机器人激光焊接引导汽车制造新方向

焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法，在汽车制造中得到广泛应用。随着科技的进步，镀层钢板、轻金属材料的焊接问题对汽车焊接提出了新的挑战。汽车焊接过程中的机器人与自动化激光焊接技术使汽车焊接面貌大为改观。汽车工业的飞速发展，使得激光焊接技术开启了汽车焊接的新时代。

1 激光焊接技术的特点

在汽车制造工艺里，焊接是汽车装配流水线上一道不可缺少的工序。通常来讲，车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。在零件焊接上，应用到的焊接技术还有闪光焊、电子束焊、电栓焊、脉冲焊、摩擦焊等。近年来，世界上最新出现了激光焊接技术，并且发展得很快。

与目前传统的点焊工艺不同，激光焊接可以达到两块钢板之间的分子结合，通俗而言就是焊接后的钢板硬度相当于一整块钢板，从而将车身强度提升30%，车身的结合精度同样大大提升。当然，激光焊接的实际使用意义并不仅于此。一般来说，车辆在道路上行进时来自地面的颠簸会转换成每分钟上千次的扭曲运动考验车身，如果车身结合精度、强度不够，轻则车内异响频频、噪音大，严重的可能导致安装在车辆上的零部件如变速箱、前后桥的损坏或者车身断裂。

激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。但是，如何保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。所以说，激光焊接是一门技术性非常强的先进制造工艺。

2 国外汽车工业机器人激光焊接技术的应用

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作的时间等，具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术使得对机器人生产线的监控、诊断和管理更加便捷。

机器人焊接目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接。丰田公司将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量，甚至试图用它来代替某些弧焊作业，同时，在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。轿车后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等底盘零件大都是以惰性气体保护焊(metal-Inert Gas Welding，MIG)为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.5～4 mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd：YAG激光器。Nd：YAG激光器波长为1.06 mm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3～4 kW的Nd：YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO_{2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6 mm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2～5 kW之间。汽车工业中激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。}

德国的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生产CO_{2激光器，HAAS公司则主要生产固体(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生产新型的光纤激光器，Laserline公司生产半导体激光器，形成相互竞争又互相补充的激光技术研发与生产链。大众汽车、宝马汽车、奔驰汽车和美雅(Meyer)船厂是德国应用激光焊接技术的示范企业。德国的大众汽车已经将激光焊接技术引入中国，并在上海大众和一汽－大众的轿车批量生产线上应用，推动了中国激光焊接技术的应用。}

使用输出功率大于4 kW的二极管激发的固体激光器，对于铝合金的焊接具有决定性的意义。这些系统的光束质量特别好，能够瞬间注入直径为0.4 mm的光纤中。激光束的聚焦能力极大地依靠于光纤的截面积。这表明这种新一代的固体激光器的潜力是“点”直径更小，功率密度更高，使人们能够进行以连续波的模式进行焊接。例如，用于对小型样品和小零件的各种连接，如对接、T形焊接和搭接进行了研究，零件的材料是AlMgSi0.7(厚度：3 mm)和AlMg3(厚度：1.6 mm)铝合金。高质量的焊道外形只有在纯粹的连续波状态才有可能。当使用千瓦级的二极管激发的Nd：YAG激光器焊接铝时，在很宽的参数范围内都能获得很高的可靠性。

3 机器人激光焊接技术的发展趋势

世界各主要工业发达国家都非常重视发挥焊接研究机构的作用，基本上都形成大学研究所企业的三级研究开发体系。各主要工业发达国家都成立了焊接研究所，如英国的焊接研究所(TWI)、美国的爱迪生焊接研究所(EWI)、法国焊接研究所(FWI)、日本的连接与溶接研究所(JRWI)、乌克兰的巴顿电焊研究所(PEWI)、德国亚琛大学的焊接研究所(ISF)和德国焊接学会(DVS)下属的分布在全国各地的焊接研究与培训中心(SLV)等，而韩国的焊接研究中心是设在韩国现代科学技术研究院(KAIST)的韩国工业生产技术研究院KITCH之内。它们都属于国家级的焊接研究机构。

纵观整个汽车工业焊接现状，不难分析出汽车工业焊接发展趋势为：发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速使用了机器人。焊接方面，主要使用是点焊机器人和弧焊机器人。焊接生产线要高度自动化，广泛采用6自由度机器人，且机器人具有焊钳储存库，可焊装部位不同要求或焊装产品变更，自动从储存库抓换所需焊钳。传输装置则已发展为采用无人驾驶更具柔性化感应导向小车。发展轻便组合式智能自动焊机，焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入 和输出程序。机器人动作采用点到点序步轨迹，具有很高焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。

机器人焊接技术未来的研究方向主要有：

1) 焊接过程控制系统的智能化。电子技术、计算机微电子和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展；

2) 开展最佳控制方法方面的研究，包括线性和各种非线性控制。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究；

3) 焊接柔性化技术。将各种光、机、电技术与焊接技术有机结合，以实现焊接的精确化和柔性化。用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平淡的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平；

4) 焊接机器人与专家系统的结合，实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能；

5) 提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和控制，以及优良的动感性。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡开头、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术，使焊接技术由“技艺”向“科学”演变。

4 结束语

近些年来，国外汽车工业在机器人激光焊接技术方面的应用及推广起到了积极的推动作用。针对汽车产品“更轻、更安全、性能更好且成本更低”的发展目标，当前的汽车机器人激光焊接技术正在传统的材料连接概念与方法的基础上迅速地延伸和拓展，并向先进的“精量化焊接制造”的方向发展。相信不久的将来，我国借鉴国外经验，通过大力开发高效节能的焊接新技术、新材料、新工艺和新设备、应用机器人技术，轻便灵巧的智能设备及计算机和信息技术，国内汽车行业机器人激光焊接技术将会逐步缩短与国外的差距，必将取得更大的进步。