现代汽车车身制造新技术

现代汽车车身制造新技术李新林刚杨金郭志强林丽华陈闽前刘荣辉毛怡昇（上海大众汽车有限公司上海201805）摘要：本文教要介绍了POLO车身生产所使用的新的制造技术。关键词：激光焊机器人应用涂胶技术压铆技术FIS镀锌板焊接Abstract:Thispaperdescribesthenewtechnologiesinthemanufacturingcarbodyof“POLO”.Keywords:laserwelding;weldingrobot;paintingglue;pressrivet;FIS;weldingthegalvanizedsteelplate随着市场竞争的加剧和用户对于汽车性能要求的提高，现代汽车制造技术已经有了飞跃式的发展，本文以POLO两厢和三厢车中应用的制造技术为例简要介绍一下车身制造技术的最新进展情况，希望与国内同仁相互交流，共同促进中国汽车工业的发展。1激光焊应用激光焊接技术是一项集光学、机械制造、电器自动控制等多项技术于一体的复杂工艺技术，它具有众多传统焊接方法无法比拟的显著优点：①激光束功率密度很高，速度快，效率高。②激光焊缝窄，热影响区很小，由此产生的热变形和热损伤少，焊缝强度大，工件变形很小。③焊接装置与焊接零件无机械接触，可降低对工件的污染。④方便进行异种金属焊接。⑤激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，因而在力学性能、抗蚀性能和电磁学性能上都要优于常规焊接方法。⑥能精确控制能量输出。⑦零件设计时，焊接边缘减小，大大节约板材并减轻了车身重量。1.1激光焊接基本原理简介根据所采用的激光介质，可区分为：固体激光器，液体激光器和气体激光器。固体激光器发出的激光可以通过光缆进行传输，所以更适合工业应用。固体激光器，采用Nd：YAG（钇铝石榴石，参入了钕）作为激光介质。由激光灯发出的灯光直接或通过反射器反射到激光棒上，激发ＹＡＧ棒中的钕，激光棒便开始发射光线。光线经过谐振器“振荡”，获得良好的平行性，成为激光光束。激光通过输出镜从激光器中射出，由光速导向镜组控制其走向，然后聚焦到工件上。在激光焊接过程中，当激光束触及金属材料时，其热量通过热传导传输到工件表面及表面以下更深处。在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔沿两工件间的接缝移动，进而形成焊缝。激光焊接的显著特征是热影响区小，以及功率密度高。1.2激光焊在车身上的主要应用激光焊及激光钎焊由于其焊缝外形美观、穿透力强、热影响区小、母材烧损少、焊接强度高、效率高等优点，近年来在轿车制造企业得到了广泛应用。激光焊目前不仅仅应用于单件成形中，在车身的总成中也大量应用。在ＰａｓｓａｔＢ５车型中，激光焊技术首次成功应用于前后纵梁等冲压单件。它采用不同板厚材料对接后再冲压成形，从而达到了不同承载不同板厚的设计要求，同时又由于零件一次冲压成形免去了多个冲压零件拼焊所造成的积累误差，大大提高了零件的尺寸精度。另外，由于减少了部分车身拼焊而降低了制造成本，所以在一定程度降低了车身重量。在ＰＯＬＯ中前后纵梁、Ｂ柱、前地板、四门内板等零件都采用了不同板厚材料激光焊后一次冲压成形的技术。在车身总成焊接中主要应用激光焊和激光钎焊，在Ｂ５白车身上，激光焊首次成功应用于ＰａｓｓａｔＢ５车顶与侧围的拼焊，取代了通常的电焊及铜钎焊，从而解决了车顶漏水的问题，提高了车身制造精度，并大大节省了返工时间；激光钎焊技术成功应用于后盖外板上下板间的拼焊，解决了后盖外板形状复杂给冲压带来的困难。在ＰＯＬＯ中激光焊的应用增加到底板与侧围和侧围于车顶横梁的焊接，而在上海大众的新项目ＭＰＶ中激光焊的应用已增加到底板和侧围的分拼焊接中。激光焊的大量增加一方面增加了车身的强度和刚度，同时也对冲压零件和夹紧技术（零件间理想匹配要求为０．１～０．２ｍｍ）和设备的维护提出了较高的要求。因为如果间隙过大，能量无法集中于板材，而产生板材未熔化。如果间隙过小，高温下产生的锌蒸气无法排出，只能通过熔池排出，产生大量气孔，激光焊缝外观如图１所示。车顶和侧围之间以及后盖外板的上板和下板之间采用激光钎焊。激光钎焊采用CuSi3作为填料，它能有效补偿由于高温下锌层蒸发而引起焊缝及附近区域的防腐蚀性能下降。激光钎焊属于高温钎焊，钎料的熔点大于900℃。钎焊焊缝外观如图2所示，由图可以看出，激光钎焊焊缝隙比较平滑。在POLO车身上，激光钎焊焊缝应用于车顶和侧围之间，从而取消了以往车型的附加的装饰饰条。POLO车身激光焊缝位置如图3所示。1.3定位夹具由于焊接零件之间的间隙要保持在0.1～0.2mm，所以对夹具的要求提高。在POLO240中采用了一种整体夹紧技术，如图4所示。它在相配合的零件边缘全部接触面夹紧，激光焊沿着夹具的上边缘施焊。但由于此种夹具接触面过大，无法保证零件间的充分配合，因此焊接效果尚需改善。在POLO241中为解决此问题采用了分体式夹紧的技术，即在每条激光焊缝两侧采用独立的夹头，同时对于夹紧点的位置也做了优化，因此取得了较好的效果。为了在夹紧时不损伤车顶和侧围，在POLO中采用了“软夹具”，如图5所示。它是由固定在夹具型面中的吸盘构成，在夹紧时充入压缩空气，吸盘与零件接触，达到不损伤零件的目的。但是这种夹具只能应用于辅助夹紧，不能起定位作用。在POLO中仍旧采用了GEO概念，所有夹头和夹具安装在框架上，框架先到位，然后，夹头夹紧零件。2机器人在车身的应用工业机器人广泛应用于整车制造中。机器人操作与人工操作相比较，具有显著的优点：①工艺过程稳定。②工艺质量高。③重复精度高。④可进行复杂的工艺操作。⑤可适应恶劣工作环境。缺点是：①投资大。②要求专业编程人员。③维护费用高。机器人操作与传统设备，如固定焊机相比较，具有下列优点：①可实现柔性加工，当进行两种以上车型共线生产时，投资大大降低。②在整车制造的4大车间：冲压、车身、油漆和总装车间中，机器人可用于搬运、焊接、涂敷和装配工作。工业机器人可和不同的加工设备配合，几乎可以做整车生产中的所有工作。利用机器人可以大大提高生产节拍减少工位，提高车身质量。目前世界上应用比较广泛的包括FANUC、ABB和KUKA等公司的机器人。在桑塔纳系列轿车制造中，采用了ABB公司的机器人；在上海帕萨特和波罗的制造中，采用了KUKA公司的机器人；在上海别克和赛欧的制造中，采作了FANUC公司的机器人；在上海帕萨特和波罗的制造中，采用了SEF公司的机器人进行激光焊接。机器人搬运。由机器人操纵专用抓手或者吸盘，来抓取零件，将零件移动位置。机器人可以快捷、准确地移动大型零件，放置到位，而不会损坏零件表面。例如，在冲压生产线各压机间采用机器人来搬运零件，可以加快节拍，避免人员受伤的危险，进行全封闭生产。机器人点焊。由机器人操纵各种点焊焊钳，实施点焊焊接。机器人可以操纵大型焊钳，对地板等零件进行点焊，或者进行复杂位置的焊点的焊接。通过换枪站可以更换焊钳，进行各种位置的点焊。焊点的质量高，而且质量稳定。焊接速度快，例如在补焊时，在一个工位内，在节拍为128s内，由5台机器人可以焊接多达190个焊点。机器人弧焊。由机器人操纵弧焊焊炬，可以很方便地进行仰焊、立焊等各种位置的弧焊。通过传感器，可以跟踪焊缝，控制弧长。但是机器人弧焊对零件匹配要求较高，当零件间缝道不均匀或者不平整时，就会产生焊接缺陷。激光焊接。由机器人操纵激光加工镜组，进行激光焊接。激光源可以采用CO2激光器或者YAG激光器。激光焊接设备很复杂，要求机器人重复精度较高，一般要高于±0.1mm。机器人螺栓焊接。由机器人操纵螺栓焊枪，可以进行空间全方位的螺柱焊接。例如，在一个工位内，在节拍为150s内，由4台机器人可以焊接90个螺栓。机器人粘结剂和密封剂的涂敷。点焊胶、支撑胶、PVC密封等通过机器人操纵涂敷枪可以精确地控制粘结剂流量，进行各种复杂的形状和空间位置的涂敷。涂敷速度且稳定。机器人装配。由机器人抓取零件，精确地装配到位，尤其在总装车间装配前后风窗玻璃，能够保证装配质量。机器人还可以进行卷边、测量、检验和自动喷漆等。机器人通过串口，经过Interbus，Profibus等工业总线连接到PLC上，与流水线设备、加工设备、工位安全设备等构成一个整体，协同工作。但是，目前各个公司的机器人都需要各自不同的编程语言和不同的外设标准，造成应用时必须由专门的程序员编程，必须通过专门的转换接口才能连接其他公司的外设。这些在一定程度上制约了机器人的推广应用。3涂胶在车身中的应用POLO车身车间的各个工艺块——地板、侧围、四门两盖以及总拼调整，均大量采用了涂胶工艺。车身车间所采用的胶水从功能上可以分为：密封胶、折边胶、点焊胶、支撑减振胶；从主基材上可分为：橡胶类、环氧类、塑溶胶。各种胶在车身中应用能够进一步提高车身的安全性、舒适性、耐久性，同时也满足了经济和环保上日益提高的要求。这些产品具有以下共性：1）附着在油面钢板上。2）良好的耐水洗脱性。3）固化于电泳烘房内或中频加热装置中。4）产品对后续的油漆工艺无不良影响。车身车间采用的胶水及其有关性能见表1。表1序号编号胶桶体积/L功能涂胶方式单泵/双泵热胶/冷胶主基材工艺块1AMV167N6120点焊/折边手工/自动单泵/双泵冷胶环氧类地板/侧围2AKD46400120密封手工双泵热胶橡胶类地板3AKD465F0120密封手工双泵热胶塑溶类地板4AMV167W6050点焊/折边手工单泵/双泵热胶环氧类总拼/四门两盖5AMV153W2420/200减振手工/自双泵热胶橡胶类侧围/四门两动盖6AKL450F4020减振手工单泵冷胶橡胶类车顶天窗3．1涂胶设备⑴涂胶泵POLO车身车间全部采用德国SCA公司的涂胶设备，根据胶水的性能将涂胶泵分为热胶泵和冷胶泵；按照胶桶的体积将涂胶泵分为20L、50L和200L；按照胶桶的数量将涂胶泵分为单泵和双泵。图6、图7为车间所采用的涂胶设备部分照片。⑵自动涂胶枪和手工涂胶枪自动涂胶所采用的涂胶泵同手动涂胶的是一样的。对于自动涂胶，我们采取的解决方案是：在自动焊接工位内，安装涂胶枪，枪的位置是保持静止的，其出胶的控制与机器人的运动相关联，而工位内的机器人抓取零件按照涂胶轨迹移动，从而完成整个涂胶过程。图8为自动涂胶方式中涂胶枪的照片。3．2胶水有效期及更换管理（见表2）表2序号/类别AMV167N61AKD464001AKD465F01AMV167W60AMV153W24AKL450F40保存温度/℃20～2310～255～5515～3010～2520～25使用温度/℃40-40～9035～5035～65-40～90约20有效期/月最多66最多43664车身总成打孔整形技术应用为提高总装车间后灯、前桥支撑、后桥支撑等需精确定位的部位的定位精度，避免冲压和车身累积误差的影响，车身设计采用了在车身总成进行打孔的技术。前后桥采用机械固定式打孔技术，在车身总拼和后盖生产线对后灯匹配区域采取了ISRA打孔整形工艺，从而克服了累计制造公差的影响，达到了该安装孔位在整车上±0.20mm的苛刻设计公差要求。总成打孔整形技术的原理及设备。总成打孔整形技术是德国大众PP-V的一项专利，主要由ISRA测量系统、打孔整形枪及SEF机器人组成。ISRA是一种新型的测量技术，它包括数据采集系统（照相机等），数据处理系统（PC等），数据采集系统对匹配形面进行三维数据采样，数据处理系统对采样数据与标准模型进行比较分析，从而决定最佳的位置、角度及方向，并将结果反馈给SEF机器人，由SEF机器人控制打孔整形枪（见图9）完成在零件上的打孔整形过程。由于SEF机器人具有比普通机器人高得多的精度（±0.1mm），从而保证了整套系统的高精度。打孔整形枪压力及速度需要根据板厚及孔的大小进行复杂的动力学方程式计算，从而保证零件顺利地从枪的冲模中脱出，控制回弹变形。5柔性化生产为了降低投资，节省空间，POLO两厢车和三厢车大量使用了柔性化生产技术。POLO柔性化主要由两部分组成：一是夹具的柔性化，即同一夹具可用于不同车型的生产，如POLO底板、侧围、四