自动焊在汽车车身制造中的应用探讨

汽车车身一般由外覆盖件、内覆盖件和骨架件组成，覆盖件的钢板厚度一般为 0.8～1.2 mm，骨架件的钢板厚度多为1.2～2.5 mm，也就是说大都为薄板件。车身同时也是汽车上所有内外饰零件的安装本体，因其结构形状复杂，整车尺寸大，搭接接头多，刚性差，易变形，尤其是一些尺寸大、刚度小的薄
板冲压件，在焊接过程中产生的大的应力和变形，严重影响到车身制造质量和稳定性，因此也关系到汽车整车的装配精度及整车性能。电阻焊是汽车车身焊装技术中应用最多的，其中车身点焊是电阻焊的主要形式之一，汽车车身焊装用的点焊设备占全部电阻焊产品的 90 % 以上。

据统计，每辆汽车的车身（车身总成及车身部装件）大约有 4000～5000 个焊点。焊装生产线主要由输送部分、工装夹具部分、设备及其他辅助设备等组成，是实现从冲压零部件到焊接组合件到白车身总成的重要工艺，以往国内车身焊接设备主要以劳动强度较大、生产效率低的悬挂式手工点焊钳为主，但随着消费者对汽车质量和性能要求的不断提高，高质量、高水平的自动化焊接变成了现代车身焊接技术的发展方向。自动焊钳是一种应用于汽车车身焊装线上的新型点焊设备，它是由汽缸等机械装置驱动焊钳实现多个点的焊接，与传统悬挂式点焊机相比，它具有使用可靠、故障少、性能稳定、焊接质量好的优点；与点焊机器人相比，具有成本低、回报高、结构轻巧、焊接接近性好的特点。因此，自动焊钳满足了我国车身焊装技术的发展需求，现在上汽通用五菱汽车股份有限公司焊装生产线上得到越来越广泛的应用，例如 N5(SPARK)、N200(五菱宏图)、N300（五菱荣光）和 CN100 等车型均应用该技术。

1、自动焊钳的结构和种类

自动焊钳由钳体、电极臂和气缸三部分组成。焊钳钳体是采用优质铜材、预埋紫铜冷却水管浇铸而成，钳体要求强度高，导电性良，冷却性好，以保证焊钳在正常使用时的良好冷却效果；电极臂采用优质铬锆铜（CuCrZr- 1）加工而成，具有导电性能好、机械强度高等特点，保证了焊接性能的稳定性和提
高了焊钳的使用寿命；气缸一般采用铝合金制成，要求火塞杆的加工精度高，表面进行镀鉻处理，增加了耐磨性，密封性好，保证在焊接的过程中不发生漏气现象，从而保证焊接的电极压力。

自动焊钳按结构分主要为 C 型焊钳和 X 型焊钳，按加工方式分铸造式和铜管式两种。

1.1 C 型自动焊钳

A.电极臂; B.电极；C.握杆夹头；D.软电缆接线端；E.反应指针；F.汽缸前安装座；G.双行程汽缸；H.尾端安装座；I.弹簧 ；J.轭；K.调节弹簧 ；L.安装端面；M.导向杆；N.调节螺杆

图 1 C 型自动焊钳结构图

1.2 X 型自动焊钳

A.电极；B.电极臂；C.握杆夹头；D.软电缆接线端；E.双行程汽缸；F.连接轴；G.调节螺杆；H.握杆夹头；I.安装托架

图 2 X型自动焊钳结构图

2、自动焊钳的选型

自动焊钳是为焊装特定零件而设计、制造的专用焊接设备，安装在支座上实现的多把焊钳同时动作进行焊接。自动焊钳的选型，涉及到生产节拍的限制、设备布置空间需要和夹具的有效占用空间及输送机构等因素，故需要进行三维焊钳与夹具的焊接过程动态模拟，以提高选型的准确性，减少在焊接生产线调试过程中更换焊钳的现象。

自动焊钳的选型步骤：

（1）工艺设计人员对焊点进行分析，确定焊点的主要参数，包括数量、位置、幅度、重要程度等，涉及到与安全和法规有关的焊点除外；

（2）根据生产节拍和工位布置以及设备等因素，确定焊点在每个工位的焊接数量；

（3）对每个工位的焊点数量进行分组，即将 1 把焊钳在 1个工作节拍内完成的焊点分为 1 个焊点组，方便以后编制焊接生产工艺；

（4）焊点分组完成后即可进行焊钳选型。要确定焊点组的数量即焊钳型号的最小数量，确定那些焊点适合人工点焊，那些焊点不方便采用人工点焊或者不符合人机工程，需要采用自动焊接完成；根据工件的形状及尺寸确定自动焊钳的形式（X 形,C 形）及喉深、喉宽、汽缸行程、电极形状；自动焊钳的安装形式根据焊点分布位置和操作位置以及工件输送机构等确定；根据选定的焊钳型谱进行焊钳型号的选择，对于在型谱中找不到合适焊钳焊接的焊点，则需要重新设计焊钳与之匹配，自动焊钳型号在夹具总图设计完成之前应予确定。

3、自动焊在 CN100 下车体焊装线上的应用

注：前底板焊合总成板厚为 0.8mm；右大梁焊合总成板厚为 3.6mm

图 3 焊点截面示意图

图 4 CN100 车型下车体 3# 自动焊拼台

CN100 车型的下车体生产线分为 9 个焊接工位，在下车体 3# 工位主要实现前底板焊合总成零件的安装和定位焊接。为提高生产线的自动化水平，以及满足生产节拍和节约成本的要求，故采用空中输送小车来完成该零件的输送和安装，利用自动焊接技术完成该零件与左右大梁翻边的定位焊接（左右各 6 点），余下的焊点在下车体 4# 补焊工位完成，这样在下车体 3# 工位减少了操作工，在保证焊接质量和生产节拍的同时，节约了成本。

3.1 自动焊单元的设计过程

在下车体自动焊接单元的设计过程中，借助 UG 三维设计软件进行工装的建模，并对自动焊的焊接过程进行模拟分析，对可能出现的干涉部分等及时改进和优化，可提高设计效率，节约时间和费用，实现高质量、快速度、低成本的设计。首先，根据焊点的分布情况确定自动焊钳的为 X 型，以及焊点离零件边缘的距离（即 A 和 B）确定焊钳的喉深和喉宽；其次，根据零件的厚度以及焊钳的喉深确定焊钳气缸的直径。由于CN100 焊装线采用滑橇实现工件的水平输送，为了避免自动焊单元与车体输送线干涉，3 个自动焊钳采用串联回路，故采用二级运动机构，焊接时先平移前进，再焊接；3 点焊接完成后，先平移退出，再平移滑动，然后平移前进，再焊接 3 点；焊接完成后，先平移退出，系统进入下一工作循环，这样保证输送线的安全工作空间。

1.变压器 2.安装座 3.导电铜板 4.空冷无感电缆 5.自动焊钳 6.限位座 7.连接铜板 8.直线导轨 9.安装架 10.汽缸 11.油压吸振器 12.底座 13.汽缸 14.安装底板 15.安装托架 16.自动焊钳 17.自动焊钳

图 5 自动焊单元示意图

3.2 自动焊单元焊接过程中的动作顺序

图 6 自动焊单元焊接动作顺序图

由控制柜 PLC 给控制箱第一次焊接信号，第一点焊接完成后，控制箱反馈给控制柜 PLC 完成信号，间隔 5s 后，控制柜PLC 在给控制箱第二次焊接信号，依次类推，焊接完第六点后，自动焊钳回到原位等待，系统进入下一个工作（见图 6）。

3.3 自动焊接系统故障分析

（1）焊接时间分析；

（2）焊接压力分析；

（3）焊接电流分析；

（4）气缸 13 前进到位分析；

（5）气缸 10 平移前进到位分析；

（6）气缸 10 平移后退到位分析；

（7）气缸 13 后退到位分析。

然而对于系统在运行过程出现的各种故障，分别通过相应的检测开关来反馈给 PLC，再由 PLC 反馈到控制柜的触摸屏，维修检验人员便可方便及时准确的排除故障，保证生产线的正常运行。

图 7 自动焊接系统故障分析图

3.4 自动焊系统控制图（见图 8）

图 8 自动焊系统控制图

4、机械机构的安装

在进行自动焊接系统的机构安装和调试过程中，导电铜板的接触面要进行打磨，确保铜板安装面充分接触，连接异性电极以及自动焊钳和安装座之间的绝缘垫片和绝缘套要确保安装要可靠，杜绝发生电流短路。连接好后要对焊钳的回路系统进行反复检查，确保同级的电流相通，异极的电流为零；并且避免出现机械运动过程中的干涉现象，安装完毕后，先进行手动试运行，没有问题再进行气动运行。

图 9 自动焊接系统安装示意图

5 结束语

自动焊接系统经过在 SGMW 公司 N5(SPARK)、N200(五菱宏图)、N300（五菱荣光） 和 CN100 等车型焊装线生产中的运用，结果表明能较好地解决实际生产遇到的诸如零件焊接困难、生产效率低、工人劳动强度高等问题，并且在焊装生产线的部分关键工位采用自动焊接代替悬挂式点焊机的人工作业，可避免焊接质量受人为因素的影响，提高了生产效率，减少了焊接变形，保证了焊接质量的稳定性，使焊装线更符合人机工程的要求，减少操作工人，节约了成本，实现了低投入和高回报，产生了显著效益。