基于一种新能源车型的手工焊钳选型流程

彭 蕾，马 松，李银平，李冬艳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，山东 青岛 266500 ）

0 引言

我国的石油主要是依靠进口中东国家的，我国开采的石油产量只有三分之一，明显不能满足大众的需求。而石油主要都被用在汽车动力方面，为了减少石油进口量，缓解我国的经济压力，国家才注重电动车产业的发展。近几年新能源相关技术逐渐发展成熟，以新能源为基础的电动车、汽车等也都纷纷上市，其带来的环境效益十分显著。本司积极开发推出新能源车型，尽管现在已大规模推行智能制造，但在一些车身分总成区域因零件装配较多且焊点分散，采用机器人伺服焊接利用率较低仍需采用手工焊接，因此在产品的工艺布局开发过程中，选择正确的手工焊钳型号可以使焊接设备、操作人员布置数量更加合理，提高焊接过程的操作合理性、连续性，有效地降低操作人员的劳动强度，统一焊钳型号，减少焊钳种类及备件费用，降低维修维护成本[1，2]。

1 手工焊钳

1.1 手工焊钳的类型与组成

手工焊钳按照焊接电极运动的轨迹大致划分为两大类：一类为C 型焊钳，另一类为X 型焊钳。其中，C 型焊钳电极一端固定，一端与气缸相连（图1 C 型焊钳），其电极运动轨迹为直线；X 型焊钳的上下两个电极均可移动，一端连接气缸伸缩杆，一端连接气缸底部（图1 X 型焊钳），其电极运动轨迹为弧线[3]。手工焊钳通常组成部件见图1。根据产品及工装布置，一些特殊位置需要定制异型焊钳，其也归为C 型、X 型两大类，结构与一般手工焊钳一致，因产品零件或工装需求对电极臂、握杆进行异型设计加工，具有针对性且通用性差。手工焊钳有两个重要的空间尺寸，即喉深与喉宽（图1）。

图1 C 型、X 型焊钳结构组成示意图

手工焊钳的气缸规格决定焊钳的输出电极压力，电极压力的设置与焊接部位的零件材料、板厚有关。根据电极压力和焊钳尺寸，即可计算出气缸的输出压力。C 型焊钳的电极压力与其气缸压力相等，X 型焊钳可以根据杠杆定理来计算输出压力，从而确定焊钳气缸的型号[4]。

1.2 握杆的类型和电极帽

焊钳握杆分为3 类：分体式握杆、一体式握杆、异型握杆。其中，分体式握杆维修成本相对较低，但其受力性较一体式握杆差，故需根据实际情况考虑握杆的选择；异型握杆一般因空间小或避让工装、零件等进行定制的握杆。握杆常见类型见表1。需注意的是带倾角的握杆不利于电极帽的修磨，焊点的质量因电极帽修磨情况而异，稳定性较差，因此，倾角一般小于15°。电极帽是电极组件中的一种消耗品，常用的标准电极帽为13×20、16×20，安装配合锥度为1∶10。注：常见握杆类型包含但不仅限于以上图示握杆。

表1 握杆常见类型

1.3 焊钳吊具的类型

焊钳吊具的选择在焊钳选型中也是非常重要的一项工作内容，不同的吊具实现的焊接操作角度、焊接情况不同。选择合理的吊具对员工操作性、人机工程等都有很重要的意义，可以避免操作过程中与产品零件、工装夹具的干涉，减轻操作人员的劳动强度。注常见吊具形式包含但不仅限于表2 中的举例形式。

表2 几种常见的焊钳吊具形式及特点

2 一种新能源车型的手工焊钳的选型过程

基于一种小型新能源车型的前期工艺规划，采用人工焊接的区域为侧围分总成和门盖分总成。这些分总成工位数较多、上件多且焊点布局分散，采用机器人伺服焊钳焊接利用率相对较低且成本较高，因此采用人工焊接。

2.1 分析侧围分总成手工焊接工艺布局

首先确定侧围分拼BOP 方案，分析零件上件顺序、工位布置（图2 侧围分拼BOP 示例）。从BOP 中可知该小型新能源车型的侧围分拼共有4 个工位，其中在BS10#工位，侧围外板上件后在其上安装零件6件并进行定位焊接；BS20#工位则对BS10#工位安装的零件进行补焊；BS30#工位上件侧围内板并进行定位焊接；BS40#对内板与外板焊点进行补焊。

图2 侧围分拼BOP 示例

2.2 手工焊钳的选型分析过程

在BS10#工位焊接A 柱加强板及翼子板安装支架等零件时，焊点位置相对分散，根据焊点距离零件切边边缘的距离来确定焊钳的喉深，且此处焊钳需跨越零件焊接焊点，需选择带有辅助行程（也称为二次行程）的焊钳，是指在焊接过程中可通过拨动限位柄来增加焊钳两电极的开口距离的焊钳。考虑人机工程，对于身高为170 cm 左右的员工来说，身体保持直立状态时，双手距离地面80 ～ 120 cm 高度工作时，人体感觉最舒适，因此,在考虑焊钳选型时要注意焊钳的操作高度和角度的可实现性，避免出现弯腰等不符合人机工程的姿势。故此处考虑到员工的焊接操作高度以及焊点焊接面与员工工作站立面的相对位置，当焊接面与工作站立面垂直时选择带有辅助行程的C 型焊钳，当焊接面与工作站立面近乎平行时，则选X 型焊钳，见图3。

图3 A 柱加强板焊钳分析

在侧围分总成焊接中需要注意的是D 柱处焊钳的选择，D 柱因与侧围外板及尾门型面匹配，故零件型面较多，焊点多向分布，该车型的D 柱焊点分段布置，上半段为X 向焊点，下半段为Y 向焊点，因此在选择手工焊钳时要考虑员工操作高度、工装夹具布局及焊点布局方向等综合因素。一般情况下，焊点焊接面与员工操作平行时选用X 型焊钳，但D 柱的上部X 向焊点连续且此处工装一般为带有二级机构，见图4（a）。工装高度较高，为避让工装夹具，选用X 焊钳时导致其操作高度高不便于操作，员工站立于踏台上操作高度约为1450 mm，见图4（b）。因此，此处选用带有转盘吊具的C 型焊钳平放操作，操作高度适宜且便于轻微焊接角度调整，见图4（c）。操作高度约为980 mm)，选型时喉深、喉宽需避让开工装与零件，见图4（d）和图4（e）。

图4 D 柱上部工装结构和焊钳选型示意图

D 柱下部Y 向焊点距离零件边缘约538 mm，水平搭接结构与员工站立方向垂直且需要喉深很大的焊接空间，此处选择X 型焊钳，水平移动焊接便于操作，为避让工装，保证充足的焊接空间，焊钳握杆带有倾角。若现场操作高度相对较低则可根据实际情况通过加长焊钳手柄进行改善,见图5（c）。

图5 D 柱下部Y 向焊点

在分总成焊接工位，水平搭接结构，需要喉深不大的焊接空间，全部或分段焊点焊接位置、操作角度或焊钳姿态几乎不变如图6（a）中侧围分拼门框胶条边等位置，一般选用工作行程小的小C 型焊钳，工作行程越小焊接时工作效率越高。当焊点分布位置与焊钳基本一致时采用固定吊具即可，而焊接时焊钳角度不变但焊点位置需要旋转焊钳则选用带有转盘的吊具，焊点相对连续便于员工操作。对于翻边立面焊点考虑操作性则选用X 型焊钳，见如图6（b）。胶条边、翻边焊点便于焊接，对于焊钳的喉深与喉宽影响较小，考虑到整条线手工焊钳型号的一致性与备件便于采购等条件，可优先选用生产线中已选用过的手工焊钳，以降低后期备品备件成本。

图6 胶条边、立面翻边焊钳选型示意图

2.3 焊接参数的选定

手工焊钳选型确认后，需要根据零件的板层搭接、板厚等信息选定焊接参数，并制定焊接参数规范表。手工焊钳往往一把焊钳焊接不同板厚焊点，为避免出现虚焊，因此在选择参数时，一般按照需要较大的焊接参数的焊点来设置焊接参数。

2.4 手工焊钳的选型流程

综上，该项目手工焊钳的选型流程为：

（1）根据前期规划编制BOP，确认使用手工焊钳区域，零件装配顺序，焊点布局；

（2）在三维软件中具体分析使用手工焊钳区域的零件结构及工装夹具，确定焊钳基本类型；

（3）分析焊点位置和零件、工装，确定焊钳的喉深、喉宽；

（4）确定焊钳握杆的类型及是否需要辅助行程；（5）分析焊点焊接操作高度、操作性，确定焊钳的吊具；

（6）将选定的焊钳与零件、工装夹具进行三维模拟，最终确定焊钳型号；

（7）根据零件的板层搭接、板厚等信息制定焊接参数规范表。

需要注意的是在手工焊钳选型中每个工位的焊钳尽可能的少，同等焊接条件的焊点尽量布局在同工位，补焊工位的焊钳尽量选择与定位焊相同型号焊钳，以减少焊钳的投入。尽可能减少一把焊钳在同工位上的焊接姿态，同工位多把焊钳焊接时应尽可能避免或减少交叉作业布置，提高操作性与改善人机工程。

3 结语

基于新能源的一种车型进行的手工焊钳选型流程可适用于其他手工焊接的车型、区域的焊钳选型。如果在项目初期工艺布局开发设计阶段，可以对工艺设计进行合理的零件装配布局、焊点分配，并通过三维软件进行零件、工装夹具、焊钳、焊接操作高度等各方面的分析，选择合适的焊钳，对焊接方案进行有效控制，可大大减少同一生产线的焊钳种类，降低投资成本及后期维护成本。且选择合理的焊钳对员工操作性、人机工程等都有很重要的意义，可以避免操作过程中与产品零件、工装夹具的干涉，减轻操作人员的劳动强度。