全鋁合金車身CMT/MIG焊接人機(jī)工程問題探討

宋亮

摘 要：鋁合金弧焊工藝開發(fā)過程中，人機(jī)工程遇到的主要問題是操作高度、焊接視線、弧光干擾等。本文介紹了鋁合金車身CMT/MIG焊接工藝中涉及人機(jī)工程的主要難點(diǎn)問題，并重點(diǎn)分析人機(jī)工程問題產(chǎn)生的原因，同時(shí)本文結(jié)合奇瑞新能源鋁合金車身工藝開發(fā)實(shí)踐，簡要分析如何從人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備選型、工藝設(shè)計(jì)等途徑尋找和制定解決方案。

關(guān)鍵詞：鋁合金CMT/MIG焊;人機(jī)工程

1 引言

全鋁合金車身是新能源汽車較為理想的車身形式，在滿足性能前提下，比鋼車身減重25%以上，是新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化、長續(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)分析，2015年全球僅有1%的汽車為全鋁車身;預(yù)計(jì)到2025年，這一比例將達(dá)到18%以上。

鋁車身連接技術(shù)通常有鋁鉚接、點(diǎn)焊、弧焊、激光焊、膠接等，其中鋁合金CMT/MIG弧焊因技術(shù)難度相對較低、人工或自動(dòng)化皆宜、投資較低而獲得了較廣泛的應(yīng)用。

鋁合金CMT/MIG焊工藝難點(diǎn)，主要是鋁焊接變形、焊縫氫氣孔、操作人機(jī)性等方面。鋁焊接變形通常從焊接工裝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上尋找措施，氫氣孔通過鋁焊接生產(chǎn)線采用控濕除塵進(jìn)行控制，而操作人機(jī)涉及產(chǎn)品開發(fā)和工藝設(shè)計(jì)諸多方面。

鋁合金弧焊工藝開發(fā)過程中，人機(jī)工程主要問題是操作高度、焊接視線、弧光干擾等。本文將結(jié)合奇瑞鋁車身工藝開發(fā)實(shí)踐，探討鋁合金弧焊工藝設(shè)計(jì)中人機(jī)工程遇到的問題及解決方案。

2 操作高度

某全鋁車身焊接線，在最初工藝設(shè)計(jì)時(shí)，將座椅梁焊縫操作時(shí)人員站立的高度設(shè)為1000mm，這個(gè)高度基本符合人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際調(diào)試時(shí)，操作者反饋持槍作業(yè)費(fèi)力。經(jīng)調(diào)查，燒焊時(shí)人手握槍的高度比焊縫高50-120mm，踏臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，座椅梁處焊縫高度1000mm，燒焊時(shí)實(shí)際人手操作高度1120mm。

此高度雖然比標(biāo)準(zhǔn)高度高出20mm，但深層分析發(fā)現(xiàn)還有其他原因。

從設(shè)備角度看，CMT/MIG焊機(jī)配套的焊槍比普通CO2焊槍尺寸和重量大25%左右，二次線纜重量大一倍以上。這些重量由操作者承擔(dān)。當(dāng)作業(yè)面高度在900-1000mm，手持焊槍處在人體重心處較為有利，當(dāng)高度超過1100時(shí)，手持焊槍明顯高于人體重心。鋁合金手工弧焊兼具精密作業(yè)和負(fù)重作業(yè)（長時(shí)間、大負(fù)荷）的特點(diǎn)，長期手持焊槍明顯高于人體重心作業(yè)會(huì)產(chǎn)生較明顯的疲勞感，影響工作效率、降低焊接質(zhì)量。

從負(fù)重作業(yè)高度標(biāo)準(zhǔn)反向推導(dǎo)即可得到作業(yè)面最佳高度宜選擇在800mm左右。

3 焊接視線

由于鋁合金車身連接焊縫大都為周圈焊縫，工藝設(shè)計(jì)上不可避免會(huì)有出現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)、轉(zhuǎn)角、底盤的焊縫。在實(shí)踐中確實(shí)出現(xiàn)過一些部位的焊縫的的操作者視線條件較差的問題。

如現(xiàn)場調(diào)度階段，底部焊接工位員工反饋后減震器座仰焊時(shí)觀察視線不良，不能完全看到焊縫位置。

SE階段采用DELMIA模擬的結(jié)論為：（1）視線：焊縫位置可視;（2）空間：頭部距周邊零件27-50mm。從結(jié)果看，操作是可行的。但現(xiàn)場調(diào)試階段，戴上防護(hù)罩后，由于防護(hù)罩尺寸較大與周邊零件干涉。

經(jīng)分析，實(shí)物與數(shù)據(jù)模擬最大的區(qū)別在于操作者戴的防護(hù)帽。不戴防護(hù)帽時(shí)，人在后減震器座正下方可完整觀察焊縫位置，人的頭部需沿Y向往車外移50mm，此時(shí)視線中只能看到后減焊縫的邊緣。當(dāng)戴上防護(hù)帽后，由于帽子尺寸較大與周邊零件干涉，如果頭部沿Y向往外移50mm，防護(hù)帽與周邊零件不干涉，但視野中不能完全看到焊縫（焊縫沿搭接兩側(cè)勉強(qiáng)能看到一邊）。

這類問題的解決思路，比較直接的是通過改變操作者的站位，改善視野。但最好的方式是通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，消除這種焊接盲區(qū)。鋁弧焊工藝設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品上仰焊區(qū)、空間狹小區(qū)域，在SE模擬時(shí)與防護(hù)頭盔結(jié)合起來考慮。

4 弧光干擾

鋁CMT/MIG焊接時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈電弧，是弧焊工藝主要污染源之一。在焊機(jī)設(shè)備選型時(shí)即選配了防護(hù)頭盔。從實(shí)際效果看既起到防護(hù)作用，也不影響對弧焊熔池的觀察。但在調(diào)試階段卻遇到了另一個(gè)問題。

兩個(gè)人分別站在左右門洞處焊接地板面板。由于弧光干擾，左右對稱同時(shí)燒焊不可行。經(jīng)交流，直接原因是：在地板燒焊區(qū)域，兩名員工相對站立，例如當(dāng)左側(cè)操作者開始燒焊時(shí)，會(huì)對右側(cè)操作者發(fā)出弧光干擾，導(dǎo)致右側(cè)人員無法觀察自己焊縫的位置。

仔細(xì)分析防護(hù)頭盔的功能時(shí)發(fā)現(xiàn)：鋁弧焊防護(hù)頭盔所用的防護(hù)罩目鏡有弧光自適應(yīng)功能，即具備平光和弧光保護(hù)雙模式。正常工作光線環(huán)境下目鏡是平光模式，可正常觀察工件;當(dāng)開始焊接（或周邊有焊接，即目鏡視野中有電弧光）時(shí)，目鏡自動(dòng)切換到弧光模式，這時(shí)只能觀察弧光區(qū)，操作者視野中其他地方顯示黑色。

這類問題的解決措施，是從操作人員站位、焊接順序等方面考慮。例如本案例中，工藝方案是調(diào)整兩名操作者的站位，同時(shí)優(yōu)化作業(yè)順序。左側(cè)門洞處員工從地板前段中間開始焊;右門洞處員工從前地板后段中間處開始焊。這樣焊接開始時(shí)，兩名操作者是背靠背操作。

如果兩名操作者燒焊區(qū)域調(diào)整后仍然有“面對面”的區(qū)域，從現(xiàn)場驗(yàn)證來看不可避免會(huì)導(dǎo)致互相影響，從而降低工作效率。在操作空間允許的情況下，在不同的操作區(qū)之間加遮光簾。后期生產(chǎn)線自動(dòng)化提升時(shí)，采用機(jī)器人自動(dòng)焊也是一種積極的改善方式。

鋁弧焊的這類問題，是以往傳統(tǒng)車身的CO2焊工藝所沒有的，這與鋁弧焊設(shè)備自身特性相關(guān)，因此工藝設(shè)計(jì)上要考慮弧光干擾對多個(gè)人員站位的影響，在SE階段通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝、工裝優(yōu)化加以解決。

5 結(jié)語

通過鋁合金車身項(xiàng)目各階段工藝開發(fā)和實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，奇瑞制造工藝團(tuán)隊(duì)初步掌握了鋁合金CMT/MIG弧焊工藝基本特點(diǎn)和要求，特別是對人機(jī)工程的主要難點(diǎn)有了較為深入的了解。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)過程中有效規(guī)避了同類問題，使得制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率各方面均有較明顯的提升。隨著新能源生產(chǎn)線的不斷發(fā)展完善，必將為中國市場提供更多、更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與服務(wù)。

（備注：文中數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，僅供說明問題參考）