汽车拼焊板全自动激光焊接系统.docx

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汽车拼焊板全自动激光焊接系统

汽车拼焊板全自动激光焊接系统

第４３卷第２期啊Ｅ珲墩ｖ。

１．４３Ｎ。

．２

Ｆｅｂ．２０１３垫！

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堡！

月Ｅｌｅｃｔｒｉｃ驯ｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

汽车拼焊板全自动激光焊接系统

李斌１，郭涟１，郭平华１，王征１，钟如涛２

（１．武汉法利莱切割系统工程有限责任公司，湖北武汉４３０２２３；２．武钢设计研究院，湖北武汉４３００８０）

摘要：

激光拼焊板已广泛应用－Ｉ－９５，－车－－和１造业，采用激光拼焊板工－Ｅ不仅能够降低整车的制造成本、物

流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时提高车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力。

系统研究了汽车拼焊板全自动激光拼焊系统，采用高精度、快速、柔性电磁吸附装置夹紧工件以及激光切割一焊接一体化加工工艺，建立了焊接质量专家数据库，集成了在线检质量检测与焊缝跟踪系统。

实现全自动激光拼焊生产线集成与自动控制系统，实现在一条

生产线上高质、高效率地进行直线、折线、曲线以及不等厚板多种类型板材的拼焊。

关键词：

激光焊接；汽车拼焊板；自动焊接系统；柔性电磁铁中图分类号：

ＴＧ４３９．４

文献标识码：

Ｂ

文章编号：

１００１—２３０３（２０１３）０２—００６３—０５

ＤＯＩ：

１０．７５１２１ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－２３０３．２０１３．０２．１ｌ

Ａｕｔｏｓｐｅｌｌｓｙｓｔｅｍｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｌａｔｅａｕｔｏｍａｔｉｃｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ

ＬＩＢｉｎＩ，ＧＵＯＬｉａｎｌ，ＧＵＯＰｉｎｇ－ｈｕａＩ，ＷＡＮＧＺｈｅｎ９１，ＺＨＯＮＧＲｕ—ｔａ０２

ｆ１．ＷｕｈａｎＦａｒｌｅｙｌａｓｅｒｌａｂＣｕｔｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆＷｕｈａｎＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ４３００８０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｌａｓｅｒｔａｉｌｏｒ－ｗｅｌｄｅｄｂｌａｎｋｓＴＷＢｓ．ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ．Ａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｔａｉｌｏｒｗｅｌｄｅｄｂｌａｎｋ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｗｅｌｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ

０前言

激光拼焊板已广泛应用于汽车制造业…，采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物

流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率【２Ｉ，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时提

收稿日期：

２０１３一Ｏｌ一０６

高车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高１３Ｉ。

此外，由于避免使用密封胶，也使其更环保。

本系统研究了板材高性能快速定位夹紧技术——工件

采用电磁吸附夹紧装置，提高生产效率，满足生产节拍需求。

本设备采用切焊一体工艺，能够在一条生

产线上实现直线、折线、曲线以及不等厚板多种类

作者简介：

李斌（１９ｒ７ｌ叫，男，湖北随州人，学士。

ＥＭＢＡ，主要

从事激光切割、焊接以及切焊组合成套设备的研发工作。

型板材的拼焊；建立焊接质量专家数据库，并能够

根据在线检测技术对比焊缝质量，实现了全自动激光拼焊生产线集成与自动控制系统。

投缸锄渤彩名驴．，彩易么，

・６３・

专囊讨论

雹晖坂

是真空吸附方式。

第４３卷

１板材高性能快速定位夹紧技术

１．１

汽车板机器人全自动上下料系统

汽车板拼焊机组采用机器人自动上下料系统，

电磁夹具系统由一系列可以拼接的电磁铁组成，通过组合达到各种拼缝的需求，并且同样的板材只需要一次即可定位完成，并能多次重复使用。

同时使用电磁夹具可快速夹紧，相比液压或是气动夹具明显节省了装配时间并减少夹紧次数。

电磁吸附方式的优点是安装灵活，更适合曲线

焊接需要，而真空吸附方式多用在固定夹具系统。

电

能够保证对外来精确料（即冲压成型和落料系统生产的定尺板料）完成自动料垛拾取、放置预定位置、定位压紧、高质量的焊接和下料等工序。

在工作区设有多个自动定位销，当机器人上

料到位后，定位销自动伸出，将工件固定、夹紧，在焊接完成后，自动缩回定位销，机器人可以取下工件。

磁吸附力更大，夹紧更可靠，电磁吸附力是垂直上下，而夹紧时是水平方向力，基本不会产生干涉，同时两块板的电磁可以采用阴阳两极方式，以消除相互影响，还能根据电压大小改变夹紧力。

焊接夹具采用柔性电磁吸盘，结构示意如图１所示，包括直线焊缝夹具、曲线焊缝夹具和折线焊

缝夹具。

１．２汽车板夹紧方式

汽车板采用电磁铁夹紧方式，通常汽车板拼焊采用的夹紧方式有真空吸附和电磁铁夹紧两种。

两种方式在国外都有厂家使用，其中瑞士ＳＩＬＯＮ公司采用的是电磁铁夹紧方式，意大利ＰＲＩＭＡ公司采用的

亡多＜

ａ直线焊缝夹具

｜＼＞＜二

ｂ曲线焊缝夹具图ｌ汽车板拼焊夹具

ｃ折线焊缝夹具

１．３直线焊缝错边矫正装置

错边矫正装置由电机驱动，与焊接头随动，安

装在横梁上，分为上下两个压轮部件，上下两个压

焊接头

轮部件都具备两个压轮方向，可压住拼焊的两部分

板材，压轮压力通过压轮液压调节，调节压力范围

｝：

碾脏轮

ｋｇ，当焊接头移动时，碾压头电机跟随

焊接头运动，在焊缝处压紧焊缝，并矫正错边，保证

０００

为１０～ｌ

钢板下碾压轮

焊接质量，如图２所示。

２自动控制系统设计

汽车板拼焊采用德国西门子８４０Ｄ数控系统。

该系统具有高速高精度运动控制功能、多任务处理

能力，内部集成ＰＬＣ功能，实现全系统的有效控制；

图２错边矫正装置

控制通过激光器控制箱来实现，光路控制结构示意

如图３所示。

２．２系统控制

数控系统主体方案如图４所示，控制功能包括：

轴控制；机器人控制；与高功率激光器的接口；焊接过程中的冷却、保护气、辅助气控制；集成激光切割焊接工艺（数据库）到控制软件；与激光ＣＡＤ／ＣＡＭ

配备西门子ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ数字伺服驱动电机及驱动器和数控系统实现全数字化接口。

２．１光路控制

光源采取分时分配方式，并具备互锁功能。

分光

・６４・ｇ缓一如ｊ缓施垆。

旅。

以一

伺服电机

西门子８４０Ｄ系统Ｉ爪ＦＮＣｌ

６ｌｌＤ

自主焊接Ｔ艺控制柜

图３激光控制框图

一控制电缆线

——光纤

高级人机界面ＨＭＩ光纤激此器４ｋＷ

激光器接口控制

系统接口。

图４激光拼焊生产线控制结构

釜一

气路控制

２．３设备操作软件和参数采集系统

（１）操作软件专门针对激光焊接进行设计，功能界面如图５所示。

操作方便，界面信息丰富，操作功能为：

在界面上实现所有激光焊接机操作，包括机床操作、激光器操作、切割操作、参数设定、文件装卸、系统维护等；强大的图形显示功能，直观表现切

割效果，在线监测焊接路径；所有的操作信息都显示在屏幕上，方便操作和维护；基于多年焊接经验的专家数据库系统；焊接回退（Ｒｅｔｒａｃｅ）功能；高速响应的激光功率坡调以保证拐角焊接质量；配备ＵＳＢ接口和网口，文件传输方便。

（２）参数采集系统。

图５操作软件功能界面

设计专门的激光焊接工艺参数库，集成在ＨＭＩ操作系统中。

根据工艺设定要求，设计基本加工参数、焊接选项、打孔参数、坡调参数、材料设定等，工艺参数库装载了常用碳钢、不锈钢等多种材料的基本工艺参数，以供客户选择参考。

工艺参数

库同时与激光器控制、气体参数控制、机床操作

数（板厚、大小、材料）、加工量、加工工艺，以便生产

管理和加工资料追溯。

２．４工序设计

为了满足直线、曲线或折线焊缝的焊接，拼焊系统有毛坯料和精确料两种来料方式焊接功能，毛

坯料采用切一焊组合方式加工，即采用系统的激光切割头分别对待焊钢板进行板边切割处理，再自动拼缝、焊接，此方式的最大特点是除了焊接直线焊缝，

控制关联，设定好的参数可以及时用于现场加工

中，极大方便了客户操作和工艺试验。

同时试验成

功的参数可以选择保存下来，作为批量加工的固定参数。

设计专门的管理参数录入，实时保存来料的参

还适合曲线或折线焊缝的焊接，也适合进行激光焊接工艺研究（在同一块料上，可反复进行切割一焊接操作）；精确料主要针对采用其他方式下料或外来

孝篇，磊ｔ≥渤；滋蠢矽．镌施

・６５・

专置讨论

重晖拽

第４３卷

加工提供的材料，采用直接定位、拼缝、焊接方式，

主要加工直线焊缝，拼焊工艺如图６所示。

图６拼焊工艺

（１）毛坯料拼焊。

毛坯料拼焊原理如图７所示，根据焊缝形式选择夹具，并按焊缝走向摆放。

为了保证焊缝质量，夹具边缘尽可能靠近焊缝；机器人自动上料，并用夹具吸紧两块待拼接钢板；分别对两块钢板进行激光切割，加工待拼焊的焊缝形式；切割完成后，保持一个试板（不等厚时厚板）不动，另一个试板向固定板移动，移动的距离由三部分组成：

两试板切缝中心线间的距离、切缝间隙以及微量补给量，微量补给量保证焊缝紧密结合、可靠拼接；两试板拼接好后进行焊接，焊接过程中根据焊缝跟踪系统的位置检测结果对焊接轨迹进行微调。

图７毛坯料焊接原理

（２）精确料拼焊。

汽车板拼焊机组能够对外来精确料（即冲压成型和落料系统生产的定尺板料）进行自动上料、焊接和下料。

精确料拼焊原理如图８所示，工件Ａ以定

位块为基准放置，气缸Ａ在Ｙ方向上定位工件Ａ；工

件Ｂ以定位块为基准放置，气缸Ｂ在Ｙ方向上定位工件Ｂ；夹紧气缸在ｚ方向上定位工件Ａ、Ｂ；夹具吸紧，在ｚ方向上定位工件Ａ、Ｂ；激光焊接。

批量生产时，定位块和定位气缸将在第一次焊接前做好定

位工作，确定定位块和气缸行程，确定夹紧电磁铁的位置分布和焊接头起始位置。

３工艺研究

３．１焊缝校正

为了保证可靠的激光拼接，系统具备示教功能，从而使系统能够微量校正焊接轨迹。

整个工作原理简述如下：

首先用可拆卸组合

・６６・

嬲；幺．：

，鳜锄．镌如么一

●

Ｄ。

—一

图８精确料拼焊原理

式电磁（或负压）平台吸（夹）紧装置夹紧两块待拼接试板，如图９所示。

为了保证切割质量，压块尽可

能靠近切缝；夹紧后对两块试板进行激光切割，切出待拼焊的曲线形式，由于激光切割后直接进行

激光拼焊，切割的切边须满足激光拼焊的拼缝间隙、错边等要求；切割完成后进行拼缝，拼缝时保持一个试板（不等厚时厚板）不动，另一个试板向固定板合拢。

活动板移动的距离由三部分组成：

两试板切缝中心线间的距离、切缝间隙以及微量补给垃，从而保证可靠拼接；两试板拼接好后，即进行拼焊，拼焊过程中根据示教结果对焊接轨迹进行

微调。

图９

可拆卸组合式夹紧装置不意

３．２

曲线、折线的激光切焊一体工艺

采用激光切割作为曲线、折线的前序工艺，有

利于提高曲线汽车板的拼焊精度和质量。

激光拼焊是一种精密而无填充金属的“自熔焊”工艺，对板边

拼对的精度要求很高，以保证接头的几何形状（主

要是焊缝下凹度）和机械性能。

一般剪床在剪切断

面形状和直线度上都难以达到。

与其他切割方法相

比，激光切割不仅可以确保拼焊板边的质量，而且

无刀刃磨损，保证了长期生产的重复精度。

３．３镀锌板切割焊接工艺

汽车板材料一般为镀锌板，激光焊接镀锌板在

其焊接过程中有一个特殊问题是锌的蒸发损失。

在焊接头Ｉ一

常规的电阻焊中，由于锌的熔点是４２０℃，锌的蒸发温度为９０３℃，而铁熔点是１５３５ｃＣ，因而在焊接型

过程中会存在锌的蒸发损失，在电阻焊中，电极的寿Ｊ焊接头主体

虿统一

命也会由于锌的损失而降低。

在常规的熔融焊中，锌的蒸发也会导致对焊接过程的干扰，为了减少锌的蒸发，必须很好地控制一一

幽一一一一觅

焊接件的配合间隙。

在激光拼焊镀锌板时，减少锌的图１０焊接头示意

蒸发损失的具体办法是采用激光深穿透焊接方式，通过控制镀锌板的焊接／Ｉ，孑Ｌ上部和下部的状态来４结论

避免锌蒸发。

目前，国内已经引进国外汽车板激光拼焊生产激光焊接镀锌板时，其焊接过程取决于镀锌板线近３０条，主要为合资汽车厂进行配套…。

随着汽的镀锌层的厚度。

离焦量的改变对激光焊缝宽度有车工业轻量化和对安全性能要求的Ｅｔ益提高，国产影响，试验研究发现，激光焊接镀锌板时激光焦点高品质车型都开始采用激光拼焊板，尤其是自主品靠近镀锌板的底部对减少锌蒸发有利，改变焊接速

牌的汽车对激光拼焊板的需求量将迅速上升。

度对激光拼焊镀锌板质量也会有差异，随着焊接速

该项技术主要被国外垄断，一条全自动汽车板度放慢到一定程度时，气孑Ｌ率会增加，这是因为焊拼焊生产线从国外引进需要花费３５００万元人民速太慢，会加剧锌的蒸发速度，当然在激光焊接镀币。

武汉法利莱切割系统公司开发的具有自主知识锌板时，速度也不应太高，否则会增加焊缝的脆性，产权的汽车板激光拼焊生产线，能为国内的钢材配故激光焊接镀锌板时应探索一个最佳焊接速度。

送中心提供高质量的柔性焊接生产线，降低采购成此外，激光功率密度也是一个重要参数，合理本，并与国际先进水平接轨，生产线已经在武钢中控制激光焊接中的功率密度对减少锌的蒸发非常试工厂获得应用，如图１１所示。

重要。

其一般规律是在保证激光焊接镀锌板能形成小孔机制的穿透焊接的前提下，不要过多提高激光功率密度，如果激光功率太高，同时速度太慢，则会加剧激光焊接镀锌板的锌的蒸发损失，更重要的是需提高焊速，这样对减少锌蒸发量是有利的。

在激光功率密度和焊速、离焦量都相同时，辅助吹气也是一个重要参数，如果辅助吹气压过高，也会加大锌的蒸发，并容易形成气孔。

在试验中采用适当的辅助吹气压，可得到好的焊缝。

３．４焊缝跟踪与焊缝质量检测系统

在激光焊接头上配备焊缝跟踪。

为配合焊缝

图１１武钢应用现场

跟踪焊缝示教，在激光焊接头处增加一个小石轴，行

程１００ｍｍ。

焊接头小轴系统如图１０所示，在焊接

参考文献：

头上安装有焊接质量监测系统和焊缝跟踪系统。

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配备Ｐｒｅｃｉｔｅｃ在线焊接质量监测系统ＬＷＭ系

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３９６—３９８．

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该系统可以设置合格的参数，在焊接过程中比较【２】施欲亮．利用拼焊板结构改进车门内板的轻量化设计田．

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１７８—１８１．

焊接质量和设定参数，得出焊接过程质量分析报ｆ３】林辉，施－磊．浅谈激光拼焊板在汽车车身上的应用硼．

告。

焊缝质量检测系统能够跟踪焊接质量，如果焊

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６６－６８．

接质量不合格可以及时调整参数，进行切割后继续【４】闰志波，刘培月，王长铭．激光拼焊设备的应用阴制造业

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