房靈申

一、概述

從20世紀(jì)80年代中期開始，激光拼焊板作為新技術(shù)在歐洲、美國和日本得到了廣泛的關(guān)注。拼焊板工藝主要是為汽車行業(yè)進(jìn)行配套服務(wù)，尤其在車身零部件生產(chǎn)、制造和設(shè)計(jì)方面，拼焊板的使用有著巨大的優(yōu)勢。目前，無論實(shí)驗(yàn)室還是汽車制造廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，均證明了拼焊板可以成功地應(yīng)用于汽車車身的制造。

以大型激光拼焊為核心的激光加工已逐步發(fā)展成為21世紀(jì)裝備制造領(lǐng)域不可缺少和替代的先進(jìn)加工手段和技術(shù)發(fā)展方向。近年來，激光在汽車工業(yè)的應(yīng)用得到較快發(fā)展，汽車工業(yè)是激光加工應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。統(tǒng)計(jì)表明，在歐美發(fā)達(dá)的國家中，有50%左右的零部件都是采用激光加工來完成的。而依據(jù)ULSAB（世界輕質(zhì)鋼制車身協(xié)會(huì)）的最新研究結(jié)果：最新型的鋼制車身結(jié)構(gòu)中50%采用了拼焊板制造。尤其是近年來發(fā)展很快，以美國通用汽車公司為例，1993~1994年間拼焊板應(yīng)用為150萬件/a，1997~1998年間拼焊板應(yīng)用就達(dá)到700萬件/a。而歐洲1994年拼焊件銷售額1.3億馬克，1997年銷售額達(dá)到2.0億馬克。全世界1997年汽車用拼焊板年生產(chǎn)能力為1 500萬件，2005年統(tǒng)計(jì)汽車用拼焊板年生產(chǎn)能力約7 000萬件。截止2006年，保守統(tǒng)計(jì)全球已有剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線130余條（臺(tái)），汽車拼焊板的市場需求規(guī)模將以年均50%以上的高速度增長，每年需新建激光拼焊生產(chǎn)線20~30條。

除汽車工業(yè)將廣泛采用激光拼焊技術(shù)以外，激光在船舶工業(yè)的應(yīng)用亦將逐步發(fā)展起來。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著國際船舶市場的復(fù)蘇，給我國船舶工業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，尤其是加入WTO以后，給我國船舶制造業(yè)帶來了更激烈的競爭和機(jī)遇，但我國船舶激光拼焊板技術(shù)還嚴(yán)重地制約著造船的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本和周期。我國的船舶激光拼焊板技術(shù)與國外同行業(yè)先進(jìn)水平相比，差距不是縮小，而是在繼續(xù)拉大，目前激光拼焊板在船舶工業(yè)仍為空白。此外，激光拼焊技術(shù)在家電等行業(yè)的應(yīng)用亦在發(fā)展之中。

二、激光拼焊技術(shù)的成功開發(fā)

激光拼焊項(xiàng)目涉及機(jī)器人技術(shù)、激光加工技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的研發(fā)人員多年來從事工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器、先進(jìn)制造系統(tǒng)和光電技術(shù)等研究工作，不僅在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域積累了豐富的技術(shù)及應(yīng)用成果，而且在激光加工設(shè)備的本體設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)、激光加工工藝、激光器等方面亦具備了一定的研究工作基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。自2002年開始，研制開發(fā)3自由度SCARA式飛行光路被動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人手臂式激光加工實(shí)用樣機(jī)，用于平面切割或焊接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)懸臂式結(jié)構(gòu)和龍門式結(jié)構(gòu)，服務(wù)于加工領(lǐng)域。2005年1月開始對激光拼焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及拼焊裝備國產(chǎn)化的可行性進(jìn)行調(diào)研和分析，并從技術(shù)攻關(guān)和市場開拓兩方面進(jìn)行了卓有成效的工作。

2005年8月開始利用國際合作平臺(tái)同日本IHI公司在激光拼焊技術(shù)領(lǐng)域展開全面而具體的項(xiàng)目合作。通過力學(xué)性能分析與拼焊試驗(yàn)，掌握了國外同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，具備了基于成熟技術(shù)并在有關(guān)方面指導(dǎo)下進(jìn)行生產(chǎn)樣機(jī)開發(fā)的條件和能力，并自籌資金2 500萬元人民幣，面向汽車、鋼鐵行業(yè)重點(diǎn)研制板材激光拼焊成套裝備，2006年9月研制成功國內(nèi)第一條全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線樣機(jī)（見圖1），目前該全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線已經(jīng)在南京寶鋼投產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)三年多，為奇瑞、江淮、華晨、長城等汽車企業(yè)提供500多萬張激光拼焊板（圖2為生產(chǎn)現(xiàn)場照片）。

中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所于2011年成立第六研究室——激光裝備實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)開展以機(jī)器人激光加工成套裝備為核心的大型成套制造裝備與系統(tǒng)的研發(fā)。目前，第六研究室已經(jīng)建立了一支擁有相關(guān)專業(yè)背景、具備較高技術(shù)素質(zhì)的研發(fā)、制造和質(zhì)量管理的50多人的研究團(tuán)隊(duì)，具有較強(qiáng)的技術(shù)服務(wù)和工程實(shí)施能力；項(xiàng)目組相關(guān)技術(shù)人員在多軸機(jī)床設(shè)計(jì)、大型運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)研制、數(shù)控系統(tǒng)/控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在激光器、激光傳輸、激光加工工藝參數(shù)等方面掌握了相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和并培養(yǎng)了幾十名激光加工方面的博士、碩士研究生。制訂了有效的項(xiàng)目過程與質(zhì)量管理措施，順利完成了多個(gè)國家級、省級等相關(guān)項(xiàng)目研究工作，開發(fā)的多條激光加工生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)。

三、核心技術(shù)成果

1. 宏微結(jié)合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化焊接

近年來一些先進(jìn)工藝（如大功率精密激光加工）在汽車、機(jī)床、航空航天等工業(yè)中的大量應(yīng)用，希望采用工作空間更大、運(yùn)動(dòng)速度更快、精度更高、柔性好的機(jī)器人化裝備。由于單獨(dú)的工業(yè)機(jī)器人絕對精度和重復(fù)定位精度無法達(dá)到激光加工的工藝精度要求，或者單獨(dú)的大幅面執(zhí)行機(jī)構(gòu)勢必做的既大又笨重，高速實(shí)現(xiàn)及其困難，故在激光加工執(zhí)行器末端配置具有適宜精度和適宜行程，并具有高響應(yīng)速度、高速度、小慣量、高精度等特征的微動(dòng)機(jī)構(gòu)，組成宏微結(jié)合的機(jī)器人化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2. 機(jī)器人多組焊接工藝

詳細(xì)研究了激光加工參數(shù)，主要包括激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)大小及焦點(diǎn)位置等因素對激光焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，得出了每種材料的最佳焊接工藝，建立了完善的焊接工藝規(guī)范，涵蓋了目前主要車型的絕大部分激光拼焊板，并且已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。創(chuàng)新性地采用了多組倍尺激光焊接技術(shù)，使現(xiàn)在的激光焊接效率提高了35%以上，提高了材料利用率，減少了浪費(fèi)。

圖1 全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線樣機(jī)布局

3. 系統(tǒng)控制與可靠性

開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的板材激光拼焊成套裝備與系統(tǒng)，建立以激光拼焊成套裝備和機(jī)器人激光焊接加工技術(shù)為主體的光機(jī)電一體化技術(shù)支撐與服務(wù)平臺(tái)，提供激光拼焊成套裝備設(shè)計(jì)開發(fā)服務(wù)。掌握了大型拼焊線成套裝備中的多系統(tǒng)集成的系統(tǒng)功能需求分析、精度設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)，完全滿足汽車行業(yè)生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)24h生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率在99.8%以上。

4. 焊縫預(yù)成形與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

板材焊縫是由相鄰兩塊或多塊板材構(gòu)成的相互結(jié)合線，按結(jié)合線的類型可分為單直線、多直線、折線、曲線和組合曲線結(jié)合線。為表達(dá)簡便起見，現(xiàn)將折線、曲線和組合曲線統(tǒng)稱為非線性結(jié)合線，從而對應(yīng)的焊縫有單直線焊縫、多直線焊縫、非線性焊縫。由于激光焊接自身的特殊性，要求焊縫間隙≤0.08mm，這就要求單塊板材焊接邊界平直度最大0.05mm。根據(jù)生產(chǎn)條件和要求不同，單塊板材成形可采用精剪、切割和模具落料等工藝方法獲得，用不同工藝方法成形的板材具有不同的邊界物理特性。板材的邊界物理特性直接影響拼焊質(zhì)量，不同邊界物理特性的板材對應(yīng)著不同的焊縫預(yù)成形原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

5. 激光拼焊焊縫跟蹤技術(shù)

實(shí)時(shí)焊縫跟蹤是由視覺傳感器獲取待焊工件焊縫位置、形狀和方向的圖像信息，然后經(jīng)特定設(shè)計(jì)的圖像處理算法提取焊縫形狀與方向特征，并根據(jù)焊縫位置確定焊槍的下一步接近或糾偏運(yùn)動(dòng)方向和位移量，再控制驅(qū)動(dòng)機(jī)器人跟蹤焊縫。

實(shí)時(shí)焊縫跟蹤技術(shù)在弧焊中的應(yīng)用已基本成熟，但是在激光拼焊中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步推進(jìn)。應(yīng)用于激光拼焊中的焊縫跟蹤技術(shù)由于激光拼焊的特點(diǎn)具有其特殊性，激光拼焊的高亮度和對接焊縫的窄間隙對焊縫的圖像處理以及特征識(shí)別提出較高的要求；而激光拼焊的高速度、高精度也要求焊縫跟蹤過程中的跟蹤控制具有較高的實(shí)時(shí)性、精確性。

四、市場應(yīng)用情況

1. 在南京寶鋼應(yīng)用情況

全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線已經(jīng)在南京寶鋼投產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)三年多，為奇瑞、江淮、華晨、長城等汽車企業(yè)提供500多萬張激光拼焊板，如圖2所示。

2. 在江蘇巧智鑫應(yīng)用情況

全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線已經(jīng)在江蘇巧智鑫自動(dòng)化設(shè)備有限公司安裝調(diào)試完畢，已經(jīng)逐步開始為丹陽、寶應(yīng)、高郵、馬自達(dá)、福特、東風(fēng)日產(chǎn)及悅達(dá)起亞等多家汽車公司及零部件制造企業(yè)提供產(chǎn)品，如圖3、圖4所示。

圖2 全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線南京寶鋼生產(chǎn)現(xiàn)場照片

圖3 全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線揚(yáng)州現(xiàn)場

圖4 基于機(jī)器人的曲折線激光拼焊機(jī)

五、激光裝備未來發(fā)展

目前，研究所與寶山鋼鐵集團(tuán)、武漢鋼鐵集團(tuán)、首都鋼鐵集團(tuán)、鞍山鋼鐵集團(tuán)等國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)及奇瑞汽車公司、吉利汽車研究院等汽車制造企業(yè)已經(jīng)建立了良好的關(guān)系，正在醞釀共建研發(fā)中心、開展合作研究、聯(lián)合申報(bào)國家科技計(jì)劃支持等相關(guān)事宜，相關(guān)研究已被列為“中國汽車制造裝備需求分析及發(fā)展戰(zhàn)略研究”的重要內(nèi)容之一。沈陽自動(dòng)化所將與上述相關(guān)企業(yè)密切合作，圍繞汽車快速制造技術(shù)、汽車激光加工自動(dòng)化技術(shù)與裝備、板材激光加工技術(shù)、工藝與裝備等相關(guān)內(nèi)容開展聯(lián)合研究與開發(fā)，以提高相關(guān)企業(yè)鋼鐵、汽車產(chǎn)品的市場競爭力。