弧焊机器人在汽车制造中的解决方案

现代汽车制造技术的发展要求设备自动化、产品批量化、人机结合合理化、生产效率最大化以及劳动强度消减化，使得工业机器人的应用得到大力推广，不仅提升了生产规模和产品品质，有效提高了生产节拍，还可以降低人力成本，改善工作环境，实现真正意义上的高速柔性化生产。机器人弧焊提高了焊接质量，降低了工人的劳动强度，改善了生产作业环境，以其高柔性化、高生产效率和高稳定性在汽车行业的应用日渐普及，已经成为柔性制造系统的重要组成部分。江淮汽车为适应柔性化生产需求引入机器人弧焊技术，应用于白车身焊接及仪表台骨架焊接，不断推动公司工艺水平的进步。

机器人弧焊技术特点
弧焊机器人具有焊接性能可靠、焊缝质量优良、焊接参数调整方便、生产效率高和柔性好等特点，可焊接多种多样的产品，能灵活调整生产安排。但焊接过程受多种条件的制约是一个复杂的工艺工程，机器人弧焊的应用也存在一定的弊端。
1． 机器人弧焊优点
机器人弧焊因其自身的特点在汽车行业的应用日趋普及，机器人弧焊与手工弧焊相比具有显著的优势，主要体现在以下四个方面：
（1）高柔性化 一套机器人弧焊系统通过机器人程序的设定可满足多种车型的弧焊需求，江淮汽车某焊装线实现了S5、A30和S3三种车型的白车身弧焊，节约投资成本的同时极大地缩短了调试周期。
（2）高生产效率 相比于手工弧焊，机器人弧焊拥有快速的起弧/收弧功能及焊接速度，机器人弧焊缝焊速度可达8mm/s，塞焊速度可达1.5点/s，与传统的手工弧焊相比可提高30%的生产效率。
（3）高稳定性 弧焊属于特殊工种，人工弧焊无法有效地保证焊缝的焊接质量，容易出现咬边、烧穿和余温过高等焊接缺陷。机器人弧焊稳定性强，弧焊精度可控制在0.1mm，能很好地满足焊接质量要求及一致性要求。
（4）高环保性：弧焊过程中会产生大量有害气体、烟雾和强光等，汽车批量生产时会严重污染车间环境，给操作人员健康带来极大的隐患。机器人弧焊取代人工焊接可有效改善作业环境，同时通过烟尘中央净化系统的应用，满足焊接区域焊接时烟尘的吸收过滤及净化。图1所示为弧焊除尘系统平面布局图。

图1 弧焊除尘系统平面布局

2．机器人弧焊缺点
相比于优点，机器人弧焊的缺点也较为明显，主要体现在以下三个方面：
（1）弧焊变形问题 弧焊过程热量释放大，机器人弧焊焊接速度快，短时间内受热过大会产生热量集中从而导致板件变形，无法满足焊缝质量要求。
（2）对焊接部件精度要求高 机器人弧焊对焊接部件精度及一致性要求高，零件配合的搭接间隙需≤0.2mm，焊缝位置公差需控制在±0.5mm以内，同时要求工件表面无油污、生锈等。
（3）弧焊引弧熄弧问题 机器人弧焊引弧熄弧过程中易发生引弧失败及焊丝粘丝等问题，影响弧焊质量及生产效率。
以上问题是机器人弧焊在生产现场应用所面临的一些挑战，也使其在汽车领域的应用受到一定程度的限制。因此，有效解决上述技术问题将有助于机器人弧焊技术的推广。

机器人弧焊系统构成
机器人弧焊系统（见图2）的基本硬件一般包括焊接机器人本体、焊接设备、变位机、工装夹具、安全设施、控制系统、除尘系统及其他辅助设备等。

图2 机器人弧焊系统

1．机器人本体
工业机器人技术目前已经非常成熟，产品实现系列化，弧焊机器人一般选用6轴机器人，机器人选型时要结合工件的尺寸、焊缝的位置、焊枪重量及安装形式等，需要重点关注的参数有载荷、运动半径、重复定位精度、各轴运动范围及运动速度。
江淮仪表台生产线所选用的弧焊机器人是日本松下TA-1400机型，包括机器人本体、机器人控制柜和示校盒三个部分；白车身弧焊系统选用的是8台ABB弧焊机器人。
2．焊接设备
焊接设备一般包括焊接电源、送丝机、焊枪、防碰撞传感器、水冷装置和清枪减丝机，一般根据所焊部件的工艺要求选择配置。焊接电源发展方向是采用全数字化逆变电源，焊机具有无飞溅起弧功能,焊接飞溅较小。焊枪一般分为空冷焊枪和水冷焊枪，焊接电流较小时可以选择空冷焊枪。为方便操作者的操作与维护，减少操作者的日常维护量，弧焊系统的每台机器人都配备了清枪装置。机器人带动焊枪工作一段时间后，自动到清枪装置处清除焊枪喷嘴处粘附的焊接飞溅。送丝系统焊丝的输送方式主要有两种形式，盘状焊丝和桶状焊丝。盘状焊丝一般装在机器人的辅助轴上，桶状焊丝一般在地面码放。图3所示为桶状焊丝示意图。

图3 桶状焊丝示意

3．变位机
在一些焊接场合，如零件尺寸较大、零件空间几何尺寸复杂，使机器人的焊枪无法到达焊接位置或处于理想焊接姿态，又或者为了提高机器人的利用率需要机器人在多工位之间切换，这时就需要对机器人或者工装夹具进行变位。通常的解决方法有增设机器人滑动轨道或升降台扩大机器人本身的作业空间，也可在工装上安装旋转机构让工件移动或转动，实现焊接部位的可达性。变位机要关注重复定位精度及可靠度，目前开发的伺服变位机及伺服转台可有效解决定位精度问题。变位机多用于车身分总成的弧焊，白车身总成弧焊无法应用变位机。
4．工装夹具
焊装夹具是汽车行业必不可少的工艺装备，是实现焊接工艺、保证产品质量的基本设备。焊接夹具就是将汽车零件准确定位并通过夹紧机构可靠夹紧进行焊接，保证汽车零件相互位置精度和结构强度方面要求的工艺装备。焊接工装夹具在保证焊接质量、生产效率和操作方便性的同时，还需要结合机器人、变位机等保证焊枪的可达性、系统安全性和通用互换性。除了焊接工艺，在汽车车架及仪表台骨架总成工艺操作中的工装设计也是影响车架及仪表台骨架弧焊质量的重要因素，确保工装设计的合理性和科学性非常重要。我公司在江淮瑞风S5、和悦A30仪表台骨架工装夹具设计时充分考虑到生产线布局，具备完成工件定位，确保工件装夹一致性，确保工件尺寸符合图样要求，满足弧焊机器人操作要求。仪表台变位机和工装夹具如图4所示。

图4 仪表台变位机和工装夹具

5．控制系统
为系统的稳定运行提供合理、可靠和安全的保障。作为一般的简单应用可直接采用机器人控制柜配合外部操作盒实现对焊接系统的控制。对于较为复杂的系统需要主控制系统进行全面协调控制，主控制柜主要负责工装夹具、主线通信、车型识别、安全设备以及机器人的动作。主控制柜可根据主线给定的车型码实现对不同车型的验证及完成不同车型各自的自动焊接，对于机器人的控制主要是要求其按照设定的自动化区域和互锁区域来协同完成各自的工作，对机器人具体工作内容和工作过程不管理。
6．安全设施
因机器人在焊接过程中变位机及机器人的动作速度较快，且在焊缝之间切换时经常出现加速情况，当人员或物品意外进入其活动区时将出现危险。同时弧焊系统会产生大量的烟尘和弧光，所以一个完备的焊接机器人系统在满足焊接的同时安全措施必不可少。CO2焊房一般采用遮光全封闭模式，两侧配置一定区域的挡弧板，保证人员可视，并配置相应的安全门，可与线体安全互锁。换件区有光栅保护，在系统工作时可防止有人进入机器人活动范围内，保护人身安全。

机器人弧焊质量问题分析及改进
白车身弧焊系统进厂并开始试生产中，发现车身焊缝存在一定的质量缺陷，出现咬边、假焊、气孔、焊瘤、漏焊、焊穿、跳丝和焊缝不均匀等诸多问题，如图5所示。

图5 弧焊质量缺陷实物

影响机器人焊接质量的因素主要有弧焊工艺参数、弧焊顺序和机器人焊接姿态等。工艺参数主要有焊接电流、焊接电压、焊接速度及送丝速度等；单位面积、单位时间内板件受热量越大则板件变形量越大，所以要关注弧焊顺序，如采取连续长焊缝可由中间向两端焊接等措施；同时关注焊接机器人焊接姿态的调整，摆焊功能的应用。工艺参数、焊接顺序及焊接姿态等对焊接质量影响重大。
1．弧焊工艺参数优化
工艺参数优化及合理设置是影响焊缝质量的重要因素，不同位置的最佳工艺参数需要经过多次现场调试进行优化，并通过观察是否存在咬边、假焊、气孔、焊瘤、烧穿和未焊透等焊接质量缺陷。弧焊工艺参数如表所示。

表 弧焊工艺参数表

为适应薄板及特殊材料的焊接，部分型号的机器人还具有焊接参数渐变功能，即在某一区段内将电流/电压由某一数值渐变至另一数值。图6所示为弧焊电流/电压渐变示意图，其中，a—以引弧文件中设定的规范参数引弧；b—焊接电流（电压）由小逐渐变大；c—以恒定的规范参数焊接；d—焊接电流（电压）由大逐渐变小；e—以熄弧文件中设定的规范参数熄弧。

图6 弧焊电流/电压渐变

2．弧焊焊接顺序优化
通常情况下，单位面积单位时间板件受热量越大，则板件变形量越大。针对这种情况，可以通过适当的焊接顺序优化来降低焊接变形。对于连续的长焊缝可以将其拆分，单段焊缝的长度尽量控制在200mm以内，然后对于这些焊缝重新排序。原则上是以单位时间在单位面积内的焊接量最小进行焊接顺序规划。对于单道连续直焊缝，可以从中部向两端跳跃式扩展的方式焊接；对于两道并列的连续焊缝，可采取两台机器人分别从端头起始然后交叉跳跃式双边同时前进，然后在返回完成剩余部分焊接的方式。实践证明，通过上述措施的应用可以有效地减少弧焊变形量。
3．机器人焊接姿态优化及摆焊功能应用
机器人焊接姿态优化，焊接姿态是指焊枪与焊缝之间的夹角，焊接姿态的正确调整是形成优质焊缝的必要条件。在焊接过程中，不仅要求焊枪运动轨迹与焊缝吻合，还要保证合适的焊枪姿态。一般焊枪与焊件平面保持75°～80°时焊缝成形较好。
在机器人弧焊系统中，可以通过软件设置摆弧功能，即焊丝在沿焊缝前进的同时，焊丝尖端实现横向摆动，并可根据需要设定摆动的方式、周期及幅度。增加摆弧可以减少或消除由于缝隙大容易造成假焊或不熔合等焊接缺陷，提高了焊接质量，减少了返工返修的工作量。摆弧功能的利用提高了焊接生产效率，改善了焊缝表面质量。摆焊的动作形态有单振摆、三角摆和L摆（见图7），摆焊动作的一个周期可以分为3～4个区间。

图7 机器人摆焊动作周期示意

4．引弧熄弧质量控制
在工件引弧点有铁锈、油污和氧化皮等杂物时，可能会导致引弧失败。当急切恩？？应用于生产线时，如果引弧失败，便可能导致整个生产线的停线。解决引弧失败的问题主要有两种措施，一是，利用机器人再引弧功能有效防止这种情况的发生；二是，来件油污及杂质清理。目前，冲压件无油金属成形润滑剂的应用可以很好地解决上述问题，使用无油金属成形润滑剂工件不用清洗就可以直接焊接，有效避免了引弧失败问题并保证了弧焊质量。无油金属成形润滑剂应用实物如图8所示。

图8 无油金属成形润滑剂应用实物

弧焊熄弧时常遇到的问题是焊丝粘丝，影响弧焊质量。对于大多数的自动焊机来说，都具有防粘丝功能。在熄弧时，焊机会输出一个瞬间相对高电压以进行粘丝解除。尽管如此，在焊接生产中仍会出现粘丝的现象，这就需要利用机器人的自动解除粘丝功能。自动解除粘丝功能也是利用一个瞬间相对高电压以使焊丝粘连部位爆断，其步骤如图9所示。

图9 自动解除粘丝功能步骤

结语

随着汽车制造水平的不断发展，对汽车制造质量及生产效率的要求不断提高，机械化生产将逐步取代人工生产。机器人弧焊系统是一个综合系统工程，主要是根据焊接部件的工艺要求和生产要求进行设计。白车身机器人弧焊系统在焊接生产线上的应用，是我公司机器人弧焊技术应用的成功案例，满足了柔性化生产的工艺需求，也极大的提高了焊接质量。通过本项目实施，我们掌握白车身机器人弧焊技术要点，为后期其他生产线的推广做好技术储备。

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