激光拼焊生产线规划设计及应用

摘要：首先分析了激光拼焊产品及其特点，探讨了在激光拼焊生产线设计中的主要问题：工艺流程、生产规划、生产线布局及激光拼焊质量控制等，给出了相应的对策，并在实际生产线设计中加以应用。

关键词：激光拼焊；生产线；布局；质量控制

激光拼焊产品是随着国际汽车工业的迅速发展、减轻汽车重量、降低油耗，生产更加环保、安全的汽车环境及时代要求而出现的一类新型焊接产品。很多复杂汽车零部件都要求焊接成形，尤其汽车车身的拼焊，更具有优势。但同时焊接产品的尺寸精度要求也非常高。激光拼焊生产线的规划与设计直接影响产品质量、生产效率和整个生产系统的效益。激光拼焊生产线的规划是对激光拼焊产品生产过程中各生产要素，包括人力、资源、装备和信息等进行整体的、全面的、有效的分析和优化，使其能够形成高质量、低成本和高效率的综合技术系统。集成了计算机模拟及仿真技术、最优化技术、管理技术的激光拼焊生产线规划和设计方法将成为焊接制造业向新型工业化转变的关键技术和研究重点[2]。

1 激光拼焊及其特点

激光拼焊是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材或铝材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。钢板经激光拼焊后，不需进行其它机械加工，即可一次冲压成型，这样制成的拼焊板结构能达到最合理的金属组合。激光拼焊主要有以下特点：

1)焊缝处的热应变值较低，热影响区小，拼焊板保留良好的材料成形性能；
2)焊缝较狭窄且平整，消除成形过程的不利影响，避免了破坏工具、模具的危险；
3)焊接生产效率高，易于实现高度自动化。

在激光拼焊产品的制造过程中，除了要求保证焊缝的力学性能和几何尺寸等传统焊接工艺和技术指标外，还对激光拼焊板各道工序的形位尺寸和制造精度也明确了更严格的技术指标；同时对激光拼焊生产线的生产效率和批量焊接产品的合格率同样也提出了非常高的要求。

图1 激光拼焊板结构变化特征

激光拼焊生产线主要由以高功率激光作为焊接热源，是一个必须采用焊接专用工序及其设备、上下料机器人及其设备、质量检测及其设备和生产人员组成的复杂制造系统，具有自动化程度高、投资大、开发周期长的特点。对于批量生产、多板、非直线焊逢的零部件焊接，其发展方向是由全自动激光拼焊生产线来实现。

影响激光拼焊产品焊接质量的因素很多，且影响的方式各不相同。各影响因素不仅单独影响产品焊接精度，同时这些影响因素之间相互关联且相互影响。为了保证焊接产品的焊接质量，仅考虑单独工序的焊接过程本身是不够的，即使各相对独立的焊接加工设备的工序能力能满足要求，也无法做到保证整个激光拼焊产品的总体质量要求。

从目前的激光拼焊的发展来看，激光拼焊产品结构越来越复杂，形状特征更加多变，激光拼焊加工的工艺参数和工艺流程的变化对焊接质量的不同影响，不仅和激光器、拼焊板材本身固有的属性有关，而且和系统实际运行中的随机因素有关，因而增加了系统分析的复杂性。

2 激光拼焊生产线规划的主要问题

一般认为，规划是确定在给定约束下用有限的资源来实现理想目标，它是人的动机与行为之间的协调环节[4]。激光拼焊生产线的规划主要解决激光拼焊制造过程中的以下问题：1)焊接制造系统总体设计，合理布置车间和生产线；2)焊接专用设备设计、选择和优化；3)焊接生产工艺确定和工艺参数优化；4)生产节拍合理性、合理匹配设备利用率等；5)确定库存和警戒线、物流供应、物料存放；6)生产过程的质量保证和质量管理。

2.1 激光拼焊生产线的工艺设计

激光拼焊工艺规划是在对激光焊接产品的结构和功能的分析基础上，提供设计过程和可加工性评价的工艺规划。其目标是将原材料转换为给定形状的产品所必须完成的过程；其主要内容是确定具体的加工工艺路线和内容，包括机器人上下料、工装夹具、焊接设备和方法、焊接参数、工件的物流输送方式等，为生产线宏观规划阶段焊接专用设备原型设计和选择、生产能力预计和投资前的生产分析等提供依据。

激光拼焊产品特有的工艺特征增加了工艺规划的难度，激光拼焊产品的工艺规划是保证产品的焊接质量及焊接工艺是否成功的一个关键步骤。文献[5]利用热弹塑性有限元方法和残余塑变有限元方法研究激光拼焊产品加工的焊接方法与工艺参数优化，为激光拼焊生产线的工艺规划提供了重要依据。

激光拼焊一般由多块焊板(分元件)经工装、焊接、检测等工序得到成品(总元件)；而每个分元件在进入焊接加工前，也需要进行工装、切割、检测、清洗等工序，得到以总元件加工为总结点以分步加工为分节点的有序树形结构，如下图2所示。

图2 激光拼焊生产线工艺规划的树形结构nextpage

2.2 激光拼焊生产线的布局规划

激光拼焊生产线规划时，应考虑产品质量、生产成本、零件加工时间、工作辅助时间等多种要素，根据企业的经营目标、生产纲领和车间的特点，建立合理的车间物料布局，实现物流平衡，减轻搬运作业，减少库存时间，均衡设备能力和负荷，将人员、设备、物料等所需要的空间、时间做最适当的分配和最有效的组合，获得最大的生产经济效益。根据激光拼焊产品的特点和工艺要求，在实际的设计生产过程中，激光拼焊生产线设施的布局规划采取加工岛区与加工单元结合的布局原则。按照部件将生产线分解为若干个加工岛区，以拼焊加工岛区为主干，与各相对独立的加工岛区通过耦合关系构成整条生产线；每个加工岛区内部，不同功能的制造单元(工装、切割、焊接、机械加工、检测等)由具有一定节拍的输送/物流连接。激光拼焊产品生产过程中的输送/物流系统，特别是焊前的缓冲区、焊后的出料物流单元的长度和走向的规划与设计，与前后工序排布乃至整个生产线的整体布局有密切的关系。整个激光拼焊生产线的布局规划图如图3所示。

图3 激光拼焊生产线的布局规划图

2.3 激光拼焊生产线的生产规划

生产规划是对确定的生产任务，通过下达生产指令，安排设施和资源、加工时间及加工顺序，获得生产任务执行时间或成本的最优化[7]。根据加工系统的复杂程度，生产调度可以分为单机规划、Jop-shop规划、Flow-shop规划、Open-shop规划、多机器并行加工(K.mach in einparalle1)规划等基本类型。

激光拼焊生产线是基于性能的、动态的，其生产规划问题是由Job-shop和Flow-shop型等基本规划类型组合而成。根据交货期、工艺路线、设施和资源等约束条件规划，来确定生产组织与调度，得到时间或成本的最优化。激光拼焊生产线由各相对独立的加工岛区通过耦合关系构成整个生产线，整个生产线的平衡是生产规划的核心问题。其规划原则为：1)整个生产线的生产要保持一定的节拍；2)在每个加工岛区内部，采用自由节拍的方式，发挥加工岛区的自治功能；3)每个加工岛区可以独立定义子工作流，并相对独立地执行子工作流；4)在遇到紧急任务的情况下，加工岛区可进行局部调整或并行执行工作流程；但必须保证单个加工岛区的生产节拍与整个生产线的生产规划相匹配。最终的实际生产线布局如图4所示。

图4 实际激光拼焊生产线的布局图

2.4 激光拼焊质量控制规划

激光拼焊是大批量、高速焊接的，主要用于汽车行业的车身焊接，因此就要求拼焊产品具有严格的质量保证。实际生产中采用基于SPC的规划，SPC(统计过程控制，Statistics Process Contro1)是通过对过程的各个阶段(前期的切割或者剪切，后期的激光焊接)进行监控和诊断来提高与保证质量。当生产过程处于统计控制状态时，通过过程能力指数(Process Capability Index)判断产品是否满足所规定的质量要求。过程能力指数是指过程能力满足标准要求的程度，是衡量加工过程内在质量控制一致性的指标，通常用C表示。对于大批量生产的激光拼焊产品，当过程处于稳态时，其整个生产过程能力指数CPK满足1133[CPK]1.67，表明过程能力充分，并保证产品质量。

一般来说，同一批量的激光拼焊产品，在原材料、焊接工艺和操作方法确定的情况下，焊接过程本身较为稳定。引起激光拼焊生产在过程中的产品质量变异的主要因素包括：机械设备的正常磨耗及故障、工装夹具的精度误差、相关工序间质量累积误差。产品的质量特征服从正态分布，设备故障的概率分布服从指数分布[10]。

激光拼焊生产线质量控制规划，是对上述影响因素提出设计方案和控制策略。激光拼焊生产线由多道工序、多台设备组成的复杂生产系统，应以离散事件动态系统的建模理论建立质量仿真系统，考虑生产系统的随机因素和阻塞状态时各工序、设备影响质量的不同概率分布，并考虑其相互叠加的综合影响，以总过程能力指数CPK满足规划要求为目标函数，引入由设计人员经验得到的最低工序成本加权，求得各工序的过程能力指数。

激光拼焊各专用设备及工装的精确估算值T1的估算以各工序CPK为依据，T1=T1/K1，(1)式中：T1为该工序的质量设计目标值(工序的精确控制值)；K1为与CPK有关的经验值，一般为2CPK。

总之，激光拼焊生产线规划的研究目标就是要在保证激光拼焊产品质量的前提下，最大限度地发挥整条激光拼焊生产线最大效益的多目标规划。激光拼焊生产线设计规划的主要内容和关键问题包括：激光拼焊工艺、激光拼焊生产规划、激光拼焊生产线布局及激光拼焊的多元质量控制规划。

3 结语

激光拼焊生产线是自动化程度高、投资大、开发周期长的复杂制造系统。生产线的规划与设计对保证拟建的生产线实现高质量、低成本、高效率的综合技术系统起到至关重要的影响。指出了激光拼焊生产线规划中的主要问题和相关规划，实际工作表明对激光拼焊生产线规划的研究对实际生产线的设计与开发具有重要的参考价值。