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文 献 综 述
1 前言
焊接作为工业中一项不可或缺的技术一直是被制造业界所关注的，同时随着工业4.0的出现，不论是对于焊接工艺的精确度、强度上，还是在焊接过程中的灵活性、适应性和自动化程度上，都提出了新的要求。特别是在汽车工业中，焊接还是汽车零部件与车身制造中的一个关键环节，起着承上启下的特殊作用，同时汽车产品的车型众多、成形结构复杂、零部件生产专业化、标准化以及汽车制造在质量、效率和成本等方面的综合要求，都决定了汽车焊接加工是一个多学科、跨领域和技术集成性强的生产过程。
2 涉及内容及其分类（工艺及设备相关）
汽车行业作为制造业中的一大支柱，是一项反应国家综合工业实力的综合性工业。而焊接工艺在汽车工业中的应用同样是非常宽泛的，正因如此，如何提高焊接工艺以及提高其自动化水平也是一个非常值得研究的话题。本文选用目前市场上最为常见的扭力梁式后悬架为例，对其两侧纵臂和主梁间（如下图1所示）焊接组装的过程中涉及的主要技术、工艺进行阐述，希望对之后课题的推进有所帮助。
图1
2.1有关扭力梁
扭力梁式悬架是非独立悬架的一种，是通过一个扭力梁来平衡左右车轮的上下跳动，以减小车辆的摇晃，保持车辆的平稳。而且扭力梁悬架比较特殊，虽然左右车轮串联在一根梁上，但它们的连接件扭力梁不是刚性的，而是带有一些韧性，允许一定程度的扭转，这样既可以减小左右车轮的运动干涉，又能起到平衡左右车轮上下跳动的作用（横向稳定杆的作用）。
而且扭力梁的主梁位于汽车底盘（基本无保护的状态），可以说工作工况是非常恶劣的，因此对其性能要求也就比较严苛，不管是疲劳强度、刚度以、耐磨性及耐腐蚀性都远超一般的其他零件。因此在其选材上也需要多方面考虑，由于要平衡左右车轮以及一定量的扭矩，因此对其屈服强度和抗拉强度都提出了要求。因此综合强度、性能、成本以及加工难易程度等因素考虑，可以选用屈服和抗拉强度较高的低碳钢（通常汽车底盘件选用抗拉强度440MPa和590MPa的较多）[1]。之前也提到了扭力梁作为底盘件，保护措施较少、工作条件恶劣，在通过泥泞路面或者水坑时，容易在表面留下水珠或者水膜，而人不可能经常去擦拭，水停留在钢铁表面很有可能会造成电化学腐蚀。为了避免零件的过早锈蚀，表面处理可以选用镀一层活泼性比Fe高的金属（比如Zn）的方式，延长其使用寿命。
最初的扭力梁是采用板材作为其主梁的坯料，但是1999年德国的Rainer Hansen和Georg Wecker 提出了一种通过机械挤压方式将空心管坯压制成横截面为 U 型截面的扭力梁，自此之后以管材作为扭力梁的坯料开始逐渐盛行起来[2]。将管材制成合格的扭力梁成品件一共有三种方式：冷冲压、热冲压、内高压成形。就目前市场来说，一般采用的液压成形（即内高压成形），成型步骤可简单分为两步：第一步，先把管坯通过机械压制成大概形状来预成形；第二步，通过内高压胀形使其与模具贴合完全形成最终工件[3]。而且随着汽车轻量化的呼声在节能减排的潮流推进下也越来越高，因管坯制扭力梁相比较板制扭力梁可以同比减重10%甚至更多（可以满足正常乘用车的性能指标），所以也可以说其应用发展是顺应目前趋势的[4]。管坯制扭力梁不光光是减轻了重量，在做过的30万次疲劳寿命模拟中，模拟结果显示两者虽然都能通过测试，且开裂位置基本一致（靠近和纵臂焊接处），但是裂纹方向有很大差别，板制扭力梁的裂纹垂直于主梁本身，非常容易出现突然断裂的情况，因此是相当危险的；而管坯制扭力梁裂纹平行于主梁，相对安全[5]。
虽然管坯制扭力梁在性能、安全性等各方面要优于板制扭力梁，但是相对的将其与两侧纵臂的焊接过程会比后者的难度会高出许多[6]。因为焊接结构相对复杂而且母材厚度较薄（碳钢管材壁厚通常在5mm左右，若是机械性能优越的超高强钢甚至能低于3mm）的关系，在选择焊接方式、规划焊接顺序时都应该将这些纳入考虑因素[7]。
2.2有关焊接工艺
焊接工艺是将两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。主要分为三大类：熔焊、压焊和钎焊（有时也会加热加压同时进行）。在交通运输业、航空航天工程、电力工程等领域都有相当广泛的应用。从十九世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰这两种能局部融化金属的高温热源开始，使得高能量密度的熔焊技术开始发展起来。现代制造业中，焊接方式比较常用的有电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、激光焊、电渣压力焊等等。其中气体保护焊根据保护气体的成分以及电极融化与否分为：(a)非熔化极（钨极）惰性气体保护焊（TIG）；（b）熔化极气体保护焊（GMAW）两种，而熔化极气体保护焊又可细分为：惰性气体保护焊(MIG)、氧化性混合气体保护焊(MAG)、CO2气体保护焊、管状焊丝气体保护焊(FCAW)，其中区别可参见表1[8-9]。
表1 目前气体保护焊主要形式介绍
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气体保护焊种类
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保护气体
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特点及适用范围
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实芯焊丝
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非熔化极惰性气体保护焊TIG
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主要为Ar，除焊接铁素体不锈钢外，其他情况可加5%氢气增加热输入
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基本可用于大多数金属的焊接，但是熔深较浅，主要用于厚度在1.6mm及其以上的工件，较厚的截面上作为焊根焊道使用[10]。
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熔化极气体保护焊GMAW
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惰性气体保护焊(MIG)
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Ar;He;Ar+He
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适用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、镐及镍合金,主要用于0.5~25mm厚度的工件[11]。
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氧化性混合气体保护焊(MAG)
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Ar+O2;Ar+CO2;
Ar+CO2+O2
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适用大部分主要金属，主要用于0.8~30mm左右的工件。
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CO2气体保护焊
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主要为CO2
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药芯焊丝
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管状焊丝气体保护焊(FCAW)
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有一定自保护性，视情况附加保护气体
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主要适用于铁基金属（碳钢、不锈钢）及少量其他非铁基金属。有高熔敷效率，但容易存在焊渣，需要以一定的速度进行[12]。
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而各种焊接工艺间因为存在着区别，应该根据实际情况来选用合适的焊接方式，选用焊接方式的基本原则一般有以下几点：
①材料的焊接性。低碳或者低合金结构钢对焊接方式要求不那么苛刻，一般可选用各种方式进行焊接；高合金钢、非铁金属或者其他合金材料则适合能量密度高且集中，有保护措施的焊接方式，如惰性气体保护焊、电子束焊、等离子弧焊等；异种金属间的焊接则适合采用激光焊、摩擦焊、钎焊等。
②焊接结构件特点。焊缝短而不规则时适宜采用气焊、焊条电弧焊等手工焊接方式；焊缝长而规则时，适合采用埋弧焊、气体保护焊等机械自动化的焊接方式；如果结构为薄板结构，则适合采用电阻点焊、气焊、CO2保护焊、氩弧焊等；如果是厚板结构则适合采用埋弧焊、电渣压力焊、电子束焊等焊接方式。
③生产批量。批量小时可以选用气焊或者焊条电弧焊来降低成本；批量大时则适合采用电阻焊、摩擦焊、埋弧焊或者气体保护焊等高效的焊接方式。
④经济性。顾名思义就是考虑到成本问题，应该优先考虑气焊、电弧焊、电阻焊这些低成本的焊接方式，当然也要考虑到生产效率和焊接件的质量问题。
除了以上几点基本原则外，应该考虑的因素其实还有，比如后续的质量控制、焊后对于焊接残余应力的消除、是否需要填充其他金属材料、焊接工况条件（特别是气体保护焊对于横向风的影响十分敏感）、对相关人员的防护（应对焊接时产生的烟尘、有害气体、弧光甚至是放射性等有害因素的措施）等等，都是需要综合考量的[13]。尤其是消除残余应力，这项工序直接影响到了零件的使用寿命以及承载能力，焊接通过局部加压或加热，在添加或者不添加额外金属材料的情况下使零件不可拆卸地连接在一起，在这个过程中因为温度场的变化很容易产生不均匀的变形，也就是焊接的残余应力。如果零件在残余应力和外在作用力的交互作用下很容易出现应力腐蚀、开裂等严重后果。而一般采用的焊后消除残余应力方法有很多，比如热处理法、加载法、爆炸处理法、锤击处理法、激光处理法、超声波处理法等[14]。但是各种处理方法所适用的条件以及消除残余应力的效果又不尽相同，下面是针对各种处理方式的简单阐述：
1）热处理分为整体和局部热处理，整体热处理虽然能消除60%~90%的残余应力，但是不适合用于复杂或者大型的工件结构，局部热处理只是降低残留应力峰值，并不能达到完全消除作用。
2）加载法也分为温度拉伸和机械拉伸法，温度拉伸通过受热膨胀使焊接区域温度比两侧温度低来实现，机械拉伸通过拉伸构建来消除残余应力，但是机械拉伸法控制不好容易使结构变形，而温度拉伸法则是成本较高，操作起来也有一定困难。
3）爆炸处理法通过将特种炸药埋敷在焊缝表面，利用爆炸的冲击波来消除残余应力，该种方法不受结构限制，但是如果炸药用量控制不好容易引起焊接结构的宏观变形，且有一定的危险性。
4）锤击处理法。顾名思义就是利用锤子锤击焊接区域，使焊缝产生塑性变形，减小残留的焊接应力，这种方法操作简单，成本低廉且绿色环保，但是对于使用金属镀层材料的焊接结构来说，容易诱发细小裂纹降低腐蚀性以及产生应变时效脆化等相关问题。
5）激光处理法。用强脉冲激光来冲击焊件，可通过精确控制激光能量、冲击角度、冲击区域和冲击次数实现对复杂焊接结构强度和疲劳性能的提高[15]。
2.3关于焊接工业机器人
在目前的汽车行业中，对零件生产的性能和质量要求越来越高，因此对汽车各零件总成的焊接要求也在不断提高。为了应对这一现状，工业机器人被引入汽车行业，工业机器人作为计算机控制的现代制造企业中常见的生产线设备，其功能主要有焊接、装配、喷涂、搬运等。在我国汽车行业的工业机器人保有量已经过半，而其中又有超过50%是焊接机器人[16]。相较于传统的人工手动焊接，焊接机器人的作业优点有：精度高、故障和出错率低、产品质量波动幅度小且能持续性工作。当然工业机器人的应用也是有一定的限制条件的，根据其优点可以概括为：重复性大、精度要求高、与环境交互性不强（如果是焊接短而复杂无规则的焊缝，还是不适合使用工业机器人的）[17]。
工业机器人想要达到预定的轨迹动作状态和重复定位后的精度要求和机器人的RV减速器、伺服马达以及控制系统是息息相关的。RV减速器运用了摆线针行星齿轮系统，单级最高可拥有1：87的高减速比以及90%以上的传动效率，保证了机器人的输出精度以及稳定性[18]。后续新的系统和算法的使用也让机器人自定位和调节能力不断提高，能更加贴近示教轨迹。而制造业的数字化使得机器人的离线编程成为可能，这也使得大量的时间和物质资源浪费能够被避免，具体内容之后将会介绍到。
衡量工业机器人的参数主要有五项，分别是：末端负载、工作半径、重复定位精度、MTBF（即两次故障发生最小平均时间间隔）、使用寿命。日系的工业机器人的性价比比较高，因为日系机器人市场占有率高，而且相对比较节省材料，因此售价比较便宜，虽然自然刚性和精度就普遍要比欧美工业机器人差一些，但还是可以满足使用要求的。对于机器人强度和定位精度有较高要求的工作，相信欧美系的工业机器人应该会是比较好的选择[19]。
3 研究及实现手段（仿真和理论体系相关）
3.1有关离线编程
随着计算机及互联网技术的发展，数字化制造开始出现并在汽车行业中得到运用发展，数字化制造是一套支持设计和制造工程团队之间进行协同工艺规划的解决方案[20]。它由一系列支持工具设计、制造流程设计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的分析活动的工具集组成。而一些计算机辅助软件也就应运而生，比如CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）等等，这一系列软件不断涌入也就使得市场相对比较混乱。比如对于上文中介绍的焊接机器人轨迹离线编程来说，市场上该类软件也有许多，比如Robot Master、Robot Works、Rob Cad等等，但是通过比较可以发现这些软件在兼容性、人机交互性、资源库的丰富性、操作难度上或多或少都是存在缺陷的，因此要根据实际的生产要求去选择合适的软件是很有必要的。下面是对市场上较主流的7款机器人离线编程软件的比较：
① Robot Master 是目前全球离线编程软件中顶尖的软件，几乎支持市场上绝大多数机器人品牌（KUKA，ABB，Fanuc，Motoman等）软件中无缝集成了机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了编程速度。可按照产品的数字化模型来进行编程，可用于切割、铣削、焊接、喷涂等方面。优化功能以及运动规划和碰撞检测也是非常精确。当然缺点也比较明显，就是只能对单一机器人进行模拟仿真，无法实现多机协同，价格也比较昂贵。
② Robot Art 根据几何数模的拓扑信息生成机器人运动轨迹，之后轨迹仿真、路径优化、代码生成等等，可以快速生成逼真的模拟动画。能够支持多种CAD文件格式以及多种品牌的工业机器人的离线编程操作，优化功能和碰撞检测功能较优秀，但是该款软件无法模拟整个生产线，对于一些国外小众机器人也不支持。
③ Robot Works 数据接口全面，程序编辑能力优秀且快捷，从导入CAD模型到机器人代码生成只需要四步，机器人资源库以及工艺指令库丰富，且支持多个机器人以及生产线的仿真。缺点是该软件是基于SolidWorks的二次开发软件，缺乏CAM功能，智能程度较低，操作起来较为繁琐。
④ Robcad 重点在于生产线的仿真，软件较为庞大，与主流CAD软件无缝集成，但是由于其目前不再更新且价格昂贵，可以说已经落后于潮流。
⑤ DELMIA 是全球首要的产品全生命周期软件生产商达索公司旗下的工业机器人离线编程软件，集六大模块于一身，人机交互性能优良。它还是目前汽车行业上泛用性最高的机器人离线编程软件，利用强大的PPR集成中枢快速进行机器人工作单元建立、仿真与验证，提供了一个完整的、可伸缩的、柔性的解决方案。缺点是专业性强，操作难度较高[21]。
⑥ RobotStudio 是本体商瑞士ABB公司研发的离线编程软件。CAD数模导入方便，且通过对CAD数模特征的自动追踪能非常快捷地生成机器人路径，优化方面、可达性分析以及碰撞检测也十分优秀，但遗憾的是该软件只支持ABB品牌的机器人，机器人资源库贫乏。
⑦ Robo move 支持目前市场上大多数机器人，可以进行多台机器人的模拟，属于根据实际项目私人定制的一款软件。功能完善，但是对操作者有很高的要求，智能化较低，而且泛用性不高。
通过对比可以发现，不论是在人机操作性、功能的集成度、数据库的丰富性等方面，对于扭力梁的焊接模拟仿真来说，DELMIA是一个较好的选择。在传统焊接时，电焊工的视野信息采集（采光、清晰度、可达性等）是会受到工件结构的影响，不过在使用DELMIA模拟时通过隐藏或者截面功能可以有效解决这一问题[22]。
（后面可先不看，有疑问没解决，尚无改动）
3.2有关柔性制造
“柔性制造”通过耦合了物联网络、知识信息网络、服务网络及其相关硬件设备等，通过计算机设备去控制生产线上的相关感应和执行器件，使得生产线被赋予一种柔性的反应能力以及对于供应链变化的精准嗅觉。柔性制造并不拘泥于形式，其实在某种意义上说，柔性制造更多是一种解决问题的方案和思维模式，而不光是一种制造模式，它通过消费者的需求作为导向来进行生产，很好地解决了资源浪费、成本的提高、消费者需求的不断个性化等问题。同时还改变了传统的供销模式，形成了以需求为指标的生产模式，同时还提高了企业的核心竞争力[2]。
之前提到选用DELMIA进行仿真模拟的好处其实还有很多，生产线的仿真、干涉和碰撞检测、甘特图（也叫横道图、条状图，横轴为时间，纵轴为项目完成情况，将产品每一步的生产情况可视化。）的生成、有关人机工程的分析等等。通过模拟仿真焊接机器人焊接头的轨迹，可以适应不同工况、形状、材料下的焊接任务，而且因为是通过离线编程和模拟仿真，大大减少了人力、原料、资金上的浪费，在能更好满足客户的个性需求的同时还能让生产线安排的更加合理。这正和柔性制造的初衷和目的不谋而合。
4 总结
随着德国工业4.0构想的提出，全球的制造业界和学术界都在密切关注甚至是去响应智能制造（智能工厂）这种生产模式，未来制造业的也必将是朝着这个方向发展的。因此将焊接工艺与柔性制造相结合可以说是一种趋势，也是一种必然。希望这篇文章对之后的研究有一定帮助。
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