柔性多组全自动激光拼焊生产线研制

房灵申

一、概述

从20世纪80年代中期开始，激光拼焊板作为新技术在欧洲、美国和日本得到了广泛的关注。拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。

以大型激光拼焊为核心的激光加工已逐步发展成为21世纪装备制造领域不可缺少和替代的先进加工手段和技术发展方向。近年来，激光在汽车工业的应用得到较快发展，汽车工业是激光加工应用最多的领域之一。统计表明，在欧美发达的国家中，有50%左右的零部件都是采用激光加工来完成的。而依据ULSAB（世界轻质钢制车身协会）的最新研究结果：最新型的钢制车身结构中50%采用了拼焊板制造。尤其是近年来发展很快，以美国通用汽车公司为例，1993~1994年间拼焊板应用为150万件/a，1997~1998年间拼焊板应用就达到700万件/a。而欧洲1994年拼焊件销售额1.3亿马克，1997年销售额达到2.0亿马克。全世界1997年汽车用拼焊板年生产能力为1 500万件，2005年统计汽车用拼焊板年生产能力约7 000万件。截止2006年，保守统计全球已有剪裁坯板激光拼焊生产线130余条（台），汽车拼焊板的市场需求规模将以年均50%以上的高速度增长，每年需新建激光拼焊生产线20~30条。

除汽车工业将广泛采用激光拼焊技术以外，激光在船舶工业的应用亦将逐步发展起来。进入21世纪以来，随着国际船舶市场的复苏，给我国船舶工业带来了新的发展机遇，尤其是加入WTO以后，给我国船舶制造业带来了更激烈的竞争和机遇，但我国船舶激光拼焊板技术还严重地制约着造船的产量、质量、成本和周期。我国的船舶激光拼焊板技术与国外同行业先进水平相比，差距不是缩小，而是在继续拉大，目前激光拼焊板在船舶工业仍为空白。此外，激光拼焊技术在家电等行业的应用亦在发展之中。

二、激光拼焊技术的成功开发

激光拼焊项目涉及机器人技术、激光加工技术、自动化技术等多个学科领域。中国科学院沈阳自动化研究所的研发人员多年来从事工业自动化、智能机器、先进制造系统和光电技术等研究工作，不仅在机器人和自动化领域积累了丰富的技术及应用成果，而且在激光加工设备的本体设计、光路设计、激光加工工艺、激光器等方面亦具备了一定的研究工作基础和设计开发经验。自2002年开始，研制开发3自由度SCARA式飞行光路被动运动机器人手臂式激光加工实用样机，用于平面切割或焊接，代替传统悬臂式结构和龙门式结构，服务于加工领域。2005年1月开始对激光拼焊技术的发展现状及拼焊装备国产化的可行性进行调研和分析，并从技术攻关和市场开拓两方面进行了卓有成效的工作。

2005年8月开始利用国际合作平台同日本IHI公司在激光拼焊技术领域展开全面而具体的项目合作。通过力学性能分析与拼焊试验，掌握了国外同类系统的设计原理与实现技术，具备了基于成熟技术并在有关方面指导下进行生产样机开发的条件和能力，并自筹资金2 500万元人民币，面向汽车、钢铁行业重点研制板材激光拼焊成套装备，2006年9月研制成功国内第一条全自动激光拼焊生产线样机（见图1），目前该全自动激光拼焊生产线已经在南京宝钢投产，连续生产三年多，为奇瑞、江淮、华晨、长城等汽车企业提供500多万张激光拼焊板（图2为生产现场照片）。

中国科学院沈阳自动化研究所于2011年成立第六研究室——激光装备实验室，重点开展以机器人激光加工成套装备为核心的大型成套制造装备与系统的研发。目前，第六研究室已经建立了一支拥有相关专业背景、具备较高技术素质的研发、制造和质量管理的50多人的研究团队，具有较强的技术服务和工程实施能力；项目组相关技术人员在多轴机床设计、大型运动仿真平台研制、数控系统/控制系统等领域的工程设计与产品开发方面积累了丰富的实践经验，在激光器、激光传输、激光加工工艺参数等方面掌握了相关的基础理论知识和并培养了几十名激光加工方面的博士、硕士研究生。制订了有效的项目过程与质量管理措施，顺利完成了多个国家级、省级等相关项目研究工作，开发的多条激光加工生产线已经投入生产。

三、核心技术成果

1. 宏微结合机构实现高精度自动化焊接

近年来一些先进工艺（如大功率精密激光加工）在汽车、机床、航空航天等工业中的大量应用，希望采用工作空间更大、运动速度更快、精度更高、柔性好的机器人化装备。由于单独的工业机器人绝对精度和重复定位精度无法达到激光加工的工艺精度要求，或者单独的大幅面执行机构势必做的既大又笨重，高速实现及其困难，故在激光加工执行器末端配置具有适宜精度和适宜行程，并具有高响应速度、高速度、小惯量、高精度等特征的微动机构，组成宏微结合的机器人化执行机构。

2. 机器人多组焊接工艺

详细研究了激光加工参数，主要包括激光功率、焊接速度、焦点大小及焦点位置等因素对激光焊接质量的影响规律，得出了每种材料的最佳焊接工艺，建立了完善的焊接工艺规范，涵盖了目前主要车型的绝大部分激光拼焊板，并且已经在实际生产中得到应用。创新性地采用了多组倍尺激光焊接技术，使现在的激光焊接效率提高了35%以上，提高了材料利用率，减少了浪费。

图1 全自动激光拼焊生产线样机布局

3. 系统控制与可靠性

开发了具有自主知识产权的板材激光拼焊成套装备与系统，建立以激光拼焊成套装备和机器人激光焊接加工技术为主体的光机电一体化技术支撑与服务平台，提供激光拼焊成套装备设计开发服务。掌握了大型拼焊线成套装备中的多系统集成的系统功能需求分析、精度设计、机械系统和控制系统集成实现、系统调试等关键技术，完全满足汽车行业生产需求，实现了连续24h生产，产品合格率在99.8%以上。

4. 焊缝预成形与实现技术

板材焊缝是由相邻两块或多块板材构成的相互结合线，按结合线的类型可分为单直线、多直线、折线、曲线和组合曲线结合线。为表达简便起见，现将折线、曲线和组合曲线统称为非线性结合线，从而对应的焊缝有单直线焊缝、多直线焊缝、非线性焊缝。由于激光焊接自身的特殊性，要求焊缝间隙≤0.08mm，这就要求单块板材焊接边界平直度最大0.05mm。根据生产条件和要求不同，单块板材成形可采用精剪、切割和模具落料等工艺方法获得，用不同工艺方法成形的板材具有不同的边界物理特性。板材的边界物理特性直接影响拼焊质量，不同边界物理特性的板材对应着不同的焊缝预成形原理和实现技术。

5. 激光拼焊焊缝跟踪技术

实时焊缝跟踪是由视觉传感器获取待焊工件焊缝位置、形状和方向的图像信息，然后经特定设计的图像处理算法提取焊缝形状与方向特征，并根据焊缝位置确定焊枪的下一步接近或纠偏运动方向和位移量，再控制驱动机器人跟踪焊缝。

实时焊缝跟踪技术在弧焊中的应用已基本成熟，但是在激光拼焊中的应用仍需进一步推进。应用于激光拼焊中的焊缝跟踪技术由于激光拼焊的特点具有其特殊性，激光拼焊的高亮度和对接焊缝的窄间隙对焊缝的图像处理以及特征识别提出较高的要求；而激光拼焊的高速度、高精度也要求焊缝跟踪过程中的跟踪控制具有较高的实时性、精确性。

四、市场应用情况

1. 在南京宝钢应用情况

全自动激光拼焊生产线已经在南京宝钢投产，连续生产三年多，为奇瑞、江淮、华晨、长城等汽车企业提供500多万张激光拼焊板，如图2所示。

2. 在江苏巧智鑫应用情况

全自动激光拼焊生产线已经在江苏巧智鑫自动化设备有限公司安装调试完毕，已经逐步开始为丹阳、宝应、高邮、马自达、福特、东风日产及悦达起亚等多家汽车公司及零部件制造企业提供产品，如图3、图4所示。

图2 全自动激光拼焊生产线南京宝钢生产现场照片

图3 全自动激光拼焊生产线扬州现场

图4 基于机器人的曲折线激光拼焊机

五、激光装备未来发展

目前，研究所与宝山钢铁集团、武汉钢铁集团、首都钢铁集团、鞍山钢铁集团等国内主要钢铁企业及奇瑞汽车公司、吉利汽车研究院等汽车制造企业已经建立了良好的关系，正在酝酿共建研发中心、开展合作研究、联合申报国家科技计划支持等相关事宜，相关研究已被列为“中国汽车制造装备需求分析及发展战略研究”的重要内容之一。沈阳自动化所将与上述相关企业密切合作，围绕汽车快速制造技术、汽车激光加工自动化技术与装备、板材激光加工技术、工艺与装备等相关内容开展联合研究与开发，以提高相关企业钢铁、汽车产品的市场竞争力。