焊接是現(xiàn)代機械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛應用。隨著科技的進步，鍍層鋼板、輕金屬材料的焊接問題對汽車焊接提出了新的挑戰(zhàn)。汽車焊接過程中的機器人與自動化激光焊接技術使汽車焊接面貌大為改觀。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，使得激光焊接技術開啟了汽車焊接的新時代。

1 激光焊接技術的特點

在汽車制造工藝里，焊接是汽車裝配流水線上一道不可缺少的工序。通常來講，車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，應用到的焊接技術還有閃光焊、電子束焊、電栓焊、脈沖焊、摩擦焊等。近年來，世界上最新出現(xiàn)了激光焊接技術，并且發(fā)展得很快。

與目前傳統(tǒng)的點焊工藝不同，激光焊接可以達到兩塊鋼板之間的分子結合，通俗而言就是焊接后的鋼板硬度相當于一整塊鋼板，從而將車身強度提升30%，車身的結合精度同樣大大提升。當然，激光焊接的實際使用意義并不僅于此。一般來說，車輛在道路上行進時來自地面的顛簸會轉換成每分鐘上千次的扭曲運動考驗車身，如果車身結合精度、強度不夠，輕則車內(nèi)異響頻頻、噪音大，嚴重的可能導致安裝在車輛上的零部件如變速箱、前后橋的損壞或者車身斷裂。

激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，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，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制是一個激光利用領域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)自動化激光焊接。所以說，激光焊接是一門技術性非常強的先進制造工藝。

2 國外汽車工業(yè)機器人激光焊接技術的應用

機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動作的時間等，具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產(chǎn)線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術使得對機器人生產(chǎn)線的監(jiān)控、診斷和管理更加便捷。

機器人焊接目前已廣泛應用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接。豐田公司將點焊作為標準來裝備其日本國內(nèi)和海外的所有點焊機器人。用這種技術可以提高焊接質(zhì)量，甚至試圖用它來代替某些弧焊作業(yè)，同時，在短距離內(nèi)的運動時間也大為縮短。該公司推出一種高度低的點焊機器人，用它來焊接車體下部零件。這種矮小的點焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車體上部進行加工，從而縮短了整個焊接生產(chǎn)線長度。轎車后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等底盤零件大都是以惰性氣體保護焊(Metal-Inert Gas Welding，MIG)為主的受力安全零件，主要構件采用沖壓焊接，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)量要求相當高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應用機器人焊接后，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)定性和降低勞動強度，改善了勞動環(huán)境。

激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd：YAG激光器。Nd：YAG激光器波長為1.06 mm，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4 kW的Nd：YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱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，標準激光功率在2～5 kW之間。汽車工業(yè)中激光技術主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。

德國的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)半導體激光器，形成相互競爭又互相補充的激光技術研發(fā)與生產(chǎn)鏈。大眾汽車、寶馬汽車、奔馳汽車和美雅(Meyer)船廠是德國應用激光焊接技術的示范企業(yè)。德國的大眾汽車已經(jīng)將激光焊接技術引入中國，并在上海大眾和一汽－大眾的轎車批量生產(chǎn)線上應用，推動了中國激光焊接技術的應用。

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”直徑更小，功率密度更高，使人們能夠進行以連續(xù)波的模式進行焊接。例如，用于對小型樣品和小零件的各種連接，如對接、T形焊接和搭接進行了研究，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。當使用千瓦級的二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器焊接鋁時，在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)都能獲得很高的可靠性。

3 機器人激光焊接技術的發(fā)展趨勢

世界各主要工業(yè)發(fā)達國家都非常重視發(fā)揮焊接研究機構的作用，基本上都形成大學研究所企業(yè)的三級研究開發(fā)體系。各主要工業(yè)發(fā)達國家都成立了焊接研究所，如英國的焊接研究所(TWI)、美國的愛迪生焊接研究所(EWI)、法國焊接研究所(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)、德國亞琛大學的焊接研究所(ISF)和德國焊接學會(DVS)下屬的分布在全國各地的焊接研究與培訓中心(SLV)等，而韓國的焊接研究中心是設在韓國現(xiàn)代科學技術研究院(KAIST)的韓國工業(yè)生產(chǎn)技術研究院KITCH之內(nèi)。它們都屬于國家級的焊接研究機構。

縱觀整個汽車工業(yè)焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車工業(yè)焊接發(fā)展趨勢為：發(fā)展自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機器人，因集自動化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點于一身，故轎車生產(chǎn)近年來大規(guī)模、迅速使用了機器人。焊接方面，主要使用是點焊機器人和弧焊機器人。焊接生產(chǎn)線要高度自動化，廣泛采用6自由度機器人，且機器人具有焊鉗儲存庫，可焊裝部位不同要求或焊裝產(chǎn)品變更，自動從儲存庫抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無人駕駛更具柔性化感應導向小車。發(fā)展輕便組合式智能自動焊機，焊接由R30型極坐標式機器人和G60肘節(jié)式機器人61臺進行，機器人驅(qū)動由微機控制，數(shù)字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入 和輸出程序。機器人動作采用點到點序步軌跡，具有很高焊接自動化水平，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。

機器人焊接技術未來的研究方向主要有：

1) 焊接過程控制系統(tǒng)的智能化。電子技術、計算機微電子和自動化技術的發(fā)展，推動了焊接自動化技術的發(fā)展。特別是數(shù)控技術、柔性制造技術和信息處理技術等單元技術的引入，促進了焊接自動化技術革命性的發(fā)展；

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

3) 焊接柔性化技術。將各種光、機、電技術與焊接技術有機結合，以實現(xiàn)焊接的精確化和柔性化。用微電子技術改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動化水平淡的根本途徑。將數(shù)控技術配以各類焊接機械設備，以提高其柔性化水平；

4) 焊接機器人與專家系統(tǒng)的結合，實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃、自動校正軌跡、自動控制熔深等功能；

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)良的動感性。開發(fā)研制具有調(diào)節(jié)電弧運動、送絲和焊槍姿態(tài)，能探測焊縫坡開頭、溫度場、熔池狀態(tài)、熔透情況，適時提供焊接規(guī)范參數(shù)的高性能焊機，并應積極開發(fā)焊接過程的計算機模擬技術，使焊接技術由“技藝”向“科學”演變。

4 結束語

近些年來，國外汽車工業(yè)在機器人激光焊接技術方面的應用及推廣起到了積極的推動作用。針對汽車產(chǎn)品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發(fā)展目標，當前的汽車機器人激光焊接技術正在傳統(tǒng)的材料連接概念與方法的基礎上迅速地延伸和拓展，并向先進的“精量化焊接制造”的方向發(fā)展。相信不久的將來，我國借鑒國外經(jīng)驗，通過大力開發(fā)高效節(jié)能的焊接新技術、新材料、新工藝和新設備、應用機器人技術，輕便靈巧的智能設備及計算機和信息技術，國內(nèi)汽車行業(yè)機器人激光焊接技術將會逐步縮短與國外的差距，必將取得更大的進步。