全铝合金车身CMT/MIG焊接人机工程问题探讨

宋亮

摘 要：铝合金弧焊工艺开发过程中，人机工程遇到的主要问题是操作高度、焊接视线、弧光干扰等。本文介绍了铝合金车身CMT/MIG焊接工艺中涉及人机工程的主要难点问题，并重点分析人机工程问题产生的原因，同时本文结合奇瑞新能源铝合金车身工艺开发实践，简要分析如何从人机标准、设备选型、工艺设计等途径寻找和制定解决方案。

关键词：铝合金CMT/MIG焊;人机工程

1 引言

全铝合金车身是新能源汽车较为理想的车身形式，在满足性能前提下，比钢车身减重25%以上，是新能源汽车实现轻量化、长续航里程的关键技术之一。据市场研究机构分析，2015年全球仅有1%的汽车为全铝车身;预计到2025年，这一比例将达到18%以上。

铝车身连接技术通常有铝铆接、点焊、弧焊、激光焊、胶接等，其中铝合金CMT/MIG弧焊因技术难度相对较低、人工或自动化皆宜、投资较低而获得了较广泛的应用。

铝合金CMT/MIG焊工艺难点，主要是铝焊接变形、焊缝氢气孔、操作人机性等方面。铝焊接变形通常从焊接工装、产品结构上寻找措施，氢气孔通过铝焊接生产线采用控湿除尘进行控制，而操作人机涉及产品开发和工艺设计诸多方面。

铝合金弧焊工艺开发过程中，人机工程主要问题是操作高度、焊接视线、弧光干扰等。本文将结合奇瑞铝车身工艺开发实践，探讨铝合金弧焊工艺设计中人机工程遇到的问题及解决方案。

2 操作高度

某全铝车身焊接线，在最初工艺设计时，将座椅梁焊缝操作时人员站立的高度设为1000mm，这个高度基本符合人机标准。

实际调试时，操作者反馈持枪作业费力。经调查，烧焊时人手握枪的高度比焊缝高50-120mm，踏台设计时，座椅梁处焊缝高度1000mm，烧焊时实际人手操作高度1120mm。

此高度虽然比标准高度高出20mm，但深层分析发现还有其他原因。

从设备角度看，CMT/MIG焊机配套的焊枪比普通CO2焊枪尺寸和重量大25%左右，二次线缆重量大一倍以上。这些重量由操作者承担。当作业面高度在900-1000mm，手持焊枪处在人体重心处较为有利，当高度超过1100时，手持焊枪明显高于人体重心。铝合金手工弧焊兼具精密作业和负重作业（长时间、大負荷）的特点，长期手持焊枪明显高于人体重心作业会产生较明显的疲劳感，影响工作效率、降低焊接质量。

从负重作业高度标准反向推导即可得到作业面最佳高度宜选择在800mm左右。

3 焊接视线

由于铝合金车身连接焊缝大都为周圈焊缝，工艺设计上不可避免会有出现机舱内、转角、底盘的焊缝。在实践中确实出现过一些部位的焊缝的的操作者视线条件较差的问题。

如现场调度阶段，底部焊接工位员工反馈后减震器座仰焊时观察视线不良，不能完全看到焊缝位置。

SE阶段采用DELMIA模拟的结论为：（1）视线：焊缝位置可视;（2）空间：头部距周边零件27-50mm。从结果看，操作是可行的。但现场调试阶段，戴上防护罩后，由于防护罩尺寸较大与周边零件干涉。

经分析，实物与数据模拟最大的区别在于操作者戴的防护帽。不戴防护帽时，人在后减震器座正下方可完整观察焊缝位置，人的头部需沿Y向往车外移50mm，此时视线中只能看到后减焊缝的边缘。当戴上防护帽后，由于帽子尺寸较大与周边零件干涉，如果头部沿Y向往外移50mm，防护帽与周边零件不干涉，但视野中不能完全看到焊缝（焊缝沿搭接两侧勉强能看到一边）。

这类问题的解决思路，比较直接的是通过改变操作者的站位，改善视野。但最好的方式是通过产品结构的优化，消除这种焊接盲区。铝弧焊工艺设计时，产品上仰焊区、空间狭小区域，在SE模拟时与防护头盔结合起来考虑。

4 弧光干扰

铝CMT/MIG焊接时产生的强烈电弧，是弧焊工艺主要污染源之一。在焊机设备选型时即选配了防护头盔。从实际效果看既起到防护作用，也不影响对弧焊熔池的观察。但在调试阶段却遇到了另一个问题。

两个人分别站在左右门洞处焊接地板面板。由于弧光干扰，左右对称同时烧焊不可行。经交流，直接原因是：在地板烧焊区域，两名员工相对站立，例如当左侧操作者开始烧焊时，会对右侧操作者发出弧光干扰，导致右侧人员无法观察自己焊缝的位置。

仔细分析防护头盔的功能时发现：铝弧焊防护头盔所用的防护罩目镜有弧光自适应功能，即具备平光和弧光保护双模式。正常工作光线环境下目镜是平光模式，可正常观察工件;当开始焊接（或周边有焊接，即目镜视野中有电弧光）时，目镜自动切换到弧光模式，这时只能观察弧光区，操作者视野中其他地方显示黑色。

这类问题的解决措施，是从操作人员站位、焊接顺序等方面考虑。例如本案例中，工艺方案是调整两名操作者的站位，同时优化作业顺序。左侧门洞处员工从地板前段中间开始焊;右门洞处员工从前地板后段中间处开始焊。这样焊接开始时，两名操作者是背靠背操作。

如果两名操作者烧焊区域调整后仍然有“面对面”的区域，从现场验证来看不可避免会导致互相影响，从而降低工作效率。在操作空间允许的情况下，在不同的操作区之间加遮光帘。后期生产线自动化提升时，采用机器人自动焊也是一种积极的改善方式。

铝弧焊的这类问题，是以往传统车身的CO2焊工艺所没有的，这与铝弧焊设备自身特性相关，因此工艺设计上要考虑弧光干扰对多个人员站位的影响，在SE阶段通过产品结构、工艺、工装优化加以解决。

5 结语

通过铝合金车身项目各阶段工艺开发和实际生产运行，奇瑞制造工艺团队初步掌握了铝合金CMT/MIG弧焊工艺基本特点和要求，特别是对人机工程的主要难点有了较为深入的了解。

根据经验，在后续项目开发过程中有效规避了同类问题，使得制造质量、生产效率各方面均有较明显的提升。随着新能源生产线的不断发展完善，必将为中国市场提供更多、更优质的产品与服务。

（备注：文中数据经过处理，仅供说明问题参考）