柔性焊接生產線在汽車與軌道交通領域的應用

伴隨我國汽車與軌道交通行業的快速發展，在車型更新換代速度加快的同時，客戶對產品性能要求也不盡相同，這對汽車與軌道車輛生產線的柔性化提出了更高的要求。為了更好地了解目前我國汽車與軌道交通領域柔性焊接生產線的應用情況，以及柔性焊接生產線對焊接裝備及焊接材料的要求，本期特邀在相關領域工作的技術人員，以柔性焊接生產線為主題進行交流探討，供廣大讀者共同學習和借鑒。

本期策劃 張維官 王 穎

柔性焊接生產線的系統組成及優勢

王立夫：軌道車輛用自動焊柔性化焊接生產線主要由焊接機器人系統、焊接工藝裝備系統、物流運輸及控制系統和水電氣等焊接輔助系統等組成，如圖1所示。

軌道車輛用自動焊柔性化焊接生產線系統的各子系統由各種設備、工具、材料等結合軌道車輛具體部件的焊接生產而相互銜接，形成一條整體的車體部件焊接生產流水線。

各子系統的主要設備組成如下：

（1）焊接機器人系統 電焊機和焊接機械手是焊接機器人系統的核心設備，它們通過焊接機器人控制系統（單元）集成鏈接，實現軌道車輛部件的自動焊接和實時調節及自動控制功能。此外，焊接機器人系統還包括激光跟蹤校正器、手動操作示教器等設施，用于人工手動調整及系統設備校驗。

（2）工藝裝備系統 焊接工裝、夾具、液壓或風壓系統等構成柔性化焊接生產線的工藝裝備系統。焊接工裝包括工裝骨架或底座、安裝滑塊、定位塊、限位檔及定位銷等部件，可根據焊接部件形狀或輪廓柔性化調節以適應不同產品的焊接生產。

（3）物流運輸及控制系統 物流運輸包括焊接前物料準備和運輸、焊接生產時部件的翻轉和調整及焊接完成后部件的流轉運輸，從物料到焊接部件的流水線式運轉由物流控制系統整體控制，根據焊接生產計劃制定物流節奏。

（4）焊接輔助系統 主要由冷卻水、焊接保護氣體、風道打磨及焊接接地裝置等組成。

圖1 柔性化焊接生產線系統

采用柔性化焊接生產線系統，可實現車體部件的流水線作業，同一柔性化焊接生產線系統可根據焊接部件尺寸和輪廓，對定位塊及夾具進行簡單調節就可用于焊接生產，大幅度降低工裝制造成本，節約焊接工藝準備周期，提高生產效率。

朱美迅：汽車焊接生產線主要由焊接設備、工裝夾具、運輸軌道、EMS系統及控制系統組成。我公司目前擁有國內整車制造較為先進的柔性化焊接生產線，主要概況如下。

（1）焊接設備 我公司仍然以電阻焊為主，其他弧焊、激光焊為輔，擁有189臺焊接機械手，實現了百分百的自動化焊接。

（2）工裝夾具 對車型共用化夾具開發有較高的要求：側圍、地板各車型差異性較大，采用不同的臺車夾具面；主線車身共用臺車（見圖2），以夾具旋轉切換的方式實現車型區分。我公司目前生產的幾款主力車型福瑞迪、K2、K3、K5以及前期的賽拉圖都是采用這樣的生產線技術制造。在車身合成方面，我公司采用四面體旋轉的方式實現不同車型的車身合成，目前擁有兩個合成工位，最大可實現8種車型混線生產。

圖2 主線臺車共用化

（3）運輸軌道 我公司采用往返SHUTTLE實現臺車的工位移動，每條線有兩臺伺服電動機來控制臺車移動的精度。另外，我公司擁有完善的EMS系統以滿足多車型混線生產的比例及產量分配。

柔性化焊接生產是未來汽車制造的大趨勢，其最主要的優勢體現在三方面：①共用的設備平臺實現對生產成本的有效控制。②最小成本地實現車型改造。③能隨時根據市場需求，實現多車型生產的比例分配。

姚 磊：與傳統的焊裝線一樣，柔性化焊裝線通常也有輸送系統、焊接設備、工裝夾具三大主要組成部分。由于要實現多款車型的柔性化共用，所以對三個組成部分都提出了更高的要求。我公司最新的柔性化焊裝線可以滿足6款車型的共線，線體輸送采用的是高速輥床與臺車系統，其中臺車可以通過切換定位機構實現不同車型共用，通過高速輥床實現臺車在線體工位之間流轉。高速輥床在工位之間的輸送速度可以達到5.7s，最大負載2000kg，采用閉環編碼系統控制X向重復定位精度，具有高速、高效、高精度的優點。

焊接設備方面，整條焊裝線采用的都是機器人搭配伺服焊鉗，機器人焊接不僅焊接速度快、適應性強、穩定性高，而且更能符合柔性化的要求。通過快速切換焊槍和抓具，滿足不同車型的焊接要求，這是人工焊接所不能比擬的優勢；伺服焊鉗相比傳統的氣動焊鉗具有焊接速度快、焊接穩定性好的優點，可以將自動化焊接的優勢更好地發揮出來。

工裝夾具方面，通過夾具在庫區和焊接區域的換位，可以很容易的實現車型切換，通過高速伺服數字控制計劃，可以實現總拼工位等夾具的高速和高精度運動控制，適應多種車型的高速切換。相比通常單一平臺車型的焊裝線，柔性化焊裝線優勢很明顯，可以實現廠房、人員、設備等高效利用，是目前主流車廠商大力發展的新型焊裝線模式。

柔性焊接生產對焊接裝備的要求

王立夫：軌道車輛用自動焊柔性化焊接生產線的特點是同一條生產線通過對工裝及設備簡單的調整，就能實現不同車體部件的焊接生產，減少工藝準備時間，提高生產效率，保證產品質量。柔性化焊接生產線對焊接電源、焊接機械手、工裝夾具等焊接裝備的使用性能和裝備之間銜接性要求較高，以實現軌道車輛車體部件快速高效的流水線焊接生產。

（1）焊接機器人系統性能 ①焊接機械手采用可360°旋轉的懸臂式或龍門式雙槍焊接機器人作為主體支撐，并且機械手均具有6軸旋轉能力，以適應不同部件的各種焊接位置調整。②焊接電源為每個焊槍的每根焊絲（單槍雙絲或雙槍雙絲機械手）均有單獨的電焊機單獨控制，通過控制單元整體控制焊接熱輸入，且每一根焊絲焊接過程中的熱輸入均可根據焊縫形式單獨調整焊接參數，既可避免雙絲焊接時的電弧干擾，又有利于控制焊縫焊接質量。③整個柔性化焊接生產線的焊機接地線，焊接時均由接地鉗與工件相連接，通過電纜線導入接地導軌，實行統一接地。④每個焊接機器人系統有獨立的控制單元，所有的機器人系統均留有數據接口，根據生產需要，可以通過乙太網實現集成控制。

（2）焊接工藝裝備系統性能 ①工裝骨架或底座安裝在可360°旋轉的變位機上或可滑動的導軌上，實現工裝基體的翻轉或調整滑動，并且工裝骨架或底座上設置滑槽。②安裝滑塊與工裝骨架或底座上的滑槽通過T型螺栓連接和固定，安裝位置可根據需要滑動調節，安裝滑塊上同樣鋪設有滑道。③定位塊裝配在安裝滑塊的滑道上，定位方式與安裝滑塊相同，并且定位塊上可根據部件焊接時的變形規律，設置不同的焊接反變形量。④液壓或風壓系統的壓臂長度可調節，且壓臂的懸臂可實現360°旋轉，用以壓夾不同方向的部件和位置。⑤根據不同焊接部件的結構和外輪廓尺寸，可通過更換定位塊、調整安裝滑塊距離及壓臂位置，實現工裝與焊接部件快速匹配，達到一套工裝可焊接多類部件的目的。

朱美迅：柔性化焊接生產線的最大柔性取決于各個組成系統的柔性程度，而焊接設備又是實現最大柔性化生產的關鍵。

首先，柔性化的焊接生產線在建廠初期，對車型及產能設計上就要有清晰的規劃，細化到焊接設備上，在焊接電源、焊鉗、機器人及工裝夾具的穩定性和精度上提出較高的要求。我公司從2007年投入生產以來，已經成功生產出賽拉圖、歐風、福瑞迪、K2、K3、K5六種車型，UPH從33逐步提升到目前的68，達到年產30萬輛的生產能力，這都歸結于我公司的柔性化的焊接生產線。為了保證焊接電源的穩定性，我公司目前已采用中頻直流焊機進行點焊；另外，由于多車型的生產，在車身板材配合方面有更多的組合，所以需要電阻焊機的TC盒能夠容納更多的焊接參數存儲。目前，我公司主要采用韓國CHOWEL品牌的WELCOM—1000焊機，最大可容納255組焊接參數，可實現焊接過程中的電流、焊接時間的自動補償（見圖3）。

圖3 CHOWEL品牌的WELCOM—1000焊機

在焊鉗的選擇上，為了實現多角度的焊接，對焊鉗結構、形狀提出更多的要求，并且為了配合焊接參數的多樣化，需要摒棄傳統的氣動焊鉗，通過伺服焊鉗來實現焊接電弧壓力的多樣化選擇，以實現焊接毛刺、焊渣的減少，從而提高焊接品質。

在機械手的選擇上，為了實現多空間，多角度位置的焊接，選擇6軸以上的機器人，末端承重力量要與焊鉗重量相匹配，目前我公司主要采用KAWASAKI D系列控制器的機器人（見圖4）。柔性化生產線，機器人焊接占主導，為了減少管理機器人的成本，可以在末端焊鉗上安裝水感應器，對焊接電極脫落及水壓不足等問題及時報錯。

圖4 KAWASAKI的焊接機器人

為了保證焊接的精度，承載車身的臺車夾具通過HOOK PIN實現位置定位。

金昌海：舉個例子來說明柔性焊接生產線對焊接裝備的要求，比如，小型焊接機械手在工作周期中電弧時間所占的比例較大，因此焊接電源暫載率應達到100%，保證足夠的電源容量。

另外，由于焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態及焊接參數都要求精確控制，所以焊接機械手除了一般的功能要求外，還必須具備一些適合焊接要求的功能。比如“Z”字形焊接或大坡口焊縫焊接時，其軌跡應能貼近示教的軌跡之外，還應具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，焊接機械手也應自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。

送絲機構可以裝在機械手的上臂，也可以放在機械手之外，前者焊槍到送絲機之間的軟管較短，有利于保持送絲的穩定性，而后者軟管較長，當機械手把焊槍送到某些位置，使軟管處于多彎曲狀態，會嚴重影響送絲的質量，所以送絲機的安裝方式一定要考慮保證送絲穩定性的問題。還有更重要的是焊接設備的可靠性以及維護性，頻繁的設備故障會嚴重影響正常的焊接生產工期以及焊接質量，更談不上什么柔性化焊接生產線了。

姚 磊：對于組成柔性化焊裝線的工裝以及設備，以下幾個要求是必須要滿足的：

（1）要能滿足多款車型的同時混線生產，這個是焊裝線柔性化實現的前提 車型的生產首先取決于市場的需求，焊裝線所生產的車型要與營銷系統的需求相匹配，因此在單日的生產計劃并不一定只有一種車型，而是會出現多款車同時混線的局面。

（2）要能實現快速生產 柔性化生產線同時負責多款車型的生產，生產綱領的累加決定了對生產節拍的要求是十分苛刻的。

（3）要能實現不同車型的快速切換 這與以上兩點是息息相關的，不同車型的混線生產以及高速生產的要求，決定了車型在進行切換的時候必須簡單、快捷、高效。

以上幾點要求也就決定了工裝和設備的選擇方向。第一，工裝夾具要能夠實現高速和高精度切換，避免切換過程浪費生產節拍。而且除總拼等工序外，盡可能多的選用抓具取件和定位焊接，因為抓具的切換可以通過機器人攜帶的切換機構快速實現。第二，焊接設備要能滿足不同車型要求，最好是采用機器人自動化焊接，因為可以通過與生產線PLC控制程序的一體化對接，自動根據不同車型來切換焊鉗和選取相應的焊接參數，可以獲得更高的焊接區域和更好的焊接質量。第三，輸送系統在工位間的輸送必須要快速，避免輸送環節過多占用生產節拍。

陸建聚：以某后橋焊接柔性化生產線為例，橋殼焊接工藝為：氣孔護蓋焊接→縱縫焊接→后蓋環焊→鏜兩端→附件焊接→法蘭頭環焊→試漏調直→下線。各工藝環節的設備配置如附表所示。

各工藝環節的設備配置

將各工序中對焊接裝備的需求分別介紹如下：

（1）點焊氣孔護蓋 點焊氣孔護蓋以往多采用人工移動工件，在座焊機上焊出5個焊點，但該設備現在通過在座焊接安裝一個十字滑臺的工裝，并安裝有手工扶持的把手，只要將橋殼安裝在夾具上，移動滑臺扶手，就能自動焊接出5個焊點。采用十字滑臺的工裝，不但操作方便，還能適用于多種橋殼氣孔護蓋的焊接。

（2）橋殼縱縫焊接 該工序在設計時很是糾結，因為該工序焊縫長度長，焊接時間長，生產節拍慢，效率低，同時橋殼在焊接后會產生焊接熱變形。如果選擇焊接專機來焊接，則只能焊接一種零件，經過多方論證，我們選擇了雙工位雙機器人來焊接。該設備主要由兩臺焊接機器人和三軸大翻轉變位機組成，夾具采用兼容、可切換夾具。在工裝站里面，機器人可以不停地焊接，工作站外面，工人可以同時上下料，互不干涉，這樣大大提高了設備的利用率。同時工作站采用雙機器人，兩邊可同時焊接，減少了零件焊接后變形。更重要的一點，就是夾具可以快速更換，如果在需要生產其他型號后橋殼的時候，只需把焊接夾具切換下來，換上另外型號的夾具，就可以生產其他產品。

（3）后蓋環焊接 該工序主要采用自脹芯的后蓋環焊機，環焊機可以自動脹芯，可以適用于不同型號的橋殼后蓋焊接（見圖5）。

圖5 后蓋焊接

（4）橋殼雙頭鏜 該工序采用通用臥式雙頭鏜床，來切斷橋殼兩段的加工余量和粗鏜內孔，保證橋殼的長度和方便法蘭頭壓裝。

（5）采用機器人附件焊接 附件焊接工序主要采用雙工位機器人工作站焊接，該工作站通過采用三軸大翻轉變位機，提高焊接自動化和高效率的焊接水平。工作站里面焊接，外面裝夾零件，機器人左右同時焊接，既能保證焊接速度，又能減少焊接變形。在焊接其他型號產品的時候，只要把兩邊的夾具拆卸下來，換上別的夾具，就可以生產其他型號的產品。

為了滿足節拍，將附件焊接分成兩部分，采用兩個機器人工作站進行焊接（見圖6）。

圖6 附件焊接設備

（6）法蘭頭環焊 該工序主要使用法蘭頭焊接專機進行焊接，該專機通過采用反扣夾緊原理，通過保證設備兩端頭的平面垂直度和脹芯同軸度，通過液壓夾緊力，將法蘭頭緊緊扣在高精度的兩端頭上，從而保證了法蘭頭與橋包焊接后的垂直度和同軸度。該設備兩端有定位脹芯，如果需要切換其他產品時，只要通過更換定位脹芯，并移動焊槍位置，就可以生產其他產品。

（7）氣密性試驗（俗稱試漏） 試漏崗位主要采用通用濕式試漏機，采用橡膠堵住兩端就可以試漏，在換型時，只要更換兩段橡膠即可。

（8）矯直 橋殼在一系列的焊接工序后，未免會產生熱變形，故在最后的工序，需要通過外力來矯正焊接變形，所以就有了矯直工序。矯直工位采用單柱液壓機，通過V形夾塊支撐，如果換型生產，只要移動V形夾塊位置即可。

柔性焊接生產對焊材的要求

王立夫：在軌道車輛用自動焊柔性化焊接生產線中，車體部件主要采用焊接機器人自動焊接，焊接填充材料采用φ1.2mm或φ1.6mm的盤狀焊絲，軌道車輛車體自動焊用鋁合金焊絲按GB/T 10858—2008標準規定執行。

焊絲的包裝及檢測：鋁合金焊絲使用前應保證密封包裝（對于需要海運的，需采用適合海運的包裝），如果焊絲包裝袋出現破損，應通過焊接試驗確定是否可用，沒經過檢測的焊絲禁止用于焊接生產。焊絲使用前應保證表面光亮無氧化、光潔無污染、光滑無凹痕。

焊絲日常儲存：應存放在專門的庫房內（溫度≥18℃，相對濕度≤60%）；在濕度較大（＞50%）情況下，如果焊絲一次未使用完，應做好標識并封裝好送回干燥室保存。

圖7 CMT焊機配合大桶焊絲

朱美迅：我公司生產車身應用CO2弧焊焊接較少，采用奧地利的CMT焊機（見圖7），能有效減少焊接飛濺，保證焊接位置和出絲的穩定性，主要分布在車身的弧形面及接頭搭接處，由于車身的配合精度較高，一般選用φ0.8～φ1.0mm的焊絲。由于是機械手焊接，所以在焊絲的包裝上盡量選擇大桶焊絲，以減少更換焊絲的頻次。

金昌海：柔性焊接生產線對焊材的要求很高。比如高鐵鋁合金車輛焊接用鋁合金焊絲，目前世界上還沒有發明鋁合金焊接接頭跟母材等強度的鋁合金焊絲。即便是這樣，高速列車上實用的鋁合金焊絲均是進口的。因為靠進口，購買周期較長，焊絲庫存多。從焊接質量考慮，實際生產當中，焊絲批號越新越好。國內焊絲制造工藝不比國外差，主要還是冶金、熱處理技術跟國外比有一定差距，從某種意義上講，嚴重影響鋁合金焊接技術的發展。國家應專門成立研究機構，盡快解決這一難題，實現鋁合金焊絲的國產化指日可待。

姚 磊：當前大多數汽車車身的生產，都會或多或少的應用到CO2氣體保護焊，這主要與CO2氣體保護焊本身的焊接使用范圍廣、適合批量生產、成本低、焊接操作簡單等有關。因為汽車車身的焊接均是薄板件，板厚一般在0.7～2.5mm之間，板件的材質多為普通低碳鋼或者低合金鋼，焊絲通常為H08Mn2SiA。在柔性化焊裝線中，CO2氣體保護焊可以與機器人系統進行繼承，通過程序來控制CO2氣體和焊絲的自動化輸送，將通常需要用人工來完成的工序轉化為自動化工序，以此來提高生產效率。因為焊接位置可以通過程序的切換來執行，因此柔性化焊裝線中不同車型的切換對自動化CO2焊接工位來說是沒有任何問題的。

柔性焊接生產發展趨勢

王立夫：隨著軌道交通事業、特別是城市軌道交通運輸的迅速發展，對軌道交通列車的需求量不斷增加，但根據各城市地域文化差別，對軌道交通用車輛的要求各不相同，因此對軌道車輛用柔性化焊接生產線提出了更高的要求，以適應軌道交通綠色、智能、人文的發展。為此，軌道車輛用自動焊柔性化焊接生產線將向著更加節能、高效、系統化和高度集成化的方向發展，以滿足軌道車輛車體部件產品多樣化、流水線式快速焊接生產的要求。

朱美迅：發展柔性化焊接生產線是大勢所趨。在機械手的選擇上，必然向輕量化、精度更高、移動更加靈活的方向發展；焊鉗配備上，氣動焊鉗將逐步淘汰；另外，操作程序上，更加智能化，例如，更換焊鉗焊接電極時，實現一鍵開啟/關閉焊槍循環水等技術。當然，車型工裝夾具上，需要更高的設計水平，保證多車型的共用化夾具，配合臺車滑行系統的應用。我公司目前在生產側圍及地板上即采用了這種技術，但這種方式的弊端是占用空間較大，當然有些工廠，也可以使用旋轉夾具共用化配合抓件機器人的方式來生產側圍及地板，這樣可有效節約車間的空間。

在汽車市場競爭日益劇烈的今天，普通乘用車的性能、外觀同質化成為一種發展趨勢，比拼各自的生產成本將成為汽車制造生存的核心，柔性化生產的發展趨勢將不可改變。

金昌海：主要對焊接方法、設備、工裝、生產管理等方面進行分析。

（1）焊接方法 比如鋁合金焊接來說焊接方法種類少，多為MIG、TIG焊接，電阻點焊為輔助手段等，缺點是焊接接頭強度低。目前出現鋁合金攪拌摩擦焊接以及MIG+激光復合焊接等，但跟柔性焊接生產線要求還具有一定距離，提升空間很大。

（2）焊接設備 焊接生產線由于設備故障停產的事故時有發生。比如跟蹤系統出現故障，焊接偏離中心線，碰撞工藝裝備，弄壞焊槍，且由于進口設備維修周期長，影響焊接生產線的正常進度，所以焊接設備的穩定性是柔性焊接生產保證的重要指標之一。另外，焊接設備性能多樣化的提升空間也很大，這主要靠焊接設備的模塊化來實現。比如，設計具有不同焊接功能的專機，滿足不同用戶需求。

（3）焊接工裝 鋁合金長大型材的攪拌摩擦焊、不銹鋼的激光焊接、電子束焊接等對焊接工裝的要求很高。焊接工裝既能滿足焊接要求，又能實現自動化和通用性，是今后焊接工裝設計的未來發展趨勢。

（4）生產管理 控制焊接生產線過量生產、空手等待、加工本身、搬運物流、過多庫存、無效動作以及制造不良等七種浪費現象，是柔性焊接生產線需要永遠思考的課題。

姚 磊：柔性化焊裝線因其適用范圍廣、對市場的適應能力強、設備的利用程度高等優點，越來越多地被汽車企業所應用，與之相應的是一系列適用柔性化焊裝線的新設備和新技術高速發展。第一，柔性化程度越來越高，只要生產節拍能夠滿足，像我公司這樣滿足六款甚至更多車型生產的柔性化焊裝線會越來越多的被采用。第二，適應性越來越強。為了適應市場的需求，汽車的更新換代也是十分迅速的，而一款新車型的投產必然伴隨著新焊裝線的建立或者對原有焊裝線的改造。對柔性化焊裝線而言，因為要滿足不同車型的生產，工裝以及設備對車型的敏感程度低，通過少量的改造即可以適應一種新車型的生產。柔性化焊裝線的發展，就是要將這種改造的潛力更好的發揮出來，盡量減小車型換代的生產線投資。第三，柔性化焊裝線自動化程度越來越高，高節拍和高柔性化的要求，使得焊裝線越來越多的應用到自動化機器人。目前自動化生產線普遍存在的人工集中弧焊工位，會越來越多地被弧焊機器人所替代。目前大多由人工來完成的涂膠工序，也會越來越多的被涂膠機器人取代，類似這樣的一系列人工操作向機器人自動化操作轉變的工作，會使得柔性化焊裝線自動化程度越來越高，對人力資源的需求也會相應減少。