高柔性钢铝混合型门线的研发及应用

高柔性钢铝混合型门线的研发及应用

杜东亮   ,扶廷凯  ,郭兆宽 ,高宏波 ,王春雷

中国汽车工业工程有限公司   天津南开  300113

摘要：随着SPR、铝点焊、激光飞行焊等新型连接工艺的成熟，铝材质开始在很多车型上大规模应用，铝车身有着重量轻、抗氧化性高、可延展性强等优点，已成为汽车的一个重要卖点。目前很多车企往往先在车门区域尝试使用铝材质，而在建的柔性生产线还必须考虑原有钢制车型车门的生产，这就要求必须建设一种高柔性，兼顾钢铝车型的新型线体，在我们承建的焊装项目中，我们研发并建设了这类线体。本文介绍了该线体的基本工艺布置及切换形式，希望能对后续该类线体建设提供参考。

关键词：门线，SPR，铝点焊，激光飞行焊

0 前言

铝车身的连接历来是车身车间连接的难点，近年来，在铝车身连接上，经常要试用SPR、FDS、铝点焊等特殊工艺，其与传统钢点焊有着很大的区别，线体很难共用。另一方面，随着汽车工业的发展，消费者对车型的需求越来越多，汽车厂商又要求线体厂商必须设计高柔性的焊接线体，可快速导入新车型，目前，我们已经批量建设了一批基于立库的高柔性门线，在此基础上，结合铝车身焊接用到的新工艺，我们研发了一种通用型更强的高柔性钢铝混合型门线。

1基于立体夹具库的柔性门线工艺介绍

近年来，我们开发了一种基于立体夹具库的高柔性自动门线，该系统由伺服转台、转台上高速滚床、GEO夹具、移行滚床、立库内库位滚床、立体夹具库等部分组成，图1为基于立体夹具库的柔性门线图示。

该工艺设计有两套GEO夹具，分别放在伺服转台的两个面，外侧为人工上件位，内侧为机器人焊接位，工位间通过机器人在上件位进行搬运。立库内库位滚床和移行滚床组成内部切换系统，该系统内可存放一个车型的夹具。立库系统由堆垛机和货架组成，可将库格内夹具提前放置在库位滚床上，切换车型时可实现两分钟内快速切换。

图1基于立体夹具库的柔性门线图示               图2 立体夹具库系统

2 钢铝混合型门线工艺介绍

在立库形式柔性门线的基础上，针对铝车身连接特有的一些工艺，在我们又重新设计了一种钢铝混合型门线，下面以左前门为例介绍下该线体。

1）左前门10工位

该工位为GEO上件点定工位，采用传统转台布局，工位布置有两个焊接机器人和一个搬运机器人。一期先上铝制车门，两台机器人持两把铝点焊枪，二期上钢制车身时，通过更换电极帽改造铝点焊枪，同时，需要增加一套钢点焊用修磨器，改造后即可满足钢车身的生产。

2）左前门20工位

该工位为GEO上件工位，采用传统转台布局，工位布置有两个焊接机器人和一个搬运机器人。一期上铝车门时，使用SPR工艺对板件进行连接，二期上钢制车身时，通过换枪盘将SPR枪切换为普通点焊焊枪，同时，需要增加一套钢点焊用修磨器，改造后即可满足钢车身的生产。

3）左前门30工位

该工位为GEO上件工位，采用传统转台布局，工位布置有两个激光焊机器人和一个搬运机器人。一期上铝车门时，使用激光飞行焊技术连接板件，该工艺可兼容钢制车身和铝制车身，后期可直接上钢制车身。

4）左前门40工位

该工位为补焊工位，与10工位类似，一期先上铝制车门，两台机器人持两把铝点焊枪，二期上钢制车身时，通过更换电极帽改造铝点焊枪，同时，需要增加一套钢点焊用修磨器，改造后即可满足钢车身的生产。

5）左前门50工位

该工位为GEO上件工位，工艺与与10工位类似，一期先上铝制车门，二期通过改造原焊枪，增加修磨器实现钢制车身的生产。

6）左前门60工位-90工位

60工位为外板上件工位，70工位为滚边工位，80工位为过渡工位，90工位为下件及点焊工位。这几个工位铝车身和钢制车身工艺完全一致，一期先上铝制车身，二期上钢制车身时，仅需在90工位再加一把固定钢点焊枪即可生产钢制车身。

图3 左前门区域布局图

3 铝车门生产特殊工艺介绍

在本次设计的钢铝混合型门线上，我们应用了SPR、激光飞行焊、铝点焊等特殊工艺，并且引进了修磨换帽一体机等新式设备，现一一做简要介绍。

3.1 SPR工艺

    SPR是一种冷连接工艺，SPR铆钉在外力的作用下穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动延展，形成相互镶嵌的永久塑性形变，这样的铆钉连接技术成为自冲铆，英文简称SPR（Self-piercing Rivet）。所述“自冲铆”中文名称源自亨罗布，也有其他供应商将此种连接称为锁铆连接，顾名思义就是铆钉与底层板件形成了一种互锁的关系。

SPR连接的工艺过程包括四个阶段：夹紧→冲裁→扩张→冲铆，如图4所示。该工艺目前广泛应用于铝制车身的连接上，有着以下优点：

1）可以实现多种材料连接 （钢、铝、塑料）；

2）铝车身SPR铆接点的静态强度、疲劳强度均高于等厚Al板材电阻点焊强度；

3）单步工艺；

4）CT时间短，纯铆接时间仅需2s；

5）能耗低，节能环保；

6）工艺质量可以过程自监控。

     当然，该工艺也有着成本过高、必须使用C型铆接枪等局限性，一般都会与其他工艺配合起来一起使用。

图4 SPR流程示意图

3.2 铝点焊工艺

虽然都是电阻点焊，铝合金的很多特性使得铝点焊难度远大于钢点焊，铝合金表面极易生成致密的氧化膜，其熔点约2050℃，而铝合金本身的熔点只有660℃，氧化膜在点焊时会阻碍金属之间的良好结合，导致未焊透、夹渣缺陷。铝合金具有较大的热导率和比热容，因此焊接时必须采用能量集中、功率大的热导率和比热容，因此焊接时必须采用能量集中、功率大的热源。铝的线膨胀系数为23.5X10-6/℃，凝固时体积收缩率达6.5%，熔核易产生裂纹，需要较大的电极压力。

铝合金材料的这些特点，使得其焊接性明显劣于钢材，汽车车身铝合金材料需要的焊接电流最高达50kA，远超钢点焊要求的9-15kA，电极压力最大达8kN，也要大于目前钢点焊3-4.5kN的压力范围。铝合金点焊所采用的焊钳与传统点焊焊钳有所不同，其焊钳的结构和最大压力以及电极帽尺寸都有所差异。如图5所示，另外铝合金焊接过程中，其电极非常容易被污染，20次左右的点焊就需要再次修磨电极，这就使得铝合金点焊的连续性受到了很大程序的影响。因此对铝合金进行点焊焊接时，除了更大的能量密度需求外，还要保证电极头的清洁与维护，这样才能够有效地提升常规铝合金焊接效率，保证铝合金点焊地焊接质量。焊接系统如下图6：

图5 铝点焊枪示意图                  图6 铝点系统示意图

3.3激光飞行焊工艺

激光飞行焊是一种钢铝通用的工艺，激光飞行焊接扫描头可以从500mm以外的位置进行激光焊接，在不移动扫描头的情况下，通过扫描镜的运动，可以进行类似光扫描的焊接。

激光飞行焊技术通过在极短时间内的快速定位，极大地降低了生产节拍，较小的热输入量保证总成焊后产生的变形小，更有利于产品质量的提升。由于其通过机器人手臂与激光扫描仪紧密配合使用，保证在焊接过程中与工件零接触，焊缝位置可实现灵活多变化及大型零件、复杂曲面的快速多点焊接。这样不仅减少了焊接设备的过多投入及使用场地的占用，降低单台生产成本，而且焊接整体效果稳定。

激光飞行焊需设计专门的激光房，并且需布置恒温房放置激光器，配备相应的冷水机冷却系统和排烟除尘系统，本次项目上，我们使用了BLACKBIRD的振镜激光焊接器，如图7所示:

图7 激光飞行焊系统示意图

3.4 修磨换帽一体机

由于铝点焊在焊接过程中，电极帽非常容易损坏，20个点左右就需要修模一次，200个点左右就需要换一次电极帽，其换帽频率要求很高。为减轻工厂维护压力，我们在本项目上应用了修模换帽一体机，并配备了一整套整体断水抽水解决方案，如下图所示：

图8 断水抽水解决方案及修磨换帽一体机图示

4总结

本次研发应用的新型线体，不仅可以容纳足够多的车型，还可以兼顾钢质车身、铝制车身等多种类型的车身，大大提升了线体的通用性。该线体是为业主焊装线建设的第一个高端柔性门线，为业主冲击高端提供了助力，后续该线体还可以为业主快速的投入更多的高端车型，为企业进一步抢占市场提供支持。

参考文献：

[1]陈雷 刘林.汽车焊装生产线高速输送设备的设计探析[J].汽车博览，2020（26）：70-72.