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      焊接是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車(chē)制造中得到廣泛應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，鍍層鋼板、輕金屬材料的焊接問(wèn)題對(duì)汽車(chē)焊接提出了新的挑戰(zhàn)。汽車(chē)焊接過(guò)程中的機(jī)器人與自動(dòng)化激光焊接技術(shù)使汽車(chē)焊接面貌大為改觀。汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，使得激光焊接技術(shù)開(kāi)啟了汽車(chē)焊接的新時(shí)代。

1 激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)

在汽車(chē)制造工藝?yán)?，焊接是汽?chē)裝配流水線(xiàn)上一道不可缺少的工序。通常來(lái)講，車(chē)身焊接主要有電阻電焊、縫焊、二氧化碳焊等方式。在零件焊接上，應(yīng)用到的焊接技術(shù)還有閃光焊、電子束焊、電栓焊、脈沖焊、摩擦焊等。近年來(lái)，世界上最新出現(xiàn)了激光焊接技術(shù)，并且發(fā)展得很快。

與目前傳統(tǒng)的點(diǎn)焊工藝不同，激光焊接可以達(dá)到兩塊鋼板之間的分子結(jié)合，通俗而言就是焊接后的鋼板硬度相當(dāng)于一整塊鋼板，從而將車(chē)身強(qiáng)度提升30%，車(chē)身的結(jié)合精度同樣大大提升。當(dāng)然，激光焊接的實(shí)際使用意義并不僅于此。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛在道路上行進(jìn)時(shí)來(lái)自地面的顛簸會(huì)轉(zhuǎn)換成每分鐘上千次的扭曲運(yùn)動(dòng)考驗(yàn)車(chē)身，如果車(chē)身結(jié)合精度、強(qiáng)度不夠，輕則車(chē)內(nèi)異響頻頻、噪音大，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致安裝在車(chē)輛上的零部件如變速箱、前后橋的損壞或者車(chē)身斷裂。

激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎沒(méi)有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制是一個(gè)激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)處理，針對(duì)不同焊接對(duì)象和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫質(zhì)量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光焊接。所以說(shuō)，激光焊接是一門(mén)技術(shù)性非常強(qiáng)的先進(jìn)制造工藝。

2 國(guó)外汽車(chē)工業(yè)機(jī)器人激光焊接技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等，具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線(xiàn)操作提示和使用方便等特點(diǎn)。目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)的監(jiān)控、診斷和管理更加便捷。

機(jī)器人焊接目前已廣泛應(yīng)用在汽車(chē)制造業(yè)，汽車(chē)底盤(pán)、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力變矩器等焊接。豐田公司將點(diǎn)焊作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)裝備其日本國(guó)內(nèi)和海外的所有點(diǎn)焊機(jī)器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，甚至試圖用它來(lái)代替某些弧焊作業(yè)，同時(shí)，在短距離內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也大為縮短。該公司推出一種高度低的點(diǎn)焊機(jī)器人，用它來(lái)焊接車(chē)體下部零件。這種矮小的點(diǎn)焊機(jī)器人還可以與較高的機(jī)器人組裝在一起，共同對(duì)車(chē)體上部進(jìn)行加工，從而縮短了整個(gè)焊接生產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)度。轎車(chē)后橋、副車(chē)架、搖臂、懸架、減振器等底盤(pán)零件大都是以惰性氣體保護(hù)焊(Metal-Inert Gas Welding，MIG)為主的受力安全零件，主要構(gòu)件采用沖壓焊接，板厚平均為1.5～4 mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車(chē)的安全性能。應(yīng)用機(jī)器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境。

激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是固體激光器，又稱(chēng)Nd：YAG激光器。Nd：YAG激光器波長(zhǎng)為1.06 mm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車(chē)工業(yè)常用輸出功率為3～4 kW的Nd：YAG激光器。另一類(lèi)是氣體激光器，又稱(chēng)CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6 mm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2～5 kW之間。汽車(chē)工業(yè)中激光技術(shù)主要用于車(chē)身拼焊、焊接和零件焊接。

德國(guó)的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生產(chǎn)CO2激光器，HAAS公司則主要生產(chǎn)固體(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生產(chǎn)新型的光纖激光器，Laserline公司生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器，形成相互競(jìng)爭(zhēng)又互相補(bǔ)充的激光技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)鏈。大眾汽車(chē)、寶馬汽車(chē)、奔馳汽車(chē)和美雅(Meyer)船廠是德國(guó)應(yīng)用激光焊接技術(shù)的示范企業(yè)。德國(guó)的大眾汽車(chē)已經(jīng)將激光焊接技術(shù)引入中國(guó)，并在上海大眾和一汽－大眾的轎車(chē)批量生產(chǎn)線(xiàn)上應(yīng)用，推動(dòng)了中國(guó)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用。

使用輸出功率大于4 kW的二極管激發(fā)的固體激光器，對(duì)于鋁合金的焊接具有決定性的意義。這些系統(tǒng)的光束質(zhì)量特別好，能夠瞬間注入直徑為0.4 mm的光纖中。激光束的聚焦能力極大地依靠于光纖的截面積。這表明這種新一代的固體激光器的潛力是“點(diǎn)”直徑更小，功率密度更高，使人們能夠進(jìn)行以連續(xù)波的模式進(jìn)行焊接。例如，用于對(duì)小型樣品和小零件的各種連接，如對(duì)接、T形焊接和搭接進(jìn)行了研究，零件的材料是AlMgSi0.7(厚度：3 mm)和AlMg3(厚度：1.6 mm)鋁合金。高質(zhì)量的焊道外形只有在純粹的連續(xù)波狀態(tài)才有可能。當(dāng)使用千瓦級(jí)的二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器焊接鋁時(shí)，在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)都能獲得很高的可靠性。

3 機(jī)器人激光焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

世界各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視發(fā)揮焊接研究機(jī)構(gòu)的作用，基本上都形成大學(xué)研究所企業(yè)的三級(jí)研究開(kāi)發(fā)體系。各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都成立了焊接研究所，如英國(guó)的焊接研究所(TWI)、美國(guó)的愛(ài)迪生焊接研究所(EWI)、法國(guó)焊接研究所(FWI)、日本的連接與溶接研究所(JRWI)、烏克蘭的巴頓電焊研究所(PEWI)、德國(guó)亞琛大學(xué)的焊接研究所(ISF)和德國(guó)焊接學(xué)會(huì)(DVS)下屬的分布在全國(guó)各地的焊接研究與培訓(xùn)中心(SLV)等，而韓國(guó)的焊接研究中心是設(shè)在韓國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)的韓國(guó)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究院KITCH之內(nèi)。它們都屬于國(guó)家級(jí)的焊接研究機(jī)構(gòu)。

縱觀整個(gè)汽車(chē)工業(yè)焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車(chē)工業(yè)焊接發(fā)展趨勢(shì)為：發(fā)展自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機(jī)器人，因集自動(dòng)化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點(diǎn)于一身，故轎車(chē)生產(chǎn)近年來(lái)大規(guī)模、迅速使用了機(jī)器人。焊接方面，主要使用是點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。焊接生產(chǎn)線(xiàn)要高度自動(dòng)化，廣泛采用6自由度機(jī)器人，且機(jī)器人具有焊鉗儲(chǔ)存庫(kù)，可焊裝部位不同要求或焊裝產(chǎn)品變更，自動(dòng)從儲(chǔ)存庫(kù)抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無(wú)人駕駛更具柔性化感應(yīng)導(dǎo)向小車(chē)。發(fā)展輕便組合式智能自動(dòng)焊機(jī)，焊接由R30型極坐標(biāo)式機(jī)器人和G60肘節(jié)式機(jī)器人61臺(tái)進(jìn)行，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)由微機(jī)控制，數(shù)字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入 和輸出程序。機(jī)器人動(dòng)作采用點(diǎn)到點(diǎn)序步軌跡，具有很高焊接自動(dòng)化水平，既改善了工作條件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，又降低材料消耗。

機(jī)器人焊接技術(shù)未來(lái)的研究方向主要有：

1) 焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的智能化。電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)微電子和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。特別是數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)和信息處理技術(shù)等單元技術(shù)的引入，促進(jìn)了焊接自動(dòng)化技術(shù)革命性的發(fā)展；

2) 開(kāi)展最佳控制方法方面的研究，包括線(xiàn)性和各種非線(xiàn)性控制。最具代表性的是焊接過(guò)程的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及專(zhuān)家系統(tǒng)的研究；

3) 焊接柔性化技術(shù)。將各種光、機(jī)、電技術(shù)與焊接技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)焊接的精確化和柔性化。用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動(dòng)化水平淡的根本途徑。將數(shù)控技術(shù)配以各類(lèi)焊接機(jī)械設(shè)備，以提高其柔性化水平；

4) 焊接機(jī)器人與專(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)校正軌跡、自動(dòng)控制熔深等功能；

5) 提高焊接電源的可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性和控制，以及優(yōu)良的動(dòng)感性。開(kāi)發(fā)研制具有調(diào)節(jié)電弧運(yùn)動(dòng)、送絲和焊槍姿態(tài)，能探測(cè)焊縫坡開(kāi)頭、溫度場(chǎng)、熔池狀態(tài)、熔透情況，適時(shí)提供焊接規(guī)范參數(shù)的高性能焊機(jī)，并應(yīng)積極開(kāi)發(fā)焊接過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使焊接技術(shù)由“技藝”向“科學(xué)”演變。

4 結(jié)束語(yǔ)

近些年來(lái)，國(guó)外汽車(chē)工業(yè)在機(jī)器人激光焊接技術(shù)方面的應(yīng)用及推廣起到了積極的推動(dòng)作用。針對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發(fā)展目標(biāo)，當(dāng)前的汽車(chē)機(jī)器人激光焊接技術(shù)正在傳統(tǒng)的材料連接概念與方法的基礎(chǔ)上迅速地延伸和拓展，并向先進(jìn)的“精量化焊接制造”的方向發(fā)展。相信不久的將來(lái)，我國(guó)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)大力開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的焊接新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備、應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，輕便靈巧的智能設(shè)備及計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)機(jī)器人激光焊接技術(shù)將會(huì)逐步縮短與國(guó)外的差距，必將取得更大的進(jìn)步。