汽车车身机器人焊接工艺参数优化与焊接变形控制研究

摘要： 随着汽车工业的快速发展，对汽车车身制造质量和生产效率提出了更高要求。机器人焊接作为汽车车身制造的关键工艺，其焊接工艺参数直接影响焊接质量和焊接变形。本文通过对汽车车身机器人焊接工艺参数进行深入研究，运用数值模拟和试验相结合的方法，优化焊接工艺参数，以实现对焊接变形的有效控制。研究结果表明，合理的焊接工艺参数优化能够显著降低焊接变形，提高汽车车身的制造精度和质量，为汽车车身的高效、高质量生产提供了技术支持。

一、引言

汽车车身是汽车的重要组成部分，其制造质量直接影响汽车的安全性、舒适性和外观。机器人焊接技术因其具有高精度、高效率、高稳定性等优点，在汽车车身制造中得到了广泛应用。然而，在焊接过程中，由于焊接热输入的不均匀分布，会导致焊接变形，影响车身的尺寸精度和装配质量。因此，研究汽车车身机器人焊接工艺参数优化与焊接变形控制具有重要的现实意义。

二、汽车车身机器人焊接工艺概述

在制造业中，焊接工艺特别是点焊，因其高效、稳定的特点在汽车零部件、金属结构件等领域得到广泛应用。发那科机器人，作为全球领先的工业机器人品牌，以其卓越的性能和高度灵活性，在自动化焊接领域占据了一席之地。针对应用场景——高速辊床配合发那科机器人进行车架工艺孔的点焊作业，这一组合展现了现代智能制造的高效与精准。高速辊床作为焊接夹具，其核心在于快速、准确地定位工件。通过精密的机械设计，辊床能够快速将车架工艺孔与定位销精准对接，确保每次焊接前的位置一致性，大大提升了生产效率和焊接质量。此外，辊床设计注重稳定性和耐用性，能在高负荷、连续作业下保持稳定的性能，减少因设备故障导致的停机时间。发那科机器人以其先进的传感器技术和强大的控制算法，能够实现微米级的定位精度，确保焊接点的一致性和可靠性。其高速运动控制功能，使得机器人在执行点焊动作时更加迅速且平滑，显著提高了生产效率。同时，通过编程或示教方式，可轻松实现各种复杂焊接路径的自动化，降低了对人工操作的依赖。结合发那科机器人控制系统，可以实现焊接参数的实时监控与调整，如焊接电流、时间等，确保焊接过程的稳定性和安全性。此外，与工厂其他自动化设备的无缝集成，如自动上下料系统、质量检测设备等，进一步提升了生产线的智能化水平和整体效率。

三、焊接工艺参数对焊接变形的影响

（一）焊接电流

焊接电流是影响焊接热输入的重要参数。增大焊接电流，会使焊接热输入增加，导致焊缝及附近区域的温度升高，热膨胀和收缩加剧，从而使焊接变形增大。

（二）焊接电压

焊接电压与焊接电流相互配合，共同决定焊接热输入。适当提高焊接电压，在一定程度上会增加焊缝宽度，但如果电压过高，会使焊接过程不稳定，导致焊接变形增大。

（三）焊接速度

焊接速度影响单位长度焊缝上的热输入量。焊接速度过慢，热输入量增加，焊接变形增大；焊接速度过快，可能会导致焊缝熔合不良，同样影响焊接质量和变形。

（四）焊接顺序

焊接顺序对焊接变形有显著影响。不合理的焊接顺序会使焊件在焊接过程中产生不均匀的应力分布，从而导致较大的焊接变形。例如，先焊接刚性较大的部位，会使焊件在后续焊接过程中难以自由变形，累积较大的内应力和变形。

四、焊接变形控制方法

（一）优化焊接工艺参数

1. 基于数值模拟的参数优化

利用有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，建立汽车车身焊接的数值模型。通过模拟不同焊接工艺参数下的焊接过程，分析焊接温度场、应力场和变形场的分布情况，预测焊接变形量。根据模拟结果，选取能够使焊接变形最小的焊接工艺参数组合。

2. 试验优化

通过正交试验设计方法，选取焊接电流、焊接电压、焊接速度等主要工艺参数作为试验因素，每个因素设置多个水平。按照正交表进行焊接试验，测量焊接后的变形量。运用极差分析和方差分析等方法，确定各工艺参数对焊接变形的影响程度，从而优化焊接工艺参数。

（二）采用合理的焊接顺序

3. 对称焊接

对于结构对称的焊件，采用对称焊接顺序是一种有效的工艺方法，可显著减少焊接过程中产生的应力和变形。这种方法基于一个基本原则：当焊件在两侧同时受到相同的热输入时，其产生的应力和变形会相互抵消。例如，在焊接左右对称的车身部件时，从中间向两端同时施焊，可以使得两侧的热膨胀和收缩趋于一致，从而避免由于单侧加热导致的弯曲或扭曲。这种对称焊接不仅提高了焊接质量，还减少了后续校正的工作量，从而提高了生产效率和产品质量。因此，在可能的情况下，应优先考虑采用对称焊接顺序来优化焊接过程。

4. 分段退焊

将长焊缝分成若干小段，并按照一定顺序逐段焊接，每段焊接方向与前一段相反，这是一种有效的减少焊接变形和热积累的方法。这种方法通过减少单次焊接的长度和热量输入，使得焊接过程中产生的热应力分布更加均匀，避免了局部过热导致的变形。同时，反向焊接可以使得焊缝在冷却过程中产生的收缩和膨胀相互抵消，进一步降低了变形风险。此外，分段反向焊接还可以提高焊接质量，减少焊接缺陷的产生。因此，在焊接长焊缝时，采用这种方法可以显著提高焊接效果和产品的整体质量。

（三）预变形法

根据焊接变形的方向和大小，在焊接前对焊件施加与焊接变形相反的预变形。焊接后，焊件在焊接变形和预变形的共同作用下，达到设计要求的尺寸精度。例如，对于薄板焊接，可以在焊接前对焊件进行适当的反变形弯曲。

（四）刚性固定法

焊接过程中，使用焊接夹具或其他刚性支撑结构固定焊件，可以有效限制其变形。刚性固定法通过限制焊件在焊接过程中的移动和变形，保证了焊缝的几何形状和尺寸精度。然而，在焊接完成后去除刚性支撑时，可能会因冷却收缩而产生一定的残余应力。因此，在使用刚性固定法时，需要综合考虑其对焊接变形和残余应力的影响，并在必要时采取适当的措施来减少残余应力的产生。例如，可以在焊接前对焊件进行预热，或在焊接后采用退火处理来消除残余应力。

五、试验研究

（一）试验材料与设备

选取汽车车身常用的低碳钢板作为试验材料。试验设备包括工业机器人、焊接电源、焊接夹具、三坐标测量仪等。

（二）试验方案设计

采用正交试验设计，以焊接电流、焊接电压、焊接速度为试验因素，每个因素设置3个水平，共进行9组试验，每组试验焊接[10]个试件。

（三）试验过程与结果测量

按照试验方案进行焊接试验，焊接完成后，利用三坐标测量仪测量每个试件的焊接变形量，包括纵向变形、横向变形和角变形。

结语：

本文通过对汽车车身机器人焊接工艺参数优化与焊接变形控制的研究，表明焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊接顺序等焊接工艺参数对焊接变形有显著影响。采用数值模拟和试验相结合的方法，能够有效地优化焊接工艺参数，实现对焊接变形的控制。合理的焊接顺序、预变形法和刚性固定法等措施可以进一步减小焊接变形。通过试验验证，优化后的焊接工艺参数能够显著降低焊接变形，提高汽车车身的制造精度和质量。未来的研究可以进一步深入探讨焊接过程中的多物理场耦合机制，以及开发更加智能化的焊接工艺参数优化和变形控制方法，以满足汽车工业不断发展的需求。

参考文献：

[1] 基于机器人的白车身焊接自动打磨技术研究[J]. 刘久月;马立新;刘海旭;刘菁茹;都姗姗.汽车工艺与材料，2023（04）

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