

（1）工藝裝備標(biāo)準(zhǔn)化。

集中控制白車身生產(chǎn)線及其元器件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)版本，從而實(shí)現(xiàn)上汽大眾在全國各地工廠的白車身生產(chǎn)線的技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用類型品牌的統(tǒng)一管理，保證了各地的白車身生產(chǎn)線共享同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

（2）生產(chǎn)線布置標(biāo)準(zhǔn)化。

對白車身生產(chǎn)線的布置方案都由專門的人員集中制定，制定方案時(shí)遵循的設(shè)計(jì)理念統(tǒng)一，采用的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并進(jìn)行橫向和縱向的對標(biāo)，經(jīng)過多角度論證后確定最終方案。

2.2.6 采用節(jié)能技術(shù)

（1）新的焊接技術(shù)應(yīng)用。

為了降低能耗，提高焊接質(zhì)量，淘汰工頻點(diǎn)焊，全面采用中頻點(diǎn)焊技術(shù)。

（2）采用新型照明。

在車間內(nèi)大量采用LED工位照明，淘汰傳統(tǒng)照明，節(jié)省電能。

（3）采用節(jié)能電機(jī)。

（4）采用節(jié)能機(jī)器人。

（5）逐步減少需要高壓氣（1.2 MPa）的裝備應(yīng)用。

考慮采用電伺服機(jī)器人焊鉗取代氣伺服機(jī)器人焊鉗的可能性。目前已經(jīng)完成初步試驗(yàn)，預(yù)期良好。

3 結(jié)論

從上汽大眾幾十年在白車身制造方面的發(fā)展過程來看，白車身生產(chǎn)線的生產(chǎn)柔性越來越高，產(chǎn)能越來越高，自動化率越來越高，設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化程度越來越高，項(xiàng)目改造周期越來越短，單車能耗越來越低，生產(chǎn)安全要求越來越高，是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇。

在某種程度上這也代表了當(dāng)前國內(nèi)汽車制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢，也顯示了將來發(fā)展的方向：建設(shè)高速、高柔性、高標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能、安全的白車身生產(chǎn)線。

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Application of welding equipment in car body production lines in SAIC Volkswagen

YANG Shuqiang，WANG Juefeng，ZHANG Ruobing
（SAIC Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

This paper introduces the application of relevant welding equipment in the BIW production lines in SAIC Volkswagen Automotive Co.，Ltd.(abbr.SVW infra)，such as normal spot welding，series-spot welding，laser welding and laser brazing.When considering that evolution，combined with energy saving，and some other requirements，namely higher flexibility，higher jobs per hour (abbr.JPH)，higher automation rate，higher standardization，higher production safety，higher equipment uptime rate，lightweight equipment，shorter modification time，the major challenges and trends for body production lines in SVW are analyzed further and the corresponding ideas are obtained.How to build the BIW production line with high speed，high flexibility，high standardization，energy saving，safeness and a certain economy will be the main task in this area in the future.

body in white；spot welding；laser welding；standardization；energy saving

TG43

B

1001-2303（2016）08-0058-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.14

2015-06-20；

2016-01-16

楊樹強(qiáng)（1973—），男，山東泰安人，碩士，主要從事車身規(guī)劃、制定車身生產(chǎn)及試驗(yàn)方案、車身焊接質(zhì)量評價(jià)等工作。