車身頂蓋激光釬焊工作站規劃及工藝實現

張鎖軍

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

車身頂蓋激光釬焊的技術優勢和全尺寸價值鏈的優勢已經被各大汽車廠廣泛應用，東風柳州汽車有限公司開展了激光釬焊技術原理和工藝設計的研究，結合景逸SX5項目開發首次在廣西區內引入車身頂蓋激光釬焊工藝，本文結合景逸SX5項目頂蓋激光釬焊工業化實例，向讀者介紹車身頂蓋激光釬焊工作站規劃及工藝實現。

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，當工件與釬料被加熱到稍高于釬料熔點溫度后，釬料熔化（工件未熔化），并借助毛細作用被吸入和充滿固態工件間隙之間，液態釬料與工件金屬相互擴散溶解，冷凝后即形成釬焊接頭[1]；釬焊過程中母材本身不會被激光嚴重熔蝕損傷，因此焊縫成形美觀、質量穩定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。

圖1 激光釬焊原理

激光釬焊與傳統的點焊相比有其獨特的優勢：

1）負離焦加熱，熔化帶寬，無飛濺，填充劑熔化后自然浸潤，焊縫外觀質量良好，可用于外觀件拼焊；2）局部加熱，且可精確調節和控制熱輸入，零件不易產生熱損傷，熱影響區小，在不熔化母材的情況下施焊，保證質量穩定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理；3）容易實現自動化，能有效地控制光束強度和精細定位；4）通過外光路系統可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機器人連接構成柔性加工系統；5）可釬焊幾何形狀復雜或特殊結構的工件。

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廣泛應用，頂蓋激光釬焊成為汽車的一種常態配置，為提升公司產品品牌競爭力，將激光車身頂蓋激光釬焊應用到公司產品中，同時車頂使用激光釬焊因省去頂蓋飾條、焊裝和涂裝密封膠，節省制造工時，單車成本降低約40～60元，質量減輕約0.5 kg，從而降低了油耗。同時釬焊是連續的金屬連接，其焊縫寬度≥1.5mm，提高了車身連接強度[2]。

3 激光釬焊工作站規劃及建設

3.1 激光釬焊工作站系統設計及設備組成

3.1.1工作站設計思路

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+機器人等部件組成。

焊接頭考慮到維護和操作性選用SCANSONIC ALO3系列，機器人沿用公司現有品牌，激光器選用功率4 000W，激光源和光纖出口的功率可以檢測，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。

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

激光束的職業接觸限值，屬于危險光源；激光釬焊過程中會有害氣體，為滿足生產環境要求，結合以上要求激光工作站需要做激光工作間（包含除塵系統），激光工作間的頂部、底部排煙口，設計成斜頂，能夠防止臭氧等有害氣體在操作間內的邊角滯留。

激光工作站的設備種類及控制邏輯多，需設計自動化控制集成電柜，該項目采用了較為成熟激光工作站工藝柜，負責各工裝和設備間的銜接，實現監控各設備的運行狀況和參數調用。

結合上訴關鍵設備需要，頂蓋激光釬焊的工藝系統設計如圖2[3]。

圖2 激光釬焊工藝系統示意圖

3.1.2激光釬焊系統中核心設備功能介紹如下：

1）激光發生器：光纖激光焊接器，雙光路輸出，帶QD接口；

2）光纖：負責傳輸激光器發出的激光束到激光焊接頭（1用1用），直徑為600μm；

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

4）送絲系統：用于實施熱絲激光釬焊的機器人送絲機構，采用桶裝絲并有焊絲殘留計算功能；

5）焊接功能測試臺：TCP效準機構，含有功率測量器和試板焊接簡易工裝

6）機器人系統：負責抓手和焊接頭軌跡行走，調用焊接參數，給出適當的電氣信號；

7）激光防護房：滿足《GBZ-2.2-2007工作場所有害因素職業接觸限值物理因素》的相關要求；保護房內留有吊裝軌道，用于后期工裝更換、機器人裝卸和設備維修；

8）工藝控制柜：負責各工裝和設備間的銜接，將監控各設備的運行狀況和參數調用，通過工藝柜實現激光熔化銅絲填充到側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精度；

10）抽風系統：焊接時高溫氣化會產生煙霧、有害氣體，需要安裝抽風系統，保證操作間內每小時20到25次的排放量，系統采用濾筒式過濾器，帶自動反吹洗功能。

3.2 車身頂蓋釬焊規劃思路

3.2.1激光釬焊產品結構連接方式

車身頂蓋與側圍之間為滿足激光釬焊工藝要求，頂蓋與側圍連接某一剖面處形成點接觸，整個接觸區域形成線接觸；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圍焊接面之間間隙要求，接觸面左右設計成倒梯形（圖3），吸收頂蓋下沉的容差，該結構連接方式能夠有效滿足釬焊的焊縫要求，同時也可獲得良好的外觀質量。

A-側圍與水平方向的夾角，保證車頂與側圍之間足夠接觸；

B-車頂和側圍5°夾角，確保車頂與側圍有一個正切直線接觸；

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，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的平面。

圖4 側圍與頂蓋搭接面G D&T要求

3.2.2車身精度要求

頂蓋激光釬焊對車身的穩定性要求高，車身精度通過地板線、側圍線及主拼線各成形工位（合拼工位）將下車體、左、右側圍總成、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頂蓋與車身精度實現

為實現頂蓋與車身精度開發需求，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的專利技術（華工法利萊切焊系統工程有限公司2017.07.04申請），浮動工裝裝通過車身頂蓋橫梁X向定位，Y向通過頂蓋與側圍兩側V型接觸，加上Z向機器人給浮動工裝Z向下壓力實現頂蓋Y和Z向自動找正功能，實現頂蓋與車身精度要求。如圖5所示。

圖5 產品結構及頂蓋浮動工裝自動找正簡圖

該工位兼顧在線三車型生產及頂蓋自動抓取等要求，根據生產節拍規劃采用設備工裝由1臺搬運機器人、2臺點焊機器人、對中臺、浮動工裝及存放架和2臺料車組成。此工裝安裝在搬運機器人上，通過換槍盤實現三車型的柔性共線生產。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→搬運機器人從料車抓取頂蓋到對中臺→對中臺將頂蓋對中→搬運機器人抓取頂蓋至車身上→浮動工裝定位銷插入頂蓋橫梁定位孔→浮動工裝Z向下壓→頂蓋自動找正實現定位→兩臺點焊機器人點定頂蓋。工藝布置圖詳見圖6。

圖6 頂蓋點定工位數模圖/現場設備工裝安裝圖

3.2.4激光釬焊工位

在頂蓋定點工位實現頂蓋與車身精度要求并點定后，頂蓋圓角與側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，實際生產測得抱具基準面與B/C柱間隙在0.1 mm以內，滿足車體精度要求；頂蓋下壓抓手工裝左右各分布20個帶剛性彈簧的壓塊，壓塊在剛性彈簧的作用下，給頂蓋施加一定的下壓力，保證頂蓋與側圍整個接觸區域形成線接觸，將頂蓋與側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計如圖7。

圖7 激光釬焊工裝示意圖

該工位激光是波長為1 070 nm的光，對人體眼睛以及皮膚具有強烈的輻射作用，因此在激光釬焊應用中應設計獨立密封的激光房。激光釬焊工位主要設備工裝由1臺搬運機器人、2臺點焊機器人、2臺激光焊接頭、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→搬運機器人抓取頂蓋下壓抓手→抓手放置龍門架上并加緊→兩臺激光釬焊機器人焊接→釬焊完成并返回至home點→搬運機器人抓取頂蓋下壓抓手返回至home點→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 激光釬焊工位數模圖/現場設備工裝安裝圖

3.2.5打磨工位

該工位分兩層規劃，一層為人工打磨激光釬焊起弧、收弧處的焊絲，同時對焊絲質量進行檢查；二層用于存放激光發生器、激光器冷卻系統和激光房除塵系統布置在該工位鋼平臺上，這樣布置合理利用了廠房的空間，也有利于多臺設備集中管控，以便于設備人員進行維修。3D工藝布置圖詳見圖9。

圖9 打磨工位數模圖/現場設備工裝安裝圖

3.3 車身頂蓋激光釬焊全工藝流程

經過對頂蓋點定工位、激光釬焊工位和人工打磨三工位詳細設計及規劃，結合數字化仿真和虛擬調試各個環節驗證，最終完成車身頂蓋激光釬焊全工藝流程設計，設備、工裝布置及機器人站位如圖10所示。

圖10 激光工作站數模圖/現場設備工裝安裝圖

4 激光釬焊工作站的應用效果

結合東風柳汽點焊和激光釬焊工藝投資開展對比，工裝設備投資對比：按照生產節拍35JPH，頂蓋與側圍連接采用點焊和激光釬焊的投資金額分別為862.4萬元和1547.06萬元，激光釬焊相對點焊工藝投資高出684.66萬元。

生產運營對比（結果對比如表1，細項不展開對比）：焊裝在能耗、備件、輔料和人工等方面均增加成本，但涂裝與總裝專業減少2條頂蓋裝飾條和涂膠、裝配等作業，后工序整體降成本30元/臺。從全價值鏈評估白車身釬焊相對點焊降成本為30元/臺。

表1 各專業運營對比數據

東風柳汽的頂蓋激光釬焊工作站項目從全價值鏈評價，車身頂蓋激光釬焊工作站在生產23萬輛車身后，即項目投入使用18月后實現投資的平衡點。2018年1月后所生產的頂蓋激光釬焊的車身實現30元/臺的降成本，因此，在產量飽和狀態下車身頂蓋激光釬焊是較為經濟的，能夠實現降成本連接工藝。

5 結論

激光釬焊技術相對傳統焊接工藝提高了生產效率和增加強度的同時，減少整車頂蓋飾條及后工序工時，實現全價值鏈的降成本。隨著激光焊接技術在國內外汽車廠家積極廣泛地推動，技術會在汽車行業得到廣泛應用，對車身連接工藝提供新的解決方案。