葉 潘，吳 焰，路華峰

東風本田汽車有限公司，湖北 武漢 430058

0 前言

激光填絲釬焊具有焊接速度快、能量密度集中并可控、焊接形變小、焊縫成形美觀等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車白車身制造中，成為實現側圍與頂蓋穩(wěn)定連接的主流技術[1-3]。隨著激光填絲釬焊技術在國內諸多品牌廠商中的成熟應用[4-6]，在保證焊縫質量的前提下，對焊接加工效率提出了更高的要求。尤其在注重多車型柔性化生產的日系車企，一套激光填絲釬焊設備需要滿足不同尺寸白車身的加工節(jié)拍要求，因此獲得適應不同焊接速度下的加工工藝參數成為實現精益化生產的關鍵。就目前的量產加工速度而言，國內大多數車企的白車身頂蓋焊接速度為70 ～80 mm/s[7-9]，能在30 s內完成1 500 mm焊縫的加工。鄭世卿等人[9]在單激光熱源填絲釬焊系統(tǒng)中對焊絲導通熱絲電流，在100 mm/s焊接速度下獲得了表面光滑無缺陷的高質量焊縫，這也是國內已知的單激光熱源填絲釬焊技術在量產中所達到的最高速度。但是在尋求更高焊接速度以滿足更大尺寸車身加工時，單激光熱源由于存在特定的功率上限[10]以及輔助熱絲電流過大[11]對焊絲末端定位精度的影響，在不增加釬焊熱源數目的前提下已經很難實現更高焊接速度的突破。

另一方面，工業(yè)機器人作為高端制造裝備的重要組成部分，技術附加值高，應用范圍廣，是我國先進制造業(yè)的重要支撐技術和信息化社會的重要生產裝備[12]，尤其是近些年來，基于開放式控制系統(tǒng)和高速總線網絡通訊功能的快速發(fā)展，使得以機器人為核心，專用設備為輔助，適應不同工藝的綜合功能系統(tǒng)得到規(guī)模化的推廣應用[13]。

本文將激光填絲釬焊技術與工業(yè)機器人技術相融合，基于機器人現場總線網絡設計構建了一種新型高速激光填絲釬焊系統(tǒng)，用以解決現有激光填絲釬焊工藝的加工速度問題。結合未來對于高速、穩(wěn)定的焊接加工技術的要求，開發(fā)的新型成套焊接系統(tǒng)具有一定的實際應用價值和技術前瞻性。

1 高速激光填絲釬焊系統(tǒng)組成

1.1 機械系統(tǒng)

機器人高速激光填絲釬焊的機械系統(tǒng)主要由激光熱源裝置、送絲設備、視覺補償系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)等組成。

熱源是影響焊絲熔化最核心的因素，機器人移動軌跡與焊縫的一致性也是保證焊縫填充以及品質穩(wěn)定的關鍵所在，焊絲的順暢進給影響焊縫的截面尺寸和強度。因此相較于傳統(tǒng)單一熱源存在的局限性，采用兩臺激光發(fā)生器，經由光纖和聚焦組件，從焊接方向前、后以不同的角度照射焊絲，提供均勻且高效的熱源。其次為了適應零件尺寸波動以及裝配精度變化帶來的焊接路徑變更，配置了基于視覺傳感技術的焊縫輪廓識別與軌跡跟蹤裝置，能夠在高速焊接時對焊接軌跡進行實時補償，保證焊接軌跡的一致性。同時配置檢測裝置對焊縫進行實時檢測。

機器人高速激光填絲釬焊系統(tǒng)的機械結構示意如圖1、圖2所示，通過合理的機械結構設計將各設備單元按照其特性進行組裝，得到多功能模塊化的激光焊接頭。

圖1 激光填絲釬焊系統(tǒng)Fig.1 Laser filler wire brazing system

圖2 模塊化激光頭Fig.2 Modular laser head

1.2 控制系統(tǒng)

高速激光填絲釬焊系統(tǒng)是在機器人高開放性的控制系統(tǒng)以及模塊化的軟硬件接口之上，通過適用的總線協(xié)議建立起的系統(tǒng)集成。在實際案例中，采用安川（YASKAWA MOTOMAN）MS165型高負載、高精度六軸機器人，搭配DX200型控制柜，具備高速以太網與DeviceNET現場總線通訊功能，分別與上端自動線主控PLC和下端專用設備進行I/O通訊，安川機器人控制系統(tǒng)的激光填絲釬焊設備網絡示意如圖3所示。安川機器人控制柜中CPU單元內置兩塊通訊基板，其中YEC-EIP-PCU基板作為網絡從站，經由分線端口與PLC通訊模塊進行高速大容量EtherNET/IP網絡通訊。而SST-DN4-PCU-2基板作為主站，采用DeviceNET與機器人下端各類專用設備進行現場總線通訊。

圖3 基于機器人控制系統(tǒng)的激光釬焊設備網絡拓撲Fig.3 Network topology of laser wire-filled brazing equipment based on robot control system

根據各專用設備的使用要求和通訊所需字節(jié)長度，分配機器人與外圍設備進行DeviceNET網絡通訊時的節(jié)點號、I/O地址區(qū)間等參數，建立機器人與外圍設備的I/O交互功能。表1為安川機器人作為DeviceNET通訊主站時的下端各從站信息，其中機器人本身默認節(jié)點號為0，1 ～63為從站設備可選節(jié)點。

表1 安川機器人DeviceNET網絡下端各從站信息Table 1 Information of each slave station in DeviceNET network of Yaskawa robot

除了分配安川機器人與各從站設備通信所用的外部I/O信號外，機器人通過內部梯形圖制定外部I/O與通用I/O信號之間的對應關系，以便于通過機器人的用戶程序進行相關指令的發(fā)送以及各類反饋信號判斷。

2 系統(tǒng)單元

2.1 激光發(fā)生器

激光發(fā)生器作為激光加工系統(tǒng)中最核心的設備，能夠為切割、焊接、彎曲成形、表面處理等過程提供高功率密度的熱源。由于在實際生產中激光發(fā)生器提供的激光功率遠大于0.5 W，屬于具有嚴格安全要求的第4級應用激光（根據IEC/EN 60825-1標準），因此在激光發(fā)生器的使用中，最重要的便是安全。圖4為通快（TRMPF TRUDIODE 6006）激光發(fā)生器在焊接系統(tǒng)中的安全信號組成，構建激光器在工業(yè)機器人及PLC系統(tǒng)下的控制回路，可以在保證設備安全的前提下更有效地使用高能激光束。通常激光發(fā)生器的控制回路有兩大類，一類是基于自動線所有安全設備包括急停按鍵、安全門環(huán)路、光柵、區(qū)域掃描儀等部件串聯(lián)成的高等級安全回路，另一類則是機器人與激光發(fā)生器通過現場總線形成的I/O信號互聯(lián)和PLC通過繼電器影響激光發(fā)生器安全回路的通斷，這也是激光發(fā)生器經由PLC和機器人用戶程序實現全流程激光加工的前提。

圖4 激光發(fā)生器安全回路與控制回路Fig.4 Safety and control loop of laser oscillator

在構建好激光發(fā)生器的安全回路以及I/O互聯(lián)之后，首先需要結合激光發(fā)生器既定的激光束啟動時序開發(fā)出對應的機器人子程序，以便在設計全流程加工時通過機器人程序進行激光功能的指定和調用。圖5a為案例中通快激光發(fā)生器的出光時序，可設計程序名及對應功能如下：LASER_READY用于確認激光器安全回路閉合，進入工作準備狀態(tài)；LASER_PROG_ON用于激光程序激活，使激光束處于臨界釋放狀態(tài)。RST_BRAZE用于焊接完成后，將激光發(fā)生器工作程序號以及各類交互信號清零。

其次在激光發(fā)生器內部編寫相應的激光發(fā)生器工作程序，設計或更改焊接激光束的脈沖形狀和控制方式，用以滿足材料焊接特性對激光熱源能量分布狀態(tài)的要求，同時便于機器人在應用程序中直接調用，如圖5b所示。

圖5 激光束啟動時序及激光工作程序Fig.5 Laser beam starting sequence and laser working procedure

2.2 送絲設備

送絲設備的作用是在機器人的指令下將焊絲從絲桶抽出，經由送絲管進給至焊接位置，使焊絲在激光照射下穩(wěn)定熔化。因此送絲設備的穩(wěn)定性從根本上影響了焊縫均勻化成形過程，其中送絲阻力又是影響穩(wěn)定送絲最關鍵的因素，送絲機需要保證均勻的送絲速度。在送絲機內置從動輪編碼器的檢測下，將實際速度與設定速度進行對比，通過反饋機制調整驅動輪的扭矩來調整轉速，如圖6所示。送絲設備與機器人進行I/O通訊，通過機器人程序設置相應送絲速度，經由寄存器賦值給外部I/O信號，從而控制送絲速度。同時根據焊縫填充的均勻性要求設定實際送絲速度相對波動許可范圍，避免送絲速度變化過大引起焊縫品質波動。

圖6 送絲系統(tǒng)閉環(huán)調節(jié)機制Fig.6 Closed-loop regulation mechanism of wire feeding system

采用BINZEL MFS-V3送絲系統(tǒng)，通過控制軟件，選擇由“總線控制送絲速度”，便于在機器人程序中經由寄存器命令賦值外部I/O信號直接設置送絲速度，如圖7所示。

圖7 送絲系統(tǒng)參數設定Fig.7 Parameter setting of wire feeding system

2.3 視覺系統(tǒng)

激光填絲釬焊設備采用賽融（SERVO_ROBOT）視覺系統(tǒng)，包含兩套獨立的子系統(tǒng)，分別為焊接前焊縫輪廓識別與焊接軌跡補償的追蹤子系統(tǒng)以及焊后品質實時檢測的檢查子系統(tǒng)。前者的作用在于通過對焊縫端面輪廓的識別計算獲得最佳焊接位置的坐標數據，經由控制柜傳輸至Y/Z軸伺服補償機構，在機器人移動的同時進行軌跡微調，從而提高熔池隨動過程的穩(wěn)定性[14-15]。而檢查相機則是對已成形焊縫表面進行多種尺寸測量，具備“檢測異常即報警停止”功能。

與激光發(fā)生器的出光流程類似，在完整的焊接過程中，視覺系統(tǒng)中的追蹤補償子系統(tǒng)與焊縫檢查子系統(tǒng)需要建立多個允許機器人調用的子任務，如圖8所示為賽融視覺系統(tǒng)使用基準，用戶利用通用I/O接口信息與任務觸發(fā)時序在機器人示教器開發(fā)出用于各個環(huán)節(jié)的子程序包含車型任務號調用（不同車型，搭接斷面識別算法不同）、追蹤/檢查相機掃描激光激活、追蹤相機焊縫斷面尋位/跟蹤啟動、檢查相機啟動等功能。

圖8 賽融視覺系統(tǒng)使用基準Fig.8 SERVO_ROBOT vision system using benchmark

3 機器人程序開發(fā)

機器人的用戶程序將直接影響激光焊接過程的穩(wěn)定性和可靠性，根據激光發(fā)生器、送絲機、焊縫識別與補償設備、焊縫品質檢查設備以及其他冷卻水/保護氣的使用要求，構建合適的程序架構便于更加直觀地控制焊接過程。圖9為激光填絲釬焊的流程。其中，關鍵焊接參數如①中的激光功率、送絲速度可通過更改機器人程序中寄存器的賦值來間接指定外部I/O信號進行設置，而焊接速度和焊絲傾角則在示教機器人行進軌跡及姿勢時進行調整。設定完最基本的焊接參量之后，通過②中子程序調用，請求包括激光發(fā)生器、送絲機、焊縫識別追蹤相機以及品質檢查相機在內的專用設備內部的應用程序任務號。在③與④中，由子程序建立多時序I/O交互過程，使激光發(fā)生器與送絲機處于程序激活狀態(tài)，同時運行機器人至焊縫開始位置，打開焊縫識別追蹤相機，通過線型激光束掃描焊縫搭接斷面并結合輪廓算法進行識別。⑤中通過預期輸出指令及其延時功能，精準控制出光和出絲的時間差，調整起焊位置的焊縫形貌，避免出現缺口和焊瘤。⑥ ～⑧中，焊接過程進行35 mm以后，后置的品質檢查相機啟動，從起始端檢查焊縫尺寸參數，直至機器人焊接完成后，停止出光、出絲，停止焊縫識別跟蹤，繼續(xù)前行35 mm以后焊縫檢查過程終止。⑨中機器人運行至工作原點，原先與外圍設備的所有交互信號復位，當前工作循環(huán)停止，等待下一個循環(huán)啟動。

圖9 激光填絲釬焊流程Fig.9 Process of laser brazing with filler wire

激光填絲釬焊過程的用戶程序開發(fā)是基于整套工藝流程以及設備觸發(fā)時序完成的，尤其是對于工藝穩(wěn)定性具有極高要求的激光填絲釬焊工藝，應當優(yōu)先滿足關鍵工藝參數調整的便捷性及可靠性。同時，在工業(yè)生產中，除了保證獲得高質量的焊縫，更需要兼顧成套設備的運行穩(wěn)定性。通過合理的設定激光發(fā)生器、送絲機、視覺相機等設備不同I/O交互進程在程序中的排列順序，可以提升車身的焊接加工速度。清晰的邏輯架構與順控執(zhí)行特點也會降低故障排查所用的時間。

4 高速激光填絲釬焊系統(tǒng)的應用實例

在東風本田Y車型的實際加工應用中，出于對焊縫耐腐蝕性能以及43 s/臺加工節(jié)拍的要求，采用CuMn6Zn5焊絲[16]，化學成分為w（Cu）=89%，w（Mn）=6%，w（Zn）=5%，最低焊接速度105 mm/s，送絲速度6.7 m/min，氬氣流量25 L/min，優(yōu)化后匹配范圍：前激光2.0 ～3.25 kW，后激光3.25 kW[17]。獲得的焊縫形貌如圖10所示，其中腳長A為焊縫與側圍母材的連接長度，腳長B為焊縫與頂蓋母材的連接長度，厚度H為形成焊縫有效填充高度。焊縫整體表面光滑，與兩側母材邊界清晰整齊，同時焊縫內部填充飽滿無明顯缺陷。

圖10 焊縫形貌特征Fig.10 Appearance and cross section during high speed laser wire-filled brazing

在對白車身進行定期全解剖測試中，選取頂蓋左右兩側焊縫的前、中、后三段制成寬度為20 mm的試樣進行焊縫截面金相尺寸測量與強度測試，如圖11所示，失效位置均為母材，其最大拉伸力達到4.04 kN，遠超同行業(yè)基準2.18 kN，如表2所示。可見基于雙激光熱源構建的高速激光填絲釬焊系統(tǒng)能夠獲得更高強度的焊縫，顯著提升車身結構性能。

圖11 焊縫試樣選取Fig.11 Selection of weld sample

表2 各段焊縫截面尺寸測量與強度測試數值Table 2 Dimensional measurements and strength test values of weld sections

5 結論

基于機器人網絡構建了一套高速激光填絲釬焊系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)在東風本田Y車型的實際加工中得到了表面光滑、邊界清晰整齊、內部填充飽滿的優(yōu)質焊縫，且具有優(yōu)異的拉伸性能。同時，在雙激光熱源填絲釬焊系統(tǒng)的基礎上可根據實際加工情況增加或刪除相應組成模塊，調整焊接系統(tǒng)所需的特定功能，用以滿足各類焊接加工的使用要求，比如增加弧焊電源可開發(fā)出單/雙激光束輔助GMAW焊接系統(tǒng)，解決高厚板材焊接中存在的熔深不足等問題。也可以通過增加超聲耦合裝置，利用超聲波的空化效應和聲流效應去除釬焊過程表面氧化膜以及消除熔池氣孔，實現鋁合金材料焊接質量的提升。