自行車車架焊接的自動化發展研究

肖磊 吳宗江 楊麗 高黨尋 耿娜

（1.中國自行車協會 北京 100079；2.清華大學基礎工業訓練中心 北京 100084；3.江蘇師范大學電氣工程及自動化學院自動化系 江蘇 221116）

1 前言

中國自行車行業經歷了由小到大、由弱變強的跨越，經歷了抗擊國際金融危機，依然保持平穩健康發展的挑戰。行業經歷了調整振興、轉型升級、轉向高質量發展的變革，整體面貌發生了巨大變化，創造出了輝煌的業績，成就了世界自行車生產大國、出口大國、消費大國的地位。面對不利因素，行業團結一致，奮力拼搏，取得了疫情防控和行業平穩發展的雙重勝利。根據各主產區行業協會調查統計并結合國家統計局規模以上企業數據，2020 年，我國自行車產量為7 527.5 萬輛，同比增長15.8%；2020 年，我國自行車出口6 029.7 萬輛，同比增長14.8%；2020 年，我國自行車出口額為36.48 億美元，同比增長28.1%。

焊接是自行車加工中必不可少的一種工藝方法，在自行車制造中有著廣泛的應用。在自行車的零部件制造中，常用的焊接方法有點焊、氣焊、焊條電弧焊、手工氬弧焊、自動氬弧焊、手工CO2氣體保護焊、自動CO2氣體保護焊、激光焊、釬焊等，其中氣體保護焊工藝經常與自動化設備相結合，組合成機器人自動化焊接生產工作站，具有自動化程度高、工件質量穩定、焊接生產效率較高等特點，被廣泛應用于各主要自行車生產廠家。

2 自行車焊接新技術的應用

2.1 CO2氣體保護焊（MAG）

CO2氣體易于生產，成本較低，價格便宜，是最理想的焊接保護氣，因此成為各個自行車生產廠家最常用的焊接保護氣體。廠家在使用常規焊接電源時，采用短路過渡技術焊縫成形良好，但焊接熔滴過渡方式易產生焊接飛濺，所以一般會采用優質焊機，選取合適的參數，以使飛濺降低到最小的程度。CO2氣體保護焊與焊接機器人相結合，可實現自行車車架或零部件的自動化焊接。青島職業技術學院的毛現艷等人通過采用仿真軟件對自行車車架后三角自動化焊接進行設計與仿真，根據生產線布局，設計自行車車架工件的焊接工藝流程；通過建立生產線布局，設計焊接工藝流程，并利用西門子Process Simulate 軟件對自行車車架后三角按照焊接流程進行仿真測試。仿真驗證，證明對自行車車架后三角實現自動化焊接的設計方案是可行的。這對于以后實現自行車車架后三角自動化焊接的升級改造具有借鑒意義[1]。

2.2 熔化極惰性氣體保護焊（MIG）

在焊接保護氣中添加氬氣或氦氣氣體保護焊接的工藝，被稱為熔化極惰性氣體保護焊，簡稱MIG。這種焊接方法是利用氬氣或富氬氣體作為保護介質，采用連續送進可熔化的焊絲與燃燒于焊絲工件間的電弧作為熱源的電弧焊。這種焊接方法的焊接質量穩定可靠，適于焊接鋁、鎂、鈦及其合金等有色金屬車架及零部件，焊接生產率高。采用自動化焊接時，焊接過程參數穩定，易于檢測及控制。與CO2氣體保護焊相比，MIG 具有以下的優點：在氬氣或富氬氣體保護下的焊接電弧穩定，焊縫成形均勻、美觀。電弧氣氛的氧化性很弱，甚至無氧化性，減少了焊后表面處理的工作量，提高了焊接效率。MIG 焊接鋁、鎂等金屬是采用直流反接方式，具有良好的陰極霧化作用，可有效去除金屬表面的氧化膜，提高接頭的焊接質量。

在使用MIG 焊接車架時，操作人員需注意脈沖焊的質量，保證上管和下管的焊道能夠焊透。根據江蘇檢驗檢疫自行車檢測中心袁興啟、王景的研究，當車架采用脈沖焊接方式時，如焊接時滲透嚴重不足，焊接熱影響區有輕微過熱跡象，則焊接件的疲勞測試壽命嚴重不符合標準要求。根據自行車行業的經驗，脈沖焊接制作車架易存在強度不足等缺陷，故不推薦在車架焊接時使用脈沖焊[2]。

2.3 非熔化極惰性氣體保護電弧焊（TIG）

非熔化極惰性氣體保護電弧焊簡稱TIG，是在惰性氣體的保護下，利用鎢電極與工件間產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。焊接時，保護氣體從焊槍的噴嘴中連續噴出，在電弧周圍形成氣體保護層隔絕空氣，以防止其對鎢極、熔池及鄰近熱影響區產生有害影響，從而可獲得優質的焊縫。保護氣體可采用氬氣、氦氣或氬氦的混合氣體，操作人員可以采用手工焊及自動焊兩種方式，焊接鋁、鎂及其合金時一般都采用交流電源。鎢極氬弧焊可用于幾乎所有金屬和合金的焊接，但由于其成本較高，在自行車行業中通常多用于焊接鋁合金車架、鎂合金車架以及鈦合金車架等生產附加值較高的中高端自行車。湖南機電職業技術學院的易傳佩通過基于焊接數值分析軟件SYSWELD，模擬了鋁合金電動自行車車架前管和連接管的鎢極氬弧焊過程，其研究結果可為鋁合金車架實際焊接生產中制定殘余應力的防治措施提供依據[3]。

3 自行車焊接新材料的發展趨勢

自行車車架的發展始終朝著高強度輕量化的方向前進，新的材料不斷地應用在傳統自行車上，鋁合金、鎂合金、鈦合金和碳纖維等材料在不斷地取代傳統的碳鋼車身材料。新材料的應用，也對焊接提出了更高的要求。

3.1 鋁合金焊接

鋁合金車架具有質量（重量）輕、塑性好、耐腐蝕等優點，在自行車行業應用較多。自行車所使用的鋁合金多數 為6000 系（A-l Mg-Si）和7000 系（A-l Zn-Mg-Cu）兩種。日本生產的部分自行車的車架、車把是用冷拉的5056 鋁合金無縫管制作的[4]。

鋁合金焊接時，由于材料的熱導性較好，因此其熱輸入量應相較鋼材焊接時的熱輸入量大。由于鋁合金表面有一層致密的氧化膜，如焊接時未將氧化膜徹底清除，將會在焊縫中形成焊接缺陷。采用鎢極氬弧焊的方式焊接鋁合金時，操作人員可采用交流電源，在具有較高的熱效率和鎢極承載能力的同時，可借助“陰極破碎作用”清除鋁合金表面上的氧化膜，使焊接得以順利進行，并獲得光亮美觀的焊縫表面，因此鎢極氬弧焊在鋁合金車架焊接中應用較多。

3.2 鎂合金焊接

鎂合金具有低密度、高比強度和高比剛度等性能，因此其比大多數的金屬材料更適合應用于運動部件上。同時鎂合金具有優異的變形及能量吸收能力，用于與人體直接接觸的部件時可以加強使用的舒適度，因此鎂合金已作為結構部件廣泛應用于自行車輪轂、車把夾、腳踏板、手把、前叉、車架等部件。國內外知名自行車生產廠商都開始提供鎂合金部件。我國的自行車生產廠商已將大量鎂合金零部件應用于自行車中高檔產品上[5]。

鎂合金焊接性能較差，且添加不同元素的鎂合金的焊接性能有差異，焊接時需要提供很好的氣體保護，否則易被空氣中的氧氣、氮氣等氧化；鎂金屬在高溫下易蒸發（鎂的沸點為1 100 ℃）、熱膨脹系數大，因此焊接過程中會出現較大的應力變形和裂紋，需在焊接時注意控制焊接熱輸入量。鎂合金的焊接一般采用鎢極氬弧焊的方式。

3.3 鈦合金焊接

鈦合金具有質量（重量）輕、強度高、韌性好、耐腐蝕等特點，近年來越來越多被應用于高端自行車上，是自行車高端化的標志。

鈦合金的焊接對于保護氣體的條件要求特別高，少量的N2或O2即可使鈦合金焊縫接頭變脆，因為鈦合金的焊接必須采用純度較高的惰性氣體進行保護。鈦合金可采用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、等離子弧焊和激光焊等方式焊接。

4 自行車焊接發展趨勢

2020 年雖受疫情影響，但我國自行車生產量及保有量均保持穩定增長。預計2021 年自行車市場仍將保持穩定增長，總產量略有上升，整體市場將繼續維持穩定。

綜合分析，自行車未來的焊接發展方向依然為自動化和高精度機器人焊接工作站，弧焊機器人的應用將在自行車制造行業得到更大規模的應用。計算機焊接模擬軟件和有限元分析的應用，將為自行車產品焊接質量的穩定和行業新品的研發，提供更為有力的保障。