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车身机器人激光焊接系统性解决方案

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2020年11月16日浏览:485

当前,尽管激光焊接已经深入汽车制造领域,比如在车身、车门、副车架、电机壳体、动力电池模组和电池包上都有应用,但焊缝质量一直是实际应用中的难点。如何保证激光焊缝质量,就需要根据激光焊接的关键特性,在产品开发设计、工艺规划、装备设计及检测过程,

进行全过程管控。在本文中,笔者将以车身顶盖与侧围机器人激光填丝焊接为例,总结了从设计、规划、调试、测量、统计和批量生产阶段的全过程系统解决方案。

焊接工艺问题的提出

国产汽车上很少有激光焊接的应用,究其原因是汽车工程师对薄板件激光焊接没有正确理解,设计的关键特性无法满足工艺要求,并且在冲压工序、焊接工序、关键型面检测等环节上都缺乏有针对性的控制。比如当焊接装配车身骨架时,侧围焊接总成与顶盖总成的匹配间隙无法保证,造成烧穿、漏焊等重大缺陷,此时由于缺乏有效对策,焊缝质量不能满足整车强度、密封淋雨的要求,属于严重质量缺陷。

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对此,笔者总结了目前车身激光焊接存在的问题,提出了车身机器人激光焊接全过程及系统性的解决方案,通过几何尺寸公差(GeometricDimensioningandTolerancing)规范产品技术文件,明确关键特性要求,并将关键特性要求准确传递给产品车身冲压及焊接工艺工程师、测量工程师,从而规划有效的工艺路线和工艺装备,配置适宜的测量设备及检具,确保激光焊接焊缝的质量符合工艺要求。

汽车产品的开发过程是一个综合复杂的项目,就车身激光焊接而言就涉及到产品、模具、检具、焊接夹具、测量系统等。IATF16949(原IS0/TF16949)质量体系文件,将汽车从项目启动、开发设计、过程规划、生产调试及批量生产、市场反馈及改进的五大阶段进行了定义阐述。

先期产品质量策划(AdvancedProductQualityPlanning)、失效模式及影响分析(FailureModeandEffectsAnalysis)、测量系统分析(MeasurementSystemsAnalysis)、统计过程控制(StatisticalProcessControl)、生产件批准程序(ProductionPartApprovalProcess),以此作为汽车产品开发流程指南。其中先期产品质量策划作为项目管理(PM)总纲,定义了各阶段的具体要求,笔者结合车身激光焊接的具体案例进行分析总结。

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车身激光焊接关键控制点

决定车身激光焊接质量的硬性因素包括:在产品开发设计阶段是依据产品功能需求及关键特性,确定顶盖、侧围、内板及关键的侧围总成,车身骨架总成的几何尺寸公差;在产品工艺规划阶段是规划激光焊接设备、车身钣金件冲压模具、检具及测量设备;在冲压工艺分析阶段是结合“几何尺寸公差”和“参考基准点系统”(ReferencePointSystem),规划侧围总成、车身骨架总成专用焊接夹具、检具及测量仪器和设备。

另外,工程师还需要理解焊接位置的工艺补偿,克服冲压件自身的面轮廓度公差和位置度公差,从而实现模具精度、成本和焊接质量之间的最优平衡。

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几何尺寸公差在产品设计的应用

针对顶盖、侧围两大车身外覆盖件,关键点是如何在三维或二维数据中定义形位公差,通过参考基准点系统定义合适的产品公差,并统一前后工序的定位基准。笔者在试验时,结合了设计失效模式及后果分析(DesignFailureModeandEffectsAnalysis),梳理了关键技术和质量特性,并结合测量系统分析,提出产品试验验证及测量检测要求。其中,最重要的是设计型面公差,并将其准确传递给工艺和测量工程师。接下来,笔者以侧围为例说明。

现在有工程师会采用标注线性尺寸公差的方式,这样做无法满足车身激光焊接的匹配精度要求。对于型面公差要求为±0.5mm,以Y方向坐标为例,侧围Ysb=620±0.5mm、顶盖Yroof=620±0.5mm,最大间隙误差Tmax=(YsbmaxYroofmin)=(620.5-519.5)=1mm>0.35mm。因此,激光填丝焊接只会偏向一侧,无法形成完整焊缝,另一侧因为没有焊丝填充,会形成空腔。最大干涉误差Tmin=(Ysbmin-Yroofmin)=(519.5-620.5)=-1mm<0.00mm,侧围与顶盖在装配过程就会发生挤压干涉,激光光斑有可能直接击穿顶盖或侧围。

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理解产品关键特性和工艺过程关键特性

对于车身X、Y、Z坐标系,依据参考基准点系统侧围基准孔是A、B、C,其中基准孔A是第一基准,基准孔B是第二基准,基准孔C是第三基准。在保证前后窗框、前后门框的基础上,笔者又增加了侧围与顶盖搭接面c-d的型面要求,其公差要求也更严格。

从产品失效模式和失效分析判定(DesignFailureModeandEffectsAnalysis),±0.5mm的型面公差将无法保证焊缝质量,顶盖与侧围焊接处会漏水。2004年笔者所在的团队在对后行李箱盖做激光填丝焊接时,就因为在没有定义好公差、模具设计制造、调试、检测、测量延续电阻焊搭接工艺之前就进行了产品定义和工艺开发,最终只能通过TIG焊弥补焊接缺陷。

为了解决这一问题,笔者在后期的工艺开发过程中结合传统尺寸公差,延伸了一个补充定义,型面公差在±0.5mm的基础上增加了极差R的约束,即当公差为±0.5mm时,规定激光焊接搭接型面的极差控制在0.15mm以内。待模具制造完成后,笔者对零件扫描检查,对型面偏差进行统计分析。结果显示,例如当型面偏差75%的尺寸偏差集中在+0.4mm,那么偏差在-0.5mm,-0.2mm,+0.2mm之类的离散偏差就对模具进行修正,通过焊装夹具的定位调整进行位置度补偿,从而保证焊缝质量。

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如果采用线性尺寸公差控制,虽然型面尺寸公差符合检具要求,但实际在装焊匹配时,零部件搭接间隙均匀性和一致性的表现不理想,有些间隙甚至超过2mm。以前激光功率偏小,激光焊丝不超过1mm,经常会出现单边焊不上的严重缺陷。

2010年左右,笔者在进行高倍聚光模组高强度铝板的机器人激光焊接时,根据尺寸公差要求,考虑了冲压单件的搭接面的极差控制,使焊接质量基本得到保证。

随着对激光焊接应用和研究的深入,我们导入了先期产品质量策划和几何尺寸公差规范,优化了项目开发流程,将产品、工艺、装备、设备、质量和测量工程师组成了紧密的合作团队。对于产品公差,笔者通过几何尺寸公差进行了准确定义,根据产品关键特性要求制定冲压检测、焊装总成、焊装匹配检测的规范,在车身骨架装配焊接匹配、检测上引入面轮廓度复合公差。这样一来,产品要求、制造工艺、测量方法和技术就建立在统一的基准之上。

激光焊接存在的问题

激光填丝时的激光光斑为0.5mm,热影响区小,易于控制焊接变形,焊接效率高,特别适合顶盖和侧围焊接。但目前模具、夹具、检具及测量方法缺乏全过程的系统性解决方案,主要问题有产品设计标准与模具设计规范、制造及调试精度不匹配;模具设计标准、补偿与检具设计及测量关键型面不匹配;测量技术及设备没经过全面测量系统分析;模具、检具、夹具设计、制造和匹配调试过程中,参考基准点系统缺乏延续和继承,局部基准和系统基准的包容、约束、逻辑关系及累计补偿关系缺乏理解;在后期调试中,没有充分利用测量数据,进行统计分析。

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导入先期产品质量策划等五大工具

无论是模组、后行李箱盖、车门飞行焊接,还是车身激光填丝焊接,一直是困扰自主车企焊接的难题。2015年底,笔者所在的车企开发了一款车型,并决定车身顶盖与侧围采用激光填丝焊接。

为此笔者成立了一个攻关小组,根据先期产品质量策划要求,运用几何尺寸公差、车身尺

寸工程、产品失效模式和失效分析判、潜在失效模式及影响分析(PotentialFailureModeandEffectsAnalysis)、测量系统分析、统计过程控制等工具,就产品设计标准、模具工艺构件图及计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering),利用测量系统分析现有的检具设计标准能否满足几何公差要求,测量设备能否实现“0.01级别”的测量要求。

在试生产和批量生产时,关键点是如何利用“统计过程控制”工具,搭接间隙位置度和面轮廓度的一致性和稳定性。在2017年底推出的一款SUV车型上,笔者所在的技术团队对每个环节进行了有效控制和测量验证,经过对20辆车身的焊接调试,成功地焊接出完美的激光焊缝。

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为了确保焊缝质量,就需要基于产品关键特性,保证顶盖与侧围搭接面(长度2200mm)轮廓度之间匹配间隙(0.1mm-0.35mm)的要求。笔者所在的团队研究编制了侧围、侧围总成及车身骨架总成失效模式及影响分析文件,作为模具设计、检具设计、夹具设计、测量仪器配置的指导性文件。

接下来,笔者结合潜在失效模式及影响分析、测量系统分析和统计过程控制,说明事先进行冲压工序分析对焊接工艺有着重要作用。潜在失效模式及影响分析结果显示,侧围型面变形导致侧围与顶盖焊接时超差,焊缝不连续和漏水。

接下来进行的是测量系统分析,扫描结果显示仿形高强度铝合金测量块可移动;用0.01mm塞尺进行常规检查;在调试阶段移动全型测量块,在检具上将零件压紧,用三维扫描设备进行扫描。

最后进行的是测量数据统计分析,统计图表是把收集的制程巡检数据依据统计学公式计算控制上、中、下线控制图表,然后再把巡检收集来的制程巡检数据,描点在控制图表上确认在工艺合格的区间内。

基于统计学的概念得出产品性能指数(PPK)和工序能力指数(CPK),之后在批量生产中综合“人、机、料、法、环、测”等主因素的数据,用来指导后续的调整和改进工作。

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激光焊接设备及参数分析

车身激光填丝焊接,利用激光光束作为热源,聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面上,焊丝在光束能量持续加热下融化形成高温液态金属,液态金属浸润到零件表面连接处,形成良好的冶金结合。需要注意的是,激光填丝焊接工件间的连接是通过钎料融合金属形成的,母材不应该被激光熔化。

经过研究,笔者发现提升机器人激光焊接质量的条件有:夹具定位满足焊缝的重复精度在±0.35mm,夹具夹紧后的间隙需稳定并小于0.35mm,送丝速度误差需要稳定在±0.3m/min,机器人激光焊接轨迹的重复精度在0.1mm。

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顶盖焊缝效果确认及在线实时监测

顶盖激光焊接质量,在保证搭接面间隙小于0.35mm的前提下,基本保证激光焊接质量,若搭接处缝隙有稍微偏移,也可通过系统纠正焊缝轨迹,从而保证焊接质量。

为预防批量生产时发生质量问题,激光焊接房应配备激光在线实时检测系统。该系统有以下几个作用:实时检测搭接面间隙,判断搭接面贴合处的坐标位置,实时检测间隙是否超差,导致焊漏;检测贴合面与激光焊接轨迹偏移,导致偏焊;检测送丝系统是否正常送丝,有无卡丝现象。

一旦有异常发生,实时检测系统会将异常信息及时反馈给可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)控制系统,停止焊接进行纠正。焊接完成后,实时检测系统可以在20秒内完成激光焊缝的外观质量检查,可以检查0.2mm左右的微小气孔、0.2mm左右的细小裂纹和其他缺陷,确保激光焊缝在经过涂装处理后不存在任何漏水现象。

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结语

目前,激光焊接在汽车制造业已经得到了广泛应用,为了让激光焊接更好地发挥作用,应当对激光焊接有正确认识。笔者结合车身顶盖焊接、后行李箱盖焊接、铝合金副车架焊接、高倍聚光模组焊接的失败和成功的经验体会,认为要想保证激光焊接的质量,首先需要保证冲压件、焊接分总成件及骨架总成件精度,实现激光焊接的高质量焊接搭接缝隙。

其中,确保焊缝间隙质量则需要有高效的团队协作,团队中的每个成员需要深刻理解和熟悉产品结构的关键特性、几何公差、关键工艺过程特性、测量方法和技术。另外,工程师需要重点关注模具精度、检具精度、夹具精度、测量系统的重复性和再现性。

只有当项目管理到位,形位公差合理满足产品功能要求,设计、工艺、测量基准统一传递准确,制造工艺装备可靠、工艺补偿有效,零部件精度符合公差要求,再配合实时在线监控,在每一步都做到位的情况下,车身机器人激光焊接焊缝质量才能达到理想效果。

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