汽車液力變矩器部件全自動凸焊生產(chǎn)線再利用及工藝①

牛偉強，呂浩，唐春，蔣勇，陳科，猶安模，張國亮

(1.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司民品技術(shù)中心，重慶402760;2.華僑大學(xué)計算機學(xué)院，福建 廈門361021)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，自動檔轎車傳動關(guān)鍵部件液力變矩器需求急劇增加，為擺脫液力變矩器主要靠引進的格局，開展全自動凸焊生產(chǎn)線工藝研究有助于國內(nèi)液力變矩器行業(yè)的進步和發(fā)展。頂蓋是液力變矩器和汽車變速箱連接的重要部件，需長時間連續(xù)承受較大動態(tài)交變載荷，其定位精度、焊接應(yīng)力變形和焊縫疲勞強度將直接影響傳動效率、使用壽命和車輛的綜合性能。

論文針對國產(chǎn)小排量液力變矩器(1.8 L，直徑＜φ260 mm)頂蓋定位柱采用點焊定位和機器人環(huán)焊復(fù)合工藝存在焊接應(yīng)力大、變形大、自動化程度較低、焊后清理周期長、勞動強度大、效率低、人工成本高和后工序加工精度不易保證等問題，以及進口全自動凸焊專用生產(chǎn)線存在夾具尺寸、自動傳送鏈、機械手、定位夾緊、電極干涉、傳感器位置、控制信號等不匹配而不能直接使用的困難，開展頂蓋定位柱全自動凸焊生產(chǎn)線改造及工藝研究，有助于國產(chǎn)液力變矩器頂蓋定位柱凸焊工藝改善和批量生產(chǎn)效率的大幅度提升。

1 頂蓋總成定位柱焊接工藝

1.1 頂蓋總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

1.1.1 頂蓋總成及定位柱結(jié)構(gòu)

頂蓋總成由頂蓋、定位柱和固定塊經(jīng)焊接成形。根據(jù)變速箱對接方式，定位柱T形結(jié)構(gòu)，并分布在頂蓋凸包軸心線頂部上端。頂蓋材料為10號鋼板或熱軋鋼板，板厚4 mm，沖壓成形，內(nèi)孔直徑φ219～φ247.7 mm;定位柱材料為20號鋼，不同定位柱幾何形狀如圖1所示。文中以圖1a所示定位柱配合圖2所示頂蓋(內(nèi)孔直徑φ219 mm)為研究對象。

圖1 定位柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 頂蓋結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 焊縫要求

設(shè)計規(guī)定焊縫等級為國標Ⅱ級焊縫，焊縫剪切力≥10 kN，通過1 ×105km 公路試驗，焊縫不允許開裂、斷裂，且液力變矩器和發(fā)動機曲軸孔對接合格。

1.2 頂蓋焊接工藝分析

1.2.1 存在的主要問題

(1)產(chǎn)品研制及小批量階段，采用現(xiàn)有D－N63型單相交流點焊機凸焊定位柱，存在焊機功率小、隨動性差，熱輸入量及最大短路電流小、焊縫周邊易形成局部或整體未熔合缺陷等問題;增大焊接電流和延長焊接時間，熱影響區(qū)增大，定位柱出現(xiàn)燒蝕、彎曲、變形嚴重，熔核質(zhì)量差、強度低(＜5 kN)等問題。改變電極結(jié)構(gòu)，滿足隨動要求，焊縫未熔合區(qū)有所降低，強度有所增加，但仍不能解決根本問題。這些問題導(dǎo)致定位柱廢品損失率100%、工藝技術(shù)突破難度大。

(2)頂蓋定位柱材料焊接性較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計及布局合理，采用合適的焊接方法和工藝易獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。如何保證研制階段及大批量自動化生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。鑒于凸焊工藝不成熟，而采用了點焊+弧焊的復(fù)合工藝方法。

(3)采用單機器人MAG 自動焊接工藝方法，存在先定位焊、再機器人環(huán)焊等多工序焊接，焊縫熱影響區(qū)大、變形大，且焊后每件需人工清理打磨頂蓋表面飛濺物，存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低、成本高等問題。

(4)小批量生產(chǎn)階段，考慮全套采購國外先進生產(chǎn)線，現(xiàn)有工藝、產(chǎn)能、規(guī)模及質(zhì)量等雖得到極大提升，但存在資金投入大、風(fēng)險高等問題。

(5)全自動液力變矩器頂蓋凸焊專用生產(chǎn)線具有自動化程度高，工藝先進，資金投入小、風(fēng)險小等特點，但設(shè)備的技術(shù)資料、控制器、夾具、傳輸?shù)却嬖谌笔?，且國產(chǎn)液力變矩器結(jié)構(gòu)尺寸與其不匹配而無法直接使用。

1.2.2 過程變形分析

根據(jù)定位柱與頂蓋的焊縫結(jié)構(gòu)特點，在頂蓋凸點沖壓平面不平和定位柱為圓柱體凸點情況下定位柱軸心與蓋軸心極易產(chǎn)生偏移和不垂直，如圖3～圖6所示。

圖3 定位柱凸焊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 定位柱點焊+弧焊結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 定位柱偏心情況示意圖

圖6 定位柱水平轉(zhuǎn)動情況示意圖

2 工藝試驗對比分析

經(jīng)上述分析，通過工藝試驗對比，不同的試驗方案見表1，對比分析見表2。

表1 3種工藝試驗方案

通過對比得到結(jié)果如下:

(1)手工裝夾采用點焊機凸焊存在定位不準確，定位柱、頂蓋軸心極易偏移，掌握困難，不易控制的問題。

(2)頂蓋凸點平面不平，且與定位柱凸點為點接觸，定位精度低，靠人工找正，找正時間及工序時間長，不適合批量生產(chǎn)要求。

(3)手工裝夾點焊定位、機器人焊接復(fù)合工藝，采用點焊加單機器人自動焊，定位精度、焊縫質(zhì)量、效率、焊縫強度穩(wěn)定性等雖優(yōu)于手工凸焊，但需分段進行，焊接不連續(xù)，同步性、協(xié)調(diào)性差的問題仍存在，焊接變形造成的超差率較高，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求和大批量生產(chǎn)要求。

表2 不同工藝方案對比

綜上所述，采用進口凸焊生產(chǎn)線人工裝填料、自動輸入輸出料、裝夾、精確定位、檢測和焊接可避免以上存在的問題。

3 全自動凸焊生產(chǎn)線再利用及工藝

全自動凸焊生產(chǎn)線用于排量大于2.4 L，規(guī)格φ300 mm的液力變矩器頂蓋定位柱凸焊二手專用生產(chǎn)線，需改造方可用于用于排量小于1.8 L(規(guī)格＜φ260 mm)的液力變矩器的批量焊接。通過對該生產(chǎn)線技術(shù)資料、結(jié)構(gòu)原理和控制原理等方面的研究和消化，成功實現(xiàn)了該生產(chǎn)線的改造和再利用，解決了頂蓋定位柱結(jié)構(gòu)不匹配，零件輸入輸出、夾具定位夾緊、自動凸焊等信號的自動檢測，自動控制和上下電極凸焊干涉等問題，滿足規(guī)格＜φ260 mm的液力變矩器頂蓋大批量全自動凸焊要求。

3.1 工作原理

圖7和圖8分別為改造后的進口全自動凸焊生產(chǎn)線系統(tǒng)和控制流程。

圖7 全自動凸焊生產(chǎn)線示意圖

3.1.1 頂蓋殼、定位柱輸入定位

人工或自動將頂蓋殼、定位柱分別裝填在各自的輸入端口，啟動按鈕由PLC 程序控制，傳送鏈自動將頂蓋殼輸入到工位Ⅰ并定位等待(光電傳感器信號檢測)裝夾，離心震動器自動將定位柱輸入到工位Ⅱ并定位等待(光電傳感器信號檢測)裝夾。機械手Ⅰ按順時針豎直翻轉(zhuǎn)180°逆行至頂蓋殼位置完成其抓取步驟，同時逆時針返回到水平位置，機械手Ⅱ同步前行至定位柱位置，完成定位柱抓取步驟;機械手Ⅰ、Ⅱ同步將頂蓋殼、定位柱傳輸?shù)焦の虎?，完成頂蓋殼初始定位和定位柱精確定位，同時機械手Ⅰ、Ⅱ同步回到始點，上主軸(包括上電極)下移至頂蓋內(nèi)孔端面，氣缸推動自定心機構(gòu)完成頂蓋殼精確定位。

3.1.2 焊接

下主軸機構(gòu)上頂，使頂蓋殼和定位柱凸點接觸良好，按給定的焊接壓力、電流和焊接時間(0.14 s)完成頂蓋的焊接。

3.1.3 頂蓋輸出

上主軸氣缸、機械手Ⅱ同步松開，上下主軸分別回到各自始點，機械手Ⅲ自動運行至工位Ⅰ內(nèi)完成頂蓋夾緊退出，逆時針豎直翻轉(zhuǎn)180°，將頂蓋放到輸出傳送鏈上，完成零件輸出。

3.2 焊接工藝

3.2.1 工藝過程

零件清洗烘干→自動或手工裝填料→零件自動輸入→零件自動定位夾緊→焊接→零件自動輸出→檢驗(剪切試驗機)→人工或自動轉(zhuǎn)下道工序。

3.2.2 系統(tǒng)組成

圖8 控制流程圖

凸焊生產(chǎn)線由凸焊電源、凸焊上下機頭及電極，運動機構(gòu)、夾具系統(tǒng)、頂蓋、定位柱傳送鏈、控制系統(tǒng)、控制面板、水冷系統(tǒng)組成。改造后不僅適用于排量2.4 L，規(guī)格φ300 mm的頂蓋總成定位柱凸焊批量生產(chǎn)，而且還適用于排量1.8 L、規(guī)格＜φ260 mm的頂蓋總成定位柱凸焊批量生產(chǎn)。

3.2.3 焊前準備

(1)設(shè)備、程序、夾具、電極、水冷系統(tǒng)、運動機構(gòu)、上下機頭、傳送鏈等檢查及頂蓋、定位柱輸入，焊接參數(shù)調(diào)試。

(2)電極材料為鉻鋯銅CuCrZr，結(jié)構(gòu)見圖9和圖10。

(3)焊前零件需進行表面清理，要求其表面無污垢、銹及氧化皮，焊件表面和邊緣不允許有毛刺、變形和局部凸起等現(xiàn)象。

圖9 上電極結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 焊接

(1)按圖11所示要求，頂蓋定位柱自動裝夾、自定心夾緊凸焊，焊接工藝參數(shù)見表3。

圖10 下電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 頂蓋定位柱自定心夾具凸焊示意圖

表3 不同頂蓋凸焊參數(shù)表

(2)自動松開氣缸、夾具，機械手自動取出零件并輸出，人工轉(zhuǎn)下道工序。

3.3 檢測

采用10倍放大鏡檢查焊縫外觀，同軸度量具檢查頂蓋與定位柱同軸，焊縫剪切力等滿足要求，剪切效果見圖12和圖13。經(jīng)100件檢查，焊縫外觀質(zhì)量均勻一致，同軸度0.3 mm以上，剪切力＞10 kN 等要求100%合格，且優(yōu)于工藝試驗采用的焊接方法，生產(chǎn)效率每焊一件小于15 s(過去10 min/件)，廢品損失當(dāng)量＜0.06%。采用同樣方法凸焊3 000多件RD015CHD頂蓋，結(jié)果100%合格。

圖12 焊縫正面

圖13 焊縫反面

3.4 效果對比

(1)D－ N63型單相交流點焊機代替凸焊工藝方案:焊接強度低，質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性差，生產(chǎn)效率低。

(2)D－N63型單相交流點焊機先點焊定位再機器人焊接復(fù)合工藝，焊接質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性等有所提高，但生產(chǎn)效率較低。

(3)經(jīng)對比，采用全自動凸生產(chǎn)線的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率均優(yōu)于試制階段幾種工藝方法。

4 結(jié)論

(1)該方法解決了頂蓋總成定位柱凸焊工藝試制、批量生產(chǎn)過程中存在的手工定位焊、單機器人焊接、焊后清理打磨等導(dǎo)致自動化程度低、生產(chǎn)效率降低，焊接外觀質(zhì)量差，成本高、勞動強度大和產(chǎn)能瓶頸傾向增大等一系列問題。

(2)工藝研究從專業(yè)角度上就如何正確靈活利用、借鑒先進的焊接專用生產(chǎn)線，在結(jié)合自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，制定合理的凸焊工藝及控制方法并致力于實際生產(chǎn)，為類似焊接生產(chǎn)線改造或引進成熟生產(chǎn)線提供了參考依據(jù)。

(3)經(jīng)3 000多件批量生產(chǎn)驗證，該工藝獲得的參數(shù)及改造的全自動凸焊生產(chǎn)線能夠應(yīng)用于液力變矩器頂蓋總成定位柱批量生產(chǎn)。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[2]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊(第3版)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[3]胡繩蓀.焊接自動化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[4]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.電阻焊理論與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社，1994.