激光角焊縫在白車(chē)身自動(dòng)化生產(chǎn)上的可行性應(yīng)用

顏劍航

摘要：隨著自動(dòng)化生產(chǎn)要求越來(lái)越高，激光焊在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用是越來(lái)越廣泛。文章介紹了激光焊接常用的接頭形式以及搭焊中平焊縫（穿透焊）和角焊縫（邊緣焊）的區(qū)別，介紹了兩種焊縫方法的優(yōu)劣勢(shì)；并對(duì)激光角焊縫的可行性進(jìn)行了分析，同時(shí)提出可行性解決的方法及實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光角焊縫；激光邊緣焊；汽車(chē)安全件；實(shí)時(shí)跟蹤；白車(chē)身；自動(dòng)化生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG456 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.069

1 概述

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)要求越來(lái)越高，更加快速地生產(chǎn)零件，更好保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，激光焊接在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因?yàn)榧す夂附硬粌H可以減少材料的使用，從而減輕白車(chē)身的重量，并保證了強(qiáng)度要求，且提高了焊接的生產(chǎn)效率，所以有越來(lái)越多的汽車(chē)廠家將激光焊接工藝應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。在白車(chē)身的激光焊接接頭形式主要有搭接焊和對(duì)接焊兩種。其中搭接焊以焊接位置區(qū)分，一般常用有兩種焊接方式：一為搭焊：平焊縫（穿透焊）；二為搭焊：角焊縫（邊緣焊）。我們來(lái)先了解兩種焊道的差異性，如圖1和圖2，平焊縫是激光光束先作用于頂板并穿透頂板從而作用于底板的焊接方式。角焊縫是激光光束同時(shí)作用于兩板的焊接方式。其中平焊縫的焊接方式在汽車(chē)地板、門(mén)蓋、側(cè)圍、總車(chē)架等零部件的應(yīng)用比較廣泛，相對(duì)而言，角焊縫方式應(yīng)用比較少。

2 激光角焊縫劣勢(shì)

為什么平焊縫在白車(chē)身搭焊會(huì)相對(duì)較廣，而角焊縫較少。行業(yè)內(nèi)，眾所周知，激光焊對(duì)搭焊工件之間的間隙要求是比較高的，在激光焦距選擇合理的情況下，其工件之間的貼合間隙應(yīng)不超過(guò)焦斑的1/3，否則將會(huì)大大地影響焊接的效果。但對(duì)于角焊縫的搭焊來(lái)說(shuō)，它不僅對(duì)板材的貼合間隙有一樣的要求，而且還進(jìn)一步對(duì)板材的切邊也提出了要求。

對(duì)于汽車(chē)白車(chē)身的零部件來(lái)講，通常都是采用沖壓成形的加工工藝，以白車(chē)身的A柱或B柱為例，一般的行業(yè)切邊精度在1.0～1.4mm之間，對(duì)于此類型工件的特性，我們一般選擇是低于0.6mm焦斑的激光頭，在此精度下，意味著角焊縫方法的焊接，如果是采用自動(dòng)化的方式很容易造成實(shí)際焊接的位置與工件所需的焊接位置不一致，從而影響焊接質(zhì)量，如果需要保證角焊縫的焊接質(zhì)量，用新增加生產(chǎn)設(shè)備或采用新的加工方法來(lái)保證板件的加工精度，那顯然是一筆不菲的投資。這就造成了激光角焊縫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)成本高，極大地制約了其廣泛的使用。

3 激光角焊縫優(yōu)勢(shì)

雖然有其上述的制約性，但激光角焊縫也有其優(yōu)勢(shì)：

3.1 材料的節(jié)省

常規(guī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，平焊縫的焊接位置要求焊縫中心到邊緣的距離大于3mm，三層板的平焊縫要求距離大于5mm，采用角焊縫，因?yàn)橥獠亢附拥脑颍瑒t可不需要此值，如圖1、圖2說(shuō)明。以白車(chē)身的B柱零件來(lái)講，一般的材料為高強(qiáng)度鋼或熱成形鋼，材料價(jià)格比較昂貴，通過(guò)角焊縫的方式可以節(jié)省不少的材料成本。

3.2 不同厚度工件組合可焊范圍

激光焊在白車(chē)身通常焊接不高于3mm+3mm薄板件，如果焊接1mm+1mm的板件時(shí)采用兩種焊接工藝都是可行的。但焊接3mm+2mm的組合工件時(shí)，在激光功率合適的情況下，采用兩種焊接工藝都可以將其有效焊接在一起，且能保證強(qiáng)度。但在平焊縫焊接方式下，由于需要保證焊接強(qiáng)度，激光功率會(huì)較大，在此功率下會(huì)對(duì)頂板的表面損壞非常大，需要進(jìn)行后處理，會(huì)造成有多余的工序，按汽車(chē)生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)這是不能接受的。而采用角焊縫就可以保證強(qiáng)度同時(shí)也能兼合表面質(zhì)量，在不同厚度工件組合焊應(yīng)用受限制更少。

3.3 焊接功率與焊接強(qiáng)度

（1）要達(dá)到同樣的剪刀力等強(qiáng)度要求，兩者要求的d值是不同，如圖1和圖2所示，以1.5mm+1.5mm工件說(shuō)明。平焊縫d≥0.8t，角焊縫d≥0.6t，A值越高，需要功率也越高，從節(jié)能角度來(lái)看角焊縫優(yōu)勢(shì)更大；（2）從焊縫本身來(lái)講，由于角焊縫的結(jié)構(gòu)性決于其抗剪性能高于平焊縫，也更加適合汽車(chē)白車(chē)身中A柱和B柱等重點(diǎn)安全件的焊接。

3.4 鍍層工件的焊接

對(duì)于有鍍層的板材來(lái)說(shuō)，例如鍍鋅板，采用平焊縫焊接方式時(shí)是不能讓板材過(guò)于良好的配合，需要在板材與板材之間有一定間隙，通常在0.1～0.2mm之間，激光焊接下會(huì)產(chǎn)生鋅氣體，這種氣體對(duì)于焊接效果是有害的，必須有間隙使鋅氣體有效的排出，但間隙又不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)同樣也影響其焊接效果，因此要采用一定的措施來(lái)解決問(wèn)題。比如，通過(guò)改變板材的沖壓形面或控制夾具壓緊力量或增加襯墊等方法，但不管采用何種方法，都會(huì)給設(shè)計(jì)者帶來(lái)新的設(shè)計(jì)難度或需要增加額外的工裝、設(shè)備等，而外部焊接的角焊縫不需要考慮此間隙。

4 激光角焊縫自動(dòng)化可行性

既然角焊縫有如此多的優(yōu)勢(shì)，那有沒(méi)有辦法在不改變白車(chē)身沖壓加工工藝的情況下，使角焊縫焊接自動(dòng)化生產(chǎn)呢？答案是有的。視覺(jué)拍照系統(tǒng)應(yīng)用隨之而來(lái)，它能對(duì)焊接所需要的焊縫位置進(jìn)行判斷，并通過(guò)相應(yīng)的控制器使機(jī)器人控制激光焊接頭移動(dòng)到相應(yīng)的位置。但此系統(tǒng)也有不足之處，因?yàn)槠洳捎梅绞绞菣C(jī)器人移動(dòng)到焊縫附近先進(jìn)行拍照識(shí)別，再移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行焊接，不斷循環(huán)操作，直到焊接完成。相當(dāng)于機(jī)器人會(huì)多移動(dòng)一倍的距離，幾乎會(huì)增加一倍的生產(chǎn)時(shí)間。以廣汽傳祺某熱賣(mài)車(chē)型來(lái)講，對(duì)下游零部件生產(chǎn)廠家規(guī)劃的節(jié)拍是55s/件，可謂是一秒寸金，增加時(shí)間去采用新工藝生產(chǎn)，這顯然不是最優(yōu)的選擇，所以對(duì)于激光角焊縫，我們需要一種更有效率的方法，使之更為自動(dòng)化，隨著科技的進(jìn)步，視覺(jué)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它不僅有視覺(jué)拍照系統(tǒng)能對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別且能在識(shí)別過(guò)程中實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制外部移動(dòng)裝置對(duì)實(shí)際的焊縫位置進(jìn)行準(zhǔn)確焊接。現(xiàn)在國(guó)際上主要有Precitec、Blackbird等品牌，以PRECITCE為例，主要結(jié)構(gòu)有激光焊接頭、視覺(jué)裝置、移動(dòng)裝置等，如圖3。其檢測(cè)原理如如圖4。通過(guò)此方法有效地解決角焊縫對(duì)工件邊線要求高的問(wèn)題，使之自動(dòng)化生產(chǎn)更加高效率。目前有部分具有相關(guān)研發(fā)能力自動(dòng)化非標(biāo)廠家已經(jīng)進(jìn)行此焊接系統(tǒng)的研發(fā)集成，角焊縫自動(dòng)化焊接具有很高的可行性。如圖5所示：

5 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，汽車(chē)白車(chē)身在輕量化的同時(shí)也要保證強(qiáng)度，激光角焊縫在白車(chē)身安全零部件的使用會(huì)越來(lái)越廣泛，因?yàn)榧す饨呛缚p的使用不僅僅進(jìn)一步節(jié)省了材料的使用，同時(shí)了節(jié)省能源，并能提高白車(chē)身安全件的焊接強(qiáng)度，使汽車(chē)更加安全可靠。相信激光角焊縫的焊接工藝會(huì)促使激光焊接在汽車(chē)白車(chē)身焊接應(yīng)用中更上一層樓。

作者簡(jiǎn)介：顏劍航（1988-），男，廣東海豐人，廣州松興電氣股份有限公司助理工程師，研究方向：機(jī)器人自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：王 波）