秦志文，賴　曉，謝陳陽

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州545007；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

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N111非承載式車架機器人自動焊接可行性分析

秦志文1，賴曉2，謝陳陽1

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州545007；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

摘要：通過對汽車產(chǎn)品（零件、分組件、分總成）結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)現(xiàn)狀的了解，采用部分產(chǎn)品做焊接試驗，經(jīng)過實驗對比和理論分析，分析白車身前后車架采用機器人自動焊接的可行性。

關(guān)鍵詞：白車身；焊接；機器人自動焊

目前大部分主機廠非承載式車身車架均采用人工弧焊的方式焊接縱梁與中間橫梁。但是由于弧焊工位的勞動強度大、工作環(huán)境惡劣，嚴重影響工人的身體健康，再加上對于焊工的技能要求高、社會上弧焊工人缺口嚴重、人工成本增高等原因，故采用機器人弧焊代替人工焊接車架是目前主流的趨勢［1-2］。故而以上汽通用五菱汽車股份有限公司N111非承載式車身為例，通過實驗對比及理論分析，分析白車身前后車架采用機器人自動焊接的可行性。

機器人自動焊接是通過編寫程序使焊槍按照設(shè)定的軌跡行走的自動化設(shè)備。如果各個組成模塊之間配合良好、裝夾準確、定位精確，焊接機器人可以非常準確地焊接焊縫。但是在實際的生產(chǎn)條件下，工件可能發(fā)生變形、尺寸不一致、夾具磨損及機器人的負載等，這些因素不能確保機器人焊接100%準確。比如焊接夾具受制造、裝配和檢測的條件等因素的影響，不可避免有一定偏差。因而無法保證焊接接頭的位置和縫隙位置始終不出現(xiàn)位置的變化，這些不確定性使得弧焊機器人無法進行補償，因而引入為機器人焊接提供焊縫搜索定位和跟蹤系統(tǒng)激光視覺系統(tǒng)，能夠提高焊接質(zhì)量及減少焊接工藝過程的故障率。機器人自動焊接系統(tǒng)組成如圖1所示，具體包括機器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、傳感器及外部接口［3-5］。

圖1　機器人自動焊接系統(tǒng)

1　目前現(xiàn)狀

N111產(chǎn)品現(xiàn)狀如下圖2所示，主要是包括兩根縱梁及編號為①②③④圓管狀的橫梁。設(shè)計上在縱梁上面開圓形孔與圓管狀的橫梁配合，通過CO2氣體保護焊連接縱梁與橫梁。目前該工位采用人工焊接，員工工作強度大、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

圖2　N111產(chǎn)品圖片

1.1產(chǎn)品設(shè)計配合間隙

采用機器人自動焊接的主要難題是產(chǎn)品的配合尺寸不穩(wěn)定，零件（組件）之間的配合間隙難以控制。N111產(chǎn)品設(shè)計縱梁與4根鋼管橫梁之間的配合間隙如圖3所示，從圖中可以看出，鋼管①與縱梁的設(shè)計間隙為1 mm，鋼管②③④與縱梁的設(shè)計間隙為2 mm.

圖3　N111產(chǎn)品設(shè)計縱梁與4根鋼管橫梁的配合間隙

1.2產(chǎn)品實際配合間隙

實際的產(chǎn)品由于制造的條件的限制，無法保證零件實際的配合間隙與設(shè)計的配合間隙保持一致，零件受制造、裝配、檢測、夾具磨損及運輸過程中變形導致實際尺寸與設(shè)計尺寸相差較大。我們考察了零件供應(yīng)商生產(chǎn)的U型縱梁，發(fā)現(xiàn)其平行邊的平行度和底邊的垂直度沒有很有效檢測保證；現(xiàn)場用塞規(guī)檢驗①②③④號鋼管的管孔，發(fā)現(xiàn)在塞規(guī)插入時，塞規(guī)和零件檢測孔周向明顯存在間隙不均勻現(xiàn)象，最大間隙差達1 mm左右。另外在鋼管組件的焊接加工過程中，也存在零件的彎曲變形。

為此選取了兩組裝配好的樣本，測量它們的實際配合間隙。以白車身尾端板指向前防撞梁為坐標系X向，在鋼管與縱梁配合處取4個測點a、b、c、d，利用塞尺測量4個測點的實際裝配間隙。測量結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示①④號鋼管與U型縱梁的配合間隙比較穩(wěn)定，④號鋼管與縱梁配合良好基本上塞尺無法插入配合間隙處，而②③號鋼管與U型縱梁的配合間隙不穩(wěn)定，最大的間隙差達到2.2 mm，對于機器人自動焊接產(chǎn)生很大的影響。

（續(xù)下圖）

圖4　N111產(chǎn)品縱梁與4根鋼管實際的配合間隙

2　實驗結(jié)果

2.1試片實驗

為了驗證N111四根鋼管橫梁與縱梁機器人CO2自動焊接的可行性。我們分別做了試片試驗及實際零件焊接試驗，試片試驗分別做了對接焊縫及角焊縫。為了與產(chǎn)品的厚度匹配，選取試片的厚度為1.5 mm.

圖5所示為1.5 mm對接試片機器人CO2自動焊接結(jié)果，焊接參數(shù)為電流160 A、電壓17 V、焊接速度10 mm/s.可以看出1.5 mm對接試片可以形成很好的焊縫，沒有出現(xiàn)咬邊、燒穿等焊接缺陷。圖6 為1.5 mm角接試片機器人CO2自動焊接示意圖。總共實驗2組，焊接參數(shù)分別為電流100 A、電壓15 V焊接速度7 mm/s及焊接電流160 A、電壓17 V、焊接速度10 mm/s，如圖7所示。

圖51　.5mm厚度對接試片機器人CO2自動焊接結(jié)果

圖61　.5mm厚度角接試片機器人CO2自動焊接示意圖

圖71　.5mm厚度對接試片機器人CO2自動焊接結(jié)果

從圖7可以看出1.5 mm角接試片機器人CO2自動焊接，當焊接參數(shù)為電流100 A、電壓15 V焊接速度7 mm/s及焊接電流160 A、電壓17 V、焊接速度10 mm/s時，角接試片均不能形成很好的焊縫，出現(xiàn)了咬邊、塌陷等焊接缺陷。

而先采用較小電流打底，再用較大電流進行補焊，進行多道焊接時可以形成質(zhì)量較好的焊縫，可以避免上述缺陷，焊接是首先采用焊接規(guī)范為電流100 A、電壓13 V焊接速度5 mm/s進行打底焊接，再采用焊接規(guī)范為電流100 A、電壓15 V焊接速度7 mm/s進行補焊，焊接結(jié)果如圖8所示，可以形成質(zhì)量較好的焊縫。

圖8　先采用較小電流打底，再用較大電流進行補焊

2.2現(xiàn)場零件焊接實驗

試片焊接實驗可以得到較好的結(jié)果，而零件生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)由于零件尺寸、運輸、裝配等因素，使得現(xiàn)場裝配間隙與試片的狀態(tài)還是有很大的差別。故而我們還進行了現(xiàn)場實車的機器人CO2自動焊接。首先采用焊接規(guī)范為焊接電流150 A、電壓18 V、焊接速度0.5 m/min進行機器人CO2焊實驗，實驗結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出鋼管與大梁焊接后的熱影響區(qū)不均勻，沒有形成圓形狀，實驗結(jié)果不是很理想。

圖9　焊接電流150A、電壓18v、焊接速度0.5m/min

所以臨時將焊接方法調(diào)整為MAG焊（Ar90% +CO210%），采用的焊接規(guī)范為焊接電流150 A、焊接壓力16.5 V、焊接速度0.53 m/min.焊接結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出鋼管與大梁可以形成很好的焊接接頭，沒有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊接質(zhì)量很好。對比現(xiàn)場員工的手工焊接，需要員工具備很高的焊接技能，現(xiàn)場為分段焊接（左右手各焊一段），員工的工作環(huán)境惡劣，并且焊接成品的質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖10　焊接電流150A、焊接電壓16.5v、焊接速度0.53m/min

3　焊接可行性分析

采用機器人弧焊需要良好的焊接條件，特別是被焊零件之間的間隙需要滿足一定的條件。一般來說焊接薄板時，焊接間隙一般不超過焊絲直徑的二分之一，而焊接中厚板（2.5 mm～4 mm）時焊接間隙一般需要控制在1.0之內(nèi)。另外中厚板還可以采用多層多道焊。焊縫位置誤差一般應(yīng)控制在0.5之內(nèi)。

對于N111非承載式車身前后車架焊接部位，縱梁板厚為1.8 mm，管件壁厚為2.2 mm～2.5 mm，由于是角接，間隙控制在1.0 mm之內(nèi)，可以達到很好的效果。而焊接間隙在1.5 mm內(nèi)，也是可以焊接的。從之前檢測①②③④號鋼管與大梁的間隙數(shù)據(jù)來看，前車架①號管和縱梁間隙最大為1.7，②④管的間隙最大為1.4 mm，而③號管的配合間隙最大為3.5 mm.在損失工作效率的情況下，也勉強可以進行焊接，但是最大困難是間隙大小在焊縫圓周分布是離散分布的，這個情況采用機器人焊接很難，而采用跟蹤系統(tǒng)，目前設(shè)備的智能判斷、智能多道焊判定、智能焊接參數(shù)匹配似乎還不成熟。從前車架①號鋼管的焊接情況來看，由于理論間隙是1 mm，即使單邊也不會超過2 mm，采用MAG焊能夠取得比較好的效果。

4　結(jié)束語

經(jīng)上分析，得出：

（1）對于前車架，在目前的狀態(tài)下，采用MAG焊，重新設(shè)計夾具，工作站配置變位機，是可以實現(xiàn)機器人自動焊接并達到較好效果。

（2）對于后車架，在目前零部件狀態(tài)下，尚不具備機器人自動焊條件。建議控制產(chǎn)品零件組件的精度，縮小配合公差，穩(wěn)定不均勻間隙離散度后實施。

參考文獻：

［1］王克鴻，周琦.重型車輛弧焊機器人自動焊接技術(shù)［J］.國防制造技術(shù)，2009，06（3）:28-37.

［2］譚一烔，周方明.焊接機器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電焊機，2006，36（3）:6-10.

［3］陳本善，呂娜.焊接智能化與智能化焊接機器人技術(shù)研究進展［J］.電焊機，2013，43（5）:23-36.

［4］宋金虎.我國焊接機器人的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀［J］.電焊機，2009，39（4）:18-19.

［5］陳華斌，黃紅雨.機器人焊接智能化技術(shù)與研究現(xiàn)狀［J］.電焊機，2013，43（4）:8-15.

Analysis the Feasibility of N111 Non-Bearing Body Robot Automatic Welding

QIN Zhi-wen1，LAI Xiao2，XIE Chen-yang1
（1.SAIC GM WULING automobile co.，LTD technology center，LiuzhouGuangxi 545007，China；2.Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：Through the understanding of automotive（parts，components and sub assembly） structure and production situation of by product welding test，by comparing the experimental results and theoretical analysis，analysis the feasibility of the body frame robot automatic welding.

Key words：body-in-white；welding；robot automatic welding

中圖分類號：TH162

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0029-03

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：秦志文（1976-），男，廣西博白人，中級工程師，研究方向：電氣自動化。