鋁焊接熱變形控制方法淺析

張亮，陳文，劉非，高樹森

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130011

電池殼體如圖1所示，生產(chǎn)工藝包含涂膠、焊接、沖鉚、擰緊及壓合等，還涉及在線測量、Smartray焊縫檢測、涂膠3D測量、樣件標(biāo)定及氣密檢測等監(jiān)控設(shè)備。

圖1 電池殼體總成

能量密度是電池性能的重要衡量指標(biāo)，為了提升能量密度，電池殼體采用全鋁合金材質(zhì)輕量化設(shè)計，與之匹配的是氬氣保護的鋁MIG焊接。

MIG焊工藝的特點是焊接熱量大、強度高，因此焊接過程中產(chǎn)品必然會發(fā)生較大的尺寸變化。而電池殼體作為動力件，尺寸精度要求非常高，例如長達2m的單件在完成焊接后尺寸變化量不能超過0.5mm。

為此，一汽-大眾公司規(guī)劃了電池殼體焊接線，以滿足產(chǎn)品“高強度、低變形”的質(zhì)量要求。

電池殼體鋁焊接工藝規(guī)劃

電池殼體總成由13個單件62道焊縫拼接而成，如果一次焊接成形會產(chǎn)生大量焊接熱量導(dǎo)致熱變形嚴重，就需分兩步完成所有焊接，并分別在焊接完成后自然冷卻釋放焊接應(yīng)力，減小尺寸變形。為了驗證焊接后的焊縫質(zhì)量以及總成尺寸變化量，還規(guī)劃了Smartray及在線測量等檢測裝置及人工QRK監(jiān)控點，電池殼體焊接工藝圖如圖2所示。

為了進一步優(yōu)化焊接質(zhì)量，在焊接線上采用了一套鋁焊接熱變形電池殼體校形裝置，來控制焊接變形量。

圖2 電池殼體焊接工藝圖

鋁焊接熱變形校形裝置

鋁焊接熱變形電池殼體校形裝置可以根據(jù)電池殼體的熱變形量大小反向調(diào)整應(yīng)力大小，從而實現(xiàn)校形電池殼體尺寸變形的效果。

鋁焊接熱變形電池殼體校形裝置包括平臺臺架、固定機構(gòu)、保壓機構(gòu)。其中平臺臺架具有適應(yīng)電池殼體底部外形的平臺臺面，固定機構(gòu)用于將電池殼體固定在平臺臺面上，保壓機構(gòu)向電池殼體施加恒定壓力。電池殼體校形裝置如圖3所示。

圖3 電池殼體校形裝置

焊接熱變形自動校形方法

在上述校形裝置的基礎(chǔ)上，可以進一步搭載自動控制系統(tǒng)，包括控制器、焊接設(shè)備、校形裝置和測量裝置，實現(xiàn)自動補償校形。其中焊接設(shè)備及校形裝置的測量裝置和保壓機構(gòu)電氣連接至控制器，控制器接收測量裝置傳輸?shù)淖冃瘟繑?shù)據(jù)，并根據(jù)變形量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，用于控制焊接設(shè)備和保壓機構(gòu)動作。

基于校形裝置，向焊接完成后的電池殼體施加恒定壓力并保壓預(yù)設(shè)時間，獲取校形完成后電池殼體的變形量數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述變形量數(shù)據(jù)計算焊接熱量。

控制器包含輸入模塊、計算模塊和輸出控制模塊。輸入模塊接收焊接過程參數(shù)、每條焊縫的焊接加工時間、變形量數(shù)據(jù)及電池殼體冷卻時間。計算模塊根據(jù)所述焊接過程參數(shù)、加工時間、冷卻時間及變形量數(shù)據(jù)計算焊接熱量，并根據(jù)焊接熱量計算需要調(diào)整的焊接參數(shù)。輸出控制模塊用于根據(jù)計算模塊的計算結(jié)果調(diào)整焊接設(shè)備的焊接參數(shù)，并將調(diào)整后的焊接參數(shù)作為焊接過程參數(shù)控制所述焊接設(shè)備執(zhí)行下一電池殼體的焊接加工過程。控制器還具有計時模塊，用于在焊接加工過程中計量每條焊縫的焊接加工時間，并在焊接加工完成后計量焊接殼體的冷卻時間。

自動控制系統(tǒng)完成鋁焊接熱變形電池殼體校形自動控制方法，可以概括為：向焊接完成后的電池殼體施加恒定壓力并保壓預(yù)設(shè)時間，獲取校形完成后電池殼體的尺寸變化數(shù)據(jù)，并根據(jù)尺寸變化數(shù)據(jù)計算焊接熱量。

該方法如下步驟：

（1）步驟S1 按照預(yù)設(shè)的焊接參數(shù)控制焊接設(shè)備執(zhí)行電池殼體的焊接加工過程，并在對每一條焊縫焊接時觸發(fā)計時模塊計量加工時間。

（2）步驟S2 讀取并存儲焊接過程參數(shù)，所述焊接過程參數(shù)包括每一條焊縫的焊接方向、焊縫長度、零件剛度及焊縫數(shù)量。

（3）步驟S3 控制保壓機構(gòu)向置于校形裝置上的電池殼體施加恒定壓力，并保壓預(yù)設(shè)的冷卻時間。

（4）步驟S4 到達預(yù)設(shè)冷卻時間后，觸發(fā)測量裝置動作，并讀取測量裝置傳輸?shù)碾姵貧んw尺寸變化的變形量數(shù)據(jù)。

（5）步驟S5 判斷步驟S4中的變形量數(shù)據(jù)是否超過預(yù)設(shè)誤差閾值。

（6）步驟S6 如果步驟S5的判斷結(jié)果為“是”，則調(diào)用步驟S2中存儲的焊接過程參數(shù)，并根據(jù)所述焊接過程參數(shù)、加工時間、冷卻時間及變形量數(shù)據(jù)等計算焊接熱量；如果步驟S5中的判斷結(jié)果為“否”，則返回到步驟S1執(zhí)行下一電池殼體工件的焊接過程。其中，焊接熱量計算方法為：

（7）步驟S7 根據(jù)步驟S6計算的焊接熱量計算需要調(diào)整的焊接參數(shù)，并根據(jù)計算出的焊接參數(shù)調(diào)整焊接設(shè)備的焊接參數(shù)，所述焊接參數(shù)包括焊接電流。

（8）步驟S8 按照步驟S7計算的焊接參數(shù)作為設(shè)定的焊接參數(shù)返回執(zhí)行步驟S1，依次循環(huán)往復(fù)。

為了更好地理解校形方法，總結(jié)如下：當(dāng)?shù)谝粋€電池殼體完成焊接后，機器人將其自動抓取到校形裝置，校形裝置夾緊電池殼體并保壓1min，隨后讀取測量表上的尺寸值，根據(jù)尺寸結(jié)果判定是否需要調(diào)整下一個電池殼體的尺寸。如果判定后需要調(diào)整電池殼體的尺寸，則根據(jù)公式計算出下一個電池殼體的焊接電流，相應(yīng)更改焊接參數(shù)。如此循環(huán)上述作業(yè)，開展下一輪校形。

例如，其中一組調(diào)整數(shù)據(jù)如下，連續(xù)3個電池殼體測量表上的數(shù)值分別為0.42mm、0.45mm和0.48mm，平均值為0.45mm，根據(jù)標(biāo)準判定為變形量不穩(wěn)定需要及時調(diào)整。原參數(shù)對應(yīng)的變形量H1為-0.435mm，根據(jù)公式將部分焊縫電流從40A調(diào)整到38A，調(diào)整后對應(yīng)的變形量H2為0.012，變化量H=H2-H1=0.447mm≈0.45mm。

實施后，下一個電池殼體測量表上的數(shù)值為0.14mm，尺寸滿足要求。因此調(diào)整焊接電流后熱變形量得到控制，電池殼體尺寸滿足技術(shù)要求。

結(jié)語

一汽-大眾公司在電池殼體鋁焊接工藝上，使用熱變形校形工裝，是生產(chǎn)過程質(zhì)量控制上的一次全新的探索和實踐，有助于保證產(chǎn)品質(zhì)量，增強車型產(chǎn)品的競爭力。