柔性焊接生产线在汽车与轨道交通领域的应用

伴随我国汽车与轨道交通行业的快速发展，在车型更新换代速度加快的同时，客户对产品性能要求也不尽相同，这对汽车与轨道车辆生产线的柔性化提出了更高的要求。为了更好地了解目前我国汽车与轨道交通领域柔性焊接生产线的应用情况，以及柔性焊接生产线对焊接装备及焊接材料的要求，本期特邀在相关领域工作的技术人员，以柔性焊接生产线为主题进行交流探讨，供广大读者共同学习和借鉴。

本期策划 张维官 王 颖

柔性焊接生产线的系统组成及优势

王立夫：轨道车辆用自动焊柔性化焊接生产线主要由焊接机器人系统、焊接工艺装备系统、物流运输及控制系统和水电气等焊接辅助系统等组成，如图1所示。

轨道车辆用自动焊柔性化焊接生产线系统的各子系统由各种设备、工具、材料等结合轨道车辆具体部件的焊接生产而相互衔接，形成一条整体的车体部件焊接生产流水线。

各子系统的主要设备组成如下：

（1）焊接机器人系统 电焊机和焊接机械手是焊接机器人系统的核心设备，它们通过焊接机器人控制系统（单元）集成链接，实现轨道车辆部件的自动焊接和实时调节及自动控制功能。此外，焊接机器人系统还包括激光跟踪校正器、手动操作示教器等设施，用于人工手动调整及系统设备校验。

（2）工艺装备系统 焊接工装、夹具、液压或风压系统等构成柔性化焊接生产线的工艺装备系统。焊接工装包括工装骨架或底座、安装滑块、定位块、限位档及定位销等部件，可根据焊接部件形状或轮廓柔性化调节以适应不同产品的焊接生产。

（3）物流运输及控制系统 物流运输包括焊接前物料准备和运输、焊接生产时部件的翻转和调整及焊接完成后部件的流转运输，从物料到焊接部件的流水线式运转由物流控制系统整体控制，根据焊接生产计划制定物流节奏。

（4）焊接辅助系统 主要由冷却水、焊接保护气体、风道打磨及焊接接地装置等组成。

图1 柔性化焊接生产线系统

采用柔性化焊接生产线系统，可实现车体部件的流水线作业，同一柔性化焊接生产线系统可根据焊接部件尺寸和轮廓，对定位块及夹具进行简单调节就可用于焊接生产，大幅度降低工装制造成本，节约焊接工艺准备周期，提高生产效率。

朱美迅：汽车焊接生产线主要由焊接设备、工装夹具、运输轨道、EMS系统及控制系统组成。我公司目前拥有国内整车制造较为先进的柔性化焊接生产线，主要概况如下。

（1）焊接设备 我公司仍然以电阻焊为主，其他弧焊、激光焊为辅，拥有189台焊接机械手，实现了百分百的自动化焊接。

（2）工装夹具 对车型共用化夹具开发有较高的要求：侧围、地板各车型差异性较大，采用不同的台车夹具面；主线车身共用台车（见图2），以夹具旋转切换的方式实现车型区分。我公司目前生产的几款主力车型福瑞迪、K2、K3、K5以及前期的赛拉图都是采用这样的生产线技术制造。在车身合成方面，我公司采用四面体旋转的方式实现不同车型的车身合成，目前拥有两个合成工位，最大可实现8种车型混线生产。

图2 主线台车共用化

（3）运输轨道 我公司采用往返SHUTTLE实现台车的工位移动，每条线有两台伺服电动机来控制台车移动的精度。另外，我公司拥有完善的EMS系统以满足多车型混线生产的比例及产量分配。

柔性化焊接生产是未来汽车制造的大趋势，其最主要的优势体现在三方面：①共用的设备平台实现对生产成本的有效控制。②最小成本地实现车型改造。③能随时根据市场需求，实现多车型生产的比例分配。

姚 磊：与传统的焊装线一样，柔性化焊装线通常也有输送系统、焊接设备、工装夹具三大主要组成部分。由于要实现多款车型的柔性化共用，所以对三个组成部分都提出了更高的要求。我公司最新的柔性化焊装线可以满足6款车型的共线，线体输送采用的是高速辊床与台车系统，其中台车可以通过切换定位机构实现不同车型共用，通过高速辊床实现台车在线体工位之间流转。高速辊床在工位之间的输送速度可以达到5.7s，最大负载2000kg，采用闭环编码系统控制X向重复定位精度，具有高速、高效、高精度的优点。

焊接设备方面，整条焊装线采用的都是机器人搭配伺服焊钳，机器人焊接不仅焊接速度快、适应性强、稳定性高，而且更能符合柔性化的要求。通过快速切换焊枪和抓具，满足不同车型的焊接要求，这是人工焊接所不能比拟的优势；伺服焊钳相比传统的气动焊钳具有焊接速度快、焊接稳定性好的优点，可以将自动化焊接的优势更好地发挥出来。

工装夹具方面，通过夹具在库区和焊接区域的换位，可以很容易的实现车型切换，通过高速伺服数字控制计划，可以实现总拼工位等夹具的高速和高精度运动控制，适应多种车型的高速切换。相比通常单一平台车型的焊装线，柔性化焊装线优势很明显，可以实现厂房、人员、设备等高效利用，是目前主流车厂商大力发展的新型焊装线模式。

柔性焊接生产对焊接装备的要求

王立夫：轨道车辆用自动焊柔性化焊接生产线的特点是同一条生产线通过对工装及设备简单的调整，就能实现不同车体部件的焊接生产，减少工艺准备时间，提高生产效率，保证产品质量。柔性化焊接生产线对焊接电源、焊接机械手、工装夹具等焊接装备的使用性能和装备之间衔接性要求较高，以实现轨道车辆车体部件快速高效的流水线焊接生产。

（1）焊接机器人系统性能 ①焊接机械手采用可360°旋转的悬臂式或龙门式双枪焊接机器人作为主体支撑，并且机械手均具有6轴旋转能力，以适应不同部件的各种焊接位置调整。②焊接电源为每个焊枪的每根焊丝（单枪双丝或双枪双丝机械手）均有单独的电焊机单独控制，通过控制单元整体控制焊接热输入，且每一根焊丝焊接过程中的热输入均可根据焊缝形式单独调整焊接参数，既可避免双丝焊接时的电弧干扰，又有利于控制焊缝焊接质量。③整个柔性化焊接生产线的焊机接地线，焊接时均由接地钳与工件相连接，通过电缆线导入接地导轨，实行统一接地。④每个焊接机器人系统有独立的控制单元，所有的机器人系统均留有数据接口，根据生产需要，可以通过乙太网实现集成控制。

（2）焊接工艺装备系统性能 ①工装骨架或底座安装在可360°旋转的变位机上或可滑动的导轨上，实现工装基体的翻转或调整滑动，并且工装骨架或底座上设置滑槽。②安装滑块与工装骨架或底座上的滑槽通过T型螺栓连接和固定，安装位置可根据需要滑动调节，安装滑块上同样铺设有滑道。③定位块装配在安装滑块的滑道上，定位方式与安装滑块相同，并且定位块上可根据部件焊接时的变形规律，设置不同的焊接反变形量。④液压或风压系统的压臂长度可调节，且压臂的悬臂可实现360°旋转，用以压夹不同方向的部件和位置。⑤根据不同焊接部件的结构和外轮廓尺寸，可通过更换定位块、调整安装滑块距离及压臂位置，实现工装与焊接部件快速匹配，达到一套工装可焊接多类部件的目的。

朱美迅：柔性化焊接生产线的最大柔性取决于各个组成系统的柔性程度，而焊接设备又是实现最大柔性化生产的关键。

首先，柔性化的焊接生产线在建厂初期，对车型及产能设计上就要有清晰的规划，细化到焊接设备上，在焊接电源、焊钳、机器人及工装夹具的稳定性和精度上提出较高的要求。我公司从2007年投入生产以来，已经成功生产出赛拉图、欧风、福瑞迪、K2、K3、K5六种车型，UPH从33逐步提升到目前的68，达到年产30万辆的生产能力，这都归结于我公司的柔性化的焊接生产线。为了保证焊接电源的稳定性，我公司目前已采用中频直流焊机进行点焊；另外，由于多车型的生产，在车身板材配合方面有更多的组合，所以需要电阻焊机的TC盒能够容纳更多的焊接参数存储。目前，我公司主要采用韩国CHOWEL品牌的WELCOM—1000焊机，最大可容纳255组焊接参数，可实现焊接过程中的电流、焊接时间的自动补偿（见图3）。

图3 CHOWEL品牌的WELCOM—1000焊机

在焊钳的选择上，为了实现多角度的焊接，对焊钳结构、形状提出更多的要求，并且为了配合焊接参数的多样化，需要摒弃传统的气动焊钳，通过伺服焊钳来实现焊接电弧压力的多样化选择，以实现焊接毛刺、焊渣的减少，从而提高焊接品质。

在机械手的选择上，为了实现多空间，多角度位置的焊接，选择6轴以上的机器人，末端承重力量要与焊钳重量相匹配，目前我公司主要采用KAWASAKI D系列控制器的机器人（见图4）。柔性化生产线，机器人焊接占主导，为了减少管理机器人的成本，可以在末端焊钳上安装水感应器，对焊接电极脱落及水压不足等问题及时报错。

图4 KAWASAKI的焊接机器人

为了保证焊接的精度，承载车身的台车夹具通过HOOK PIN实现位置定位。

金昌海：举个例子来说明柔性焊接生产线对焊接装备的要求，比如，小型焊接机械手在工作周期中电弧时间所占的比例较大，因此焊接电源暂载率应达到100%，保证足够的电源容量。

另外，由于焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态及焊接参数都要求精确控制，所以焊接机械手除了一般的功能要求外，还必须具备一些适合焊接要求的功能。比如“Z”字形焊接或大坡口焊缝焊接时，其轨迹应能贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，焊接机械手也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。

送丝机构可以装在机械手的上臂，也可以放在机械手之外，前者焊枪到送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性，而后者软管较长，当机械手把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态，会严重影响送丝的质量，所以送丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。还有更重要的是焊接设备的可靠性以及维护性，频繁的设备故障会严重影响正常的焊接生产工期以及焊接质量，更谈不上什么柔性化焊接生产线了。

姚 磊：对于组成柔性化焊装线的工装以及设备，以下几个要求是必须要满足的：

（1）要能满足多款车型的同时混线生产，这个是焊装线柔性化实现的前提 车型的生产首先取决于市场的需求，焊装线所生产的车型要与营销系统的需求相匹配，因此在单日的生产计划并不一定只有一种车型，而是会出现多款车同时混线的局面。

（2）要能实现快速生产 柔性化生产线同时负责多款车型的生产，生产纲领的累加决定了对生产节拍的要求是十分苛刻的。

（3）要能实现不同车型的快速切换 这与以上两点是息息相关的，不同车型的混线生产以及高速生产的要求，决定了车型在进行切换的时候必须简单、快捷、高效。

以上几点要求也就决定了工装和设备的选择方向。第一，工装夹具要能够实现高速和高精度切换，避免切换过程浪费生产节拍。而且除总拼等工序外，尽可能多的选用抓具取件和定位焊接，因为抓具的切换可以通过机器人携带的切换机构快速实现。第二，焊接设备要能满足不同车型要求，最好是采用机器人自动化焊接，因为可以通过与生产线PLC控制程序的一体化对接，自动根据不同车型来切换焊钳和选取相应的焊接参数，可以获得更高的焊接区域和更好的焊接质量。第三，输送系统在工位间的输送必须要快速，避免输送环节过多占用生产节拍。

陆建聚：以某后桥焊接柔性化生产线为例，桥壳焊接工艺为：气孔护盖焊接→纵缝焊接→后盖环焊→镗两端→附件焊接→法兰头环焊→试漏调直→下线。各工艺环节的设备配置如附表所示。

各工艺环节的设备配置

将各工序中对焊接装备的需求分别介绍如下：

（1）点焊气孔护盖 点焊气孔护盖以往多采用人工移动工件，在座焊机上焊出5个焊点，但该设备现在通过在座焊接安装一个十字滑台的工装，并安装有手工扶持的把手，只要将桥壳安装在夹具上，移动滑台扶手，就能自动焊接出5个焊点。采用十字滑台的工装，不但操作方便，还能适用于多种桥壳气孔护盖的焊接。

（2）桥壳纵缝焊接 该工序在设计时很是纠结，因为该工序焊缝长度长，焊接时间长，生产节拍慢，效率低，同时桥壳在焊接后会产生焊接热变形。如果选择焊接专机来焊接，则只能焊接一种零件，经过多方论证，我们选择了双工位双机器人来焊接。该设备主要由两台焊接机器人和三轴大翻转变位机组成，夹具采用兼容、可切换夹具。在工装站里面，机器人可以不停地焊接，工作站外面，工人可以同时上下料，互不干涉，这样大大提高了设备的利用率。同时工作站采用双机器人，两边可同时焊接，减少了零件焊接后变形。更重要的一点，就是夹具可以快速更换，如果在需要生产其他型号后桥壳的时候，只需把焊接夹具切换下来，换上另外型号的夹具，就可以生产其他产品。

（3）后盖环焊接 该工序主要采用自胀芯的后盖环焊机，环焊机可以自动胀芯，可以适用于不同型号的桥壳后盖焊接（见图5）。

图5 后盖焊接

（4）桥壳双头镗 该工序采用通用卧式双头镗床，来切断桥壳两段的加工余量和粗镗内孔，保证桥壳的长度和方便法兰头压装。

（5）采用机器人附件焊接 附件焊接工序主要采用双工位机器人工作站焊接，该工作站通过采用三轴大翻转变位机，提高焊接自动化和高效率的焊接水平。工作站里面焊接，外面装夹零件，机器人左右同时焊接，既能保证焊接速度，又能减少焊接变形。在焊接其他型号产品的时候，只要把两边的夹具拆卸下来，换上别的夹具，就可以生产其他型号的产品。

为了满足节拍，将附件焊接分成两部分，采用两个机器人工作站进行焊接（见图6）。

图6 附件焊接设备

（6）法兰头环焊 该工序主要使用法兰头焊接专机进行焊接，该专机通过采用反扣夹紧原理，通过保证设备两端头的平面垂直度和胀芯同轴度，通过液压夹紧力，将法兰头紧紧扣在高精度的两端头上，从而保证了法兰头与桥包焊接后的垂直度和同轴度。该设备两端有定位胀芯，如果需要切换其他产品时，只要通过更换定位胀芯，并移动焊枪位置，就可以生产其他产品。

（7）气密性试验（俗称试漏） 试漏岗位主要采用通用湿式试漏机，采用橡胶堵住两端就可以试漏，在换型时，只要更换两段橡胶即可。

（8）矫直 桥壳在一系列的焊接工序后，未免会产生热变形，故在最后的工序，需要通过外力来矫正焊接变形，所以就有了矫直工序。矫直工位采用单柱液压机，通过V形夹块支撑，如果换型生产，只要移动V形夹块位置即可。

柔性焊接生产对焊材的要求

王立夫：在轨道车辆用自动焊柔性化焊接生产线中，车体部件主要采用焊接机器人自动焊接，焊接填充材料采用φ1.2mm或φ1.6mm的盘状焊丝，轨道车辆车体自动焊用铝合金焊丝按GB/T 10858—2008标准规定执行。

焊丝的包装及检测：铝合金焊丝使用前应保证密封包装（对于需要海运的，需采用适合海运的包装），如果焊丝包装袋出现破损，应通过焊接试验确定是否可用，没经过检测的焊丝禁止用于焊接生产。焊丝使用前应保证表面光亮无氧化、光洁无污染、光滑无凹痕。

焊丝日常储存：应存放在专门的库房内（温度≥18℃，相对湿度≤60%）；在湿度较大（＞50%）情况下，如果焊丝一次未使用完，应做好标识并封装好送回干燥室保存。

图7 CMT焊机配合大桶焊丝

朱美迅：我公司生产车身应用CO2弧焊焊接较少，采用奥地利的CMT焊机（见图7），能有效减少焊接飞溅，保证焊接位置和出丝的稳定性，主要分布在车身的弧形面及接头搭接处，由于车身的配合精度较高，一般选用φ0.8～φ1.0mm的焊丝。由于是机械手焊接，所以在焊丝的包装上尽量选择大桶焊丝，以减少更换焊丝的频次。

金昌海：柔性焊接生产线对焊材的要求很高。比如高铁铝合金车辆焊接用铝合金焊丝，目前世界上还没有发明铝合金焊接接头跟母材等强度的铝合金焊丝。即便是这样，高速列车上实用的铝合金焊丝均是进口的。因为靠进口，购买周期较长，焊丝库存多。从焊接质量考虑，实际生产当中，焊丝批号越新越好。国内焊丝制造工艺不比国外差，主要还是冶金、热处理技术跟国外比有一定差距，从某种意义上讲，严重影响铝合金焊接技术的发展。国家应专门成立研究机构，尽快解决这一难题，实现铝合金焊丝的国产化指日可待。

姚 磊：当前大多数汽车车身的生产，都会或多或少的应用到CO2气体保护焊，这主要与CO2气体保护焊本身的焊接使用范围广、适合批量生产、成本低、焊接操作简单等有关。因为汽车车身的焊接均是薄板件，板厚一般在0.7～2.5mm之间，板件的材质多为普通低碳钢或者低合金钢，焊丝通常为H08Mn2SiA。在柔性化焊装线中，CO2气体保护焊可以与机器人系统进行继承，通过程序来控制CO2气体和焊丝的自动化输送，将通常需要用人工来完成的工序转化为自动化工序，以此来提高生产效率。因为焊接位置可以通过程序的切换来执行，因此柔性化焊装线中不同车型的切换对自动化CO2焊接工位来说是没有任何问题的。

柔性焊接生产发展趋势

王立夫：随着轨道交通事业、特别是城市轨道交通运输的迅速发展，对轨道交通列车的需求量不断增加，但根据各城市地域文化差别，对轨道交通用车辆的要求各不相同，因此对轨道车辆用柔性化焊接生产线提出了更高的要求，以适应轨道交通绿色、智能、人文的发展。为此，轨道车辆用自动焊柔性化焊接生产线将向着更加节能、高效、系统化和高度集成化的方向发展，以满足轨道车辆车体部件产品多样化、流水线式快速焊接生产的要求。

朱美迅：发展柔性化焊接生产线是大势所趋。在机械手的选择上，必然向轻量化、精度更高、移动更加灵活的方向发展；焊钳配备上，气动焊钳将逐步淘汰；另外，操作程序上，更加智能化，例如，更换焊钳焊接电极时，实现一键开启/关闭焊枪循环水等技术。当然，车型工装夹具上，需要更高的设计水平，保证多车型的共用化夹具，配合台车滑行系统的应用。我公司目前在生产侧围及地板上即采用了这种技术，但这种方式的弊端是占用空间较大，当然有些工厂，也可以使用旋转夹具共用化配合抓件机器人的方式来生产侧围及地板，这样可有效节约车间的空间。

在汽车市场竞争日益剧烈的今天，普通乘用车的性能、外观同质化成为一种发展趋势，比拼各自的生产成本将成为汽车制造生存的核心，柔性化生产的发展趋势将不可改变。

金昌海：主要对焊接方法、设备、工装、生产管理等方面进行分析。

（1）焊接方法 比如铝合金焊接来说焊接方法种类少，多为MIG、TIG焊接，电阻点焊为辅助手段等，缺点是焊接接头强度低。目前出现铝合金搅拌摩擦焊接以及MIG+激光复合焊接等，但跟柔性焊接生产线要求还具有一定距离，提升空间很大。

（2）焊接设备 焊接生产线由于设备故障停产的事故时有发生。比如跟踪系统出现故障，焊接偏离中心线，碰撞工艺装备，弄坏焊枪，且由于进口设备维修周期长，影响焊接生产线的正常进度，所以焊接设备的稳定性是柔性焊接生产保证的重要指标之一。另外，焊接设备性能多样化的提升空间也很大，这主要靠焊接设备的模块化来实现。比如，设计具有不同焊接功能的专机，满足不同用户需求。

（3）焊接工装 铝合金长大型材的搅拌摩擦焊、不锈钢的激光焊接、电子束焊接等对焊接工装的要求很高。焊接工装既能满足焊接要求，又能实现自动化和通用性，是今后焊接工装设计的未来发展趋势。

（4）生产管理 控制焊接生产线过量生产、空手等待、加工本身、搬运物流、过多库存、无效动作以及制造不良等七种浪费现象，是柔性焊接生产线需要永远思考的课题。

姚 磊：柔性化焊装线因其适用范围广、对市场的适应能力强、设备的利用程度高等优点，越来越多地被汽车企业所应用，与之相应的是一系列适用柔性化焊装线的新设备和新技术高速发展。第一，柔性化程度越来越高，只要生产节拍能够满足，像我公司这样满足六款甚至更多车型生产的柔性化焊装线会越来越多的被采用。第二，适应性越来越强。为了适应市场的需求，汽车的更新换代也是十分迅速的，而一款新车型的投产必然伴随着新焊装线的建立或者对原有焊装线的改造。对柔性化焊装线而言，因为要满足不同车型的生产，工装以及设备对车型的敏感程度低，通过少量的改造即可以适应一种新车型的生产。柔性化焊装线的发展，就是要将这种改造的潜力更好的发挥出来，尽量减小车型换代的生产线投资。第三，柔性化焊装线自动化程度越来越高，高节拍和高柔性化的要求，使得焊装线越来越多的应用到自动化机器人。目前自动化生产线普遍存在的人工集中弧焊工位，会越来越多地被弧焊机器人所替代。目前大多由人工来完成的涂胶工序，也会越来越多的被涂胶机器人取代，类似这样的一系列人工操作向机器人自动化操作转变的工作，会使得柔性化焊装线自动化程度越来越高，对人力资源的需求也会相应减少。