CN113305457A - 一种利用机器人cmt和fsw技术焊接电池托盘的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置及方法，包括工件传输与搬运系统、CMT机器人焊接系统、FSW机器人焊接系统和安全保护装置，工件传输与搬运系统包括输送链、搬运机器人、搬运机器人控制柜，CMT机器人焊接系统包括CMT焊接机器人、CMT焊接机器人控制柜、CMT焊接组件、五轴双工位回转变位机和CMT工位工装夹具，FSW机器人焊接系统包括FSW焊接机器人、FSW焊接机器人控制柜、FSW焊接组件、双工位回转变位机和FSW工位工装夹具。提出CMT和FSW组合工艺，使电池托盘焊缝完全焊透提高气密性，且变形控制满足产品需求，利用机器人CMT、机器人FSW、搬运机器人及输送链等装置协同高效生产电池托盘。

Description

一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车辅助装置生产技术领域，尤其是一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置及方法。

背景技术

CMT即冷金属过渡焊接技术(Cold Metal Transfer)，通过在短路电流产生时，停止焊丝前进，并自动回抽，同时减小电压、电流，实现无飞溅过渡的同时减小了热输入；FSW即搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)，是利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量熔化焊件材料完成焊接的方法；CMT在焊接铝合金时，能清理氧化膜，减少热输入，减小变形，提高焊接质量；而FSW焊接铝合金除了变形小、焊接质量高之外，还不需填充材料、气体保护等。

采用铝合金电池托盘制造是新能源汽车实现轻量化的重要手段，而电池托盘对性能的要求较高，在制造中要求变形小、气密性好和焊接质量高，但传统采用MIG焊对电池托盘进行焊接，易产生裂纹、气孔等缺陷，并且焊后容易产生较大变形，造成产品密封性差、难以装配等问题。

现今的铝合金焊接工艺中，MIG焊生产效率高、焊缝成形好、飞溅小，但热输入高、变形大；TIG焊电弧稳定、热输入易控、无飞溅，但生产效率低、熔深小；CMT焊接技术具有变形小、热输入小和焊接质量好等优势，但电池托盘大多是角焊缝，若着重于控制热输入，会导致焊缝出现未焊透、未熔合等缺陷，若是着重于焊缝质量，焊接过程的变形问题又不符合电池托盘产品性能要求；而FSW无法处理角焊缝焊接，在其焊接电池托盘边框与底板的不等厚对接焊缝时还需加装背部支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术存在的缺陷，提供一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置及方法，提出CMT和FSW组合工艺，能够使电池托盘焊缝完全焊透提高气密性，且变形控制满足产品需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置，包括工件传输与搬运系统、CMT机器人焊接系统、FSW机器人焊接系统和安全保护装置，所述的工件传输与搬运系统包括输送链、搬运机器人、搬运机器人控制柜，所述的CMT机器人焊接系统包括CMT焊接机器人、CMT焊接机器人控制柜、CMT焊接组件、五轴双工位回转变位机和CMT工位工装夹具，所述的CMT焊接组件包括CMT焊枪、CMT焊接电源、送丝机和气瓶，所述的FSW机器人焊接系统包括FSW焊接机器人、FSW焊接机器人控制柜、FSW焊接组件、双工位回转变位机和FSW工位工装夹具，所述的FSW焊接组件包括机头和搅拌头。

进一步，所述的安全保护装置为安全防护栏。

进一步，所述的输送链上设置光电传感器，光电传感器与搬运机器人控制柜电连接，用于检测待焊电池托盘是否到达待搬运区域。

进一步，所述的搬运机器人的尾端法兰上安装有吸盘，吸盘与气压站连接，吸盘承载大于40kg。

进一步，所述的机头安装在FSW焊接机器人的连接法兰上，所述的搅拌头安装在机头的连接套内。

进一步，所述的输送链设置于搬运机器人的前方，搬运机器人的两侧分别设置五轴双工位回转变位机和双工位回转变位机，五轴双工位回转变位机靠近搬运机器人的一侧工位、双工位回转变位机靠近搬运机器人的一侧工位以及输送链上待搬区域均处于搬运机器人的工作范围内，所述的CMT焊接机器人设置于五轴双工位回转变位机远离搬运机器人的一侧工位旁，所述的FSW焊接机器人设置于双工位回转变位机远离搬运机器人的一侧工位旁。

优选地，所述的工件传输与搬运系统中，输送链长5m～25m，宽1.5m～5m，输送速度1～30m/min，承载为0～200kg；搬运机器人臂展为1～3m，承载大于50kg。

优选地，所述的CMT机器人焊接系统中，五轴双工位回转变位机承载大于100kg；CMT焊接机器人臂展为1～2m，承载大于10kg；CMT焊接电源可调整电压9～30V，电流25A～400A，送丝速度1m/min～17.5m/min。

优选地，所述的FSW机器人焊接系统中，双工位回转变位机承载大于2000kg；FSW焊接机器人臂展为2～4m，承载大于500kg；FSW焊接机器人机头转速为50～15000r/min；FSW焊接组件的搅拌头轴肩直径为8～60mm，适用厚度0.2～30mm，可根据产品需求设计选用静轴肩或动轴肩，或根据需要定制规格尺寸。一种利用CMT和FSW技术焊接电池托盘的方法，其步骤包括：

步骤一：首先，根据电池托盘结构特征划分焊缝接头，分别开展工艺预研究，获得最佳工艺规范；

电池托盘一般由边框、筋板和底板拼接组成，故根据其结构特征将焊缝接头划分成：第一类，边框与边框内部角焊缝；第二类，边框与边框外部角焊缝；第三类，筋板与边框内部角焊缝；第四类，边框与底板内部角焊缝；第五类，筋板与底板内部角焊缝；第六类，背部底板与边框焊缝；

以上六类焊缝接头的焊接工艺分别对应采用工艺1—6，所述的工艺1—6满足：

工艺1：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₁＝ξ₁×(δ₁+δ₂)/2(A)，焊接电压U₁为18～22V，焊接速度为5～25mm/s，式中ξ₁取15～23，δ₁、δ₂为接头处两边框板厚；

工艺2：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₂＝ξ₂×(δ₁+δ₂)/2(A)，焊接电压U₂为10～15V焊接速度为6～12mm/s，式中ξ₂取10～16，δ₁、δ₂为接头处两边框板厚；

工艺3：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₃＝ξ₃×δ₃(A)，焊接电压U₃为15～22V，焊接速度8～13mm/s，式中ξ₃取22～30，δ₃为筋板板厚；

工艺4：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₄＝ξ₄×δ₄(A)，焊接电压U₄为10～15V，焊接速度3～12mm/s，式中ξ₄取45～60，δ₄为底板板厚；

工艺5：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₅＝ξ₅×δ₄(A)，焊接电压U₅为10～15V，焊接速度3～12mm/s，式中ξ₅取40～55，δ₄为底板板厚；

工艺6：采用FSW焊接工艺，将电池托盘边框与背部的底板处焊缝设计成对—搭接形式，即边框与底板连接端加工出矩形切口，切口厚度等于底板板厚，切口宽度为d，d一般为δ₄(mm)～δ₁/2(mm)，拼焊时将底板搭放在切口上，且底板端面与切口厚度面贴合，搅拌头沿对接面焊接，搅拌头规格满足：δ₄+0.1(mm)<H₁<δ₄+2(mm)，d(mm)<R<δ₁－d(mm)，n＝(250～350)×δ₄(r/min)，焊接速度200～2000mm/min，式中H₁为搅拌针长度，R为轴肩半径，d为切口宽度，δ₄为底板板厚，δ₁为边框板厚，n为搅拌头转速；

然后，按照“边框与边框内部角焊缝——边框与筋板内部角焊缝——边框与底板内部角焊缝——筋板与底板内部角焊缝——边框与边框外部角焊缝——背部底板与边框焊缝”的焊接顺序和模型特征规划机器人路径，并结合工艺规范编制CMT焊接机器人和搅拌摩擦CMT焊接机器人的程序；

步骤二：将预先拼装点焊好的电池托盘放至输送链，待光电传感器检测到待焊电池托盘到达输送链待搬区域，暂停输送并向搬运机器人发送信号；

步骤三：搬运机器人运动至待搬区域，打开吸盘吸取电池托盘，将其搬运至五轴双工位回转变位机待焊工位，CMT工位工装夹具固定电池托盘；

步骤四：五轴双工位回转变位机旋转切换工位，CMT焊接机器人按照步骤一编制的CMT焊接机器人程序焊接，焊接结束后，翻转电池托盘并旋转切换工位，打开变位机夹具；

步骤五：搬运机器人将电池托盘搬运至双工位回转变位机待焊工位，FSW工位工装夹具固定电池托盘，双工位回转变位机旋转切换工位；

步骤六：FSW机器人按照步骤一编制的FSW机器人程序焊接，完成焊接后，双工位回转变位机旋转切换工位，搬运机器人将电池托盘搬运至工件放置区域。

本装置也可以设置电气控制系统，通过电气控制系统协同控制工件传输与搬运系统、CMT机器人焊接系统、FSW机器人焊接系统，重复步骤二至步骤六，进行电池托盘的批量焊接。

本发明的有益效果是：

1、本发明的利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置及方法，提出CMT和FSW组合焊接电池托盘工艺，总结归纳出电池托盘各类焊缝焊接工艺与板厚的多元关系式，一方面，能够使焊缝完全焊透，保证了电池托盘的焊缝质量，另一方面为不同规格的电池托盘生产提供了理论依据和实践指导；

2、本发明的方法中的CMT和FSW组合工艺，先用CMT焊接，再用FSW，此种先熔焊后固相焊的方法，可以在CMT使用热输入大的工艺保证焊缝质量的同时，在背部底板与边框FSW焊接时，利用FSW压力对CMT的焊接变形进行矫正；

3、本发明的方法，将电池托盘背部的边框与底板焊缝接头设计成对—搭接组合式焊缝，无需为其外加支撑，即可进行FSW焊接；

4、本发明的装置，可以在符合电池托盘焊接工艺要求的情况下，利用机器人CMT、机器人FSW、搬运机器人及输送链等协同高效完成电池托盘的生产制造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明生产线整体图；

图2为本发明搬运机器人图；

图3为本发明CMT焊接机器人图；

图4为本发明FSW机器人图；

图5为本发明对—搭接组合式接头示意图。

图中：1-电池托盘、2-输送链、3-搬运机器人、31-吸盘、32-搬运机器人控制柜、4-五轴双工位回转变位机、41-CMT工位工装夹具、5-CMT焊接机器人、51-CMT焊枪、52-CMT焊接电源、53-CMT焊接机器人控制柜、54-送丝机、6-气瓶、7-双工位回转变位机、71-FSW工位工装夹具、8-FSW焊接机器人、81-搅拌头、82-FSW焊接机器人控制柜、9-工件放置区域、10-安全防护栏、11-边框、12-底板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置，包括工件传输与搬运系统、CMT机器人焊接系统、FSW机器人焊接系统和安全防护栏10，工件传输与搬运系统包括输送链2、搬运机器人3、搬运机器人控制柜32，输送链2上设置光电传感器，光电传感器与搬运机器人控制柜32电连接，用于检测待焊电池托盘是否到达待搬运区域，搬运机器人控制柜32控制搬运机器人3将电池托盘1从待搬运区域搬运至待焊工位，搬运机器人3的尾端法兰上安装有吸盘31，吸盘31与气压站连接，CMT机器人焊接系统包括CMT焊接机器人5、CMT焊接机器人控制柜53、CMT焊接组件、五轴双工位回转变位机4和CMT工位工装夹具41，CMT焊接组件包括CMT焊枪51、CMT焊接电源52、送丝机54和气瓶6，FSW机器人焊接系统包括FSW焊接机器人8、FSW焊接机器人控制柜82、FSW焊接组件、双工位回转变位机7和FSW工位工装夹具71，FSW焊接组件包括机头和搅拌头81，机头安装在FSW焊接机器人8的连接法兰上，搅拌头81安装在机头的连接套内。

输送链2设置于搬运机器人3的前方，搬运机器人3的两侧分别设置五轴双工位回转变位机4和双工位回转变位机7，五轴双工位回转变位机4靠近搬运机器人3的一侧工位、双工位回转变位机7靠近搬运机器人3的一侧工位以及输送链2上待搬区域均处于搬运机器人3的工作范围内，CMT焊接机器人5设置于五轴双工位回转变位机4远离搬运机器人3的一侧工位旁，FSW焊接机器人8设置于双工位回转变位机7远离搬运机器人3的一侧工位旁。

实施例：

利用本发明提供的一种利用机器人CMT和FSW技术焊接电池托盘的装置及方法制造规格为1800*1200*130mmm的电池托盘，其边框板厚10mm，筋板板厚7mm，底板板厚3mm，各部件选用材料为6061铝合金，确定各装置规格：

工件传输与搬运系统中，输送链2长7m，宽2m，输送速度1～30m/min，承载为60kg；搬运机器人3臂展为1.96m，承载60kg，吸盘31承载40～100kg。

CMT机器人焊接系统中，五轴双工位回转变位机4承载100～600kg；CMT焊接机器人5臂展为1.65～1.85m，承载为12～20kg；CMT焊接电源52可调整电压9～30V，电流25A～400A，送丝速度1m/min～17.5m/min。

FSW机器人焊接系统中，双工位回转变位机7承载为2000～4000kg；FSW焊接机器人8臂展为2.3～3.5m，承载150～500kg；FSW焊接机器人8机头转速为50～15000r/min；FSW焊接组件的静轴搅拌头81轴肩直径为18mm，搅拌针长度10mm。

具体实施步骤如下：

步骤一：首先，根据电池托盘结构特征划分焊缝接头，分别开展工艺预研究，获得最佳工艺规范；

电池托盘由边框11、筋板和底板12拼接组成，故将焊缝接头划分成：第一类，边框11与边框11内部角焊缝；第二类，边框11与边框11外部角焊缝；第三类，筋板与边框11内部角焊缝；第四类，边框11与底板12内部角焊缝；第五类，筋板与底板12内部角焊缝；第六类，背部底板12与边框11焊缝；

以上六类焊缝接头的焊接工艺分别对应采用工艺1—6，工艺1—6满足：

工艺1：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₁＝190～210(A)，焊接电压U₁为18～22V，焊接速度为10mm/s；

工艺2：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₂＝120～140(A)，焊接电压U₂为10～15V，焊接速度为8mm/s；

工艺3：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₃＝160～180(A)，焊接电压U₃为15～22V，焊接速度10mm/s；

工艺4：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₄＝150～170(A)，焊接电压U₄为10～15V，焊接速度10mm/s；

工艺5：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₅＝140～160(A)，焊接电压U₅为10～15V，焊接速度10mm/s；

工艺6：采用FSW焊接工艺，将电池托盘边框与背部的底板处焊缝设计成对—搭接形式，即边框与底板连接端加工出矩形切口，切口厚度等于底板板厚，切口宽度为d，d为3(mm)～5(mm)，拼焊时将底板搭放在切口上，且底板端面与切口厚度面贴合，搅拌头沿对接面焊接，其中3.01(mm)<H₁<5(mm)，4<R<6(mm)，n＝750～1050(r/min)，焊接速度200～2000mm/min，式中H₁为搅拌针长度，R为轴肩半径，n为搅拌头转速。

然后，按照“边框11与边框11内部角焊缝——边框11与筋板内部角焊缝——边框11与底板12内部角焊缝——筋板与底板12内部角焊缝——边框11与边框11外部角焊缝——背部底板12与边框11焊缝”的焊接顺序和模型特征规划机器人路径，并结合工艺规范编制CMT焊接机器人和搅拌摩擦CMT焊接机器人的程序；

步骤二：将预先拼装点焊好的电池托盘1放至输送链2，待光电传感器检测到待焊电池托盘到达输送链待搬区域，暂停输送并向搬运机器人3发送信号；

步骤三：搬运机器人3运动至待搬区域，打开吸盘31吸取电池托盘1，将其搬运至五轴双工位回转变位机4待焊工位，CMT工位工装夹具41固定电池托盘；

步骤四：五轴双工位回转变位机4旋转切换工位，CMT焊接机器人5按照步骤一编制的CMT焊接机器人程序焊接，焊接结束后，翻转电池托盘1并旋转切换工位，打开CMT工位工装夹具41；

步骤五：搬运机器人3将电池托盘1搬运至双工位回转变位机7待焊工位，FSW工位工装夹具71固定电池托盘1，双工位回转变位机7旋转切换工位；

步骤六：FSW机器人8按照步骤一编制的FSW机器人程序焊接，完成焊接后，双工位回转变位机7旋转切换工位，搬运机器人3将电池托盘1搬运至工件放置区域9。

本装置也可以设置电气控制系统，通过电气控制系统协同控制工件传输与搬运系统、CMT机器人焊接系统、FSW机器人焊接系统，重复步骤二至步骤六，协同高效完成电池托盘的批量焊接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种利用CMT和FSW技术焊接电池托盘的方法，其步骤包括：

步骤一：首先，根据电池托盘结构特征划分焊缝接头，分别开展工艺预研究，获得最佳工艺规范；

电池托盘由边框、筋板和底板拼接组成，故将焊缝接头划分成：第一类，边框与边框内部角焊缝；第二类，边框与边框外部角焊缝；第三类，筋板与边框内部角焊缝；第四类，边框与底板内部角焊缝；第五类，筋板与底板内部角焊缝；第六类，背部底板与边框焊缝；

以上六类焊缝接头的焊接工艺分别对应采用工艺1—6，所述的工艺1—6满足：

工艺1：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₁＝ξ₁×(δ₁+δ₂)/2(A)，焊接电压U₁为18～22V，焊接速度为5～25mm/s，式中ξ₁取15～23，δ₁、δ₂为接头处两边框板厚；

工艺2：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₂＝ξ₂×(δ₁+δ₂)/2(A)，焊接电压U₂为10～15V焊接速度为6～12mm/s，式中ξ₂取10～16，δ₁、δ₂为接头处两边框板厚；

工艺3：采用CMT+P焊接工艺，焊接电流I₃＝ξ₃×δ₃(A)，焊接电压U₃为15～22V，焊接速度8～13mm/s，式中ξ₃取22～30，δ₃为筋板板厚；

工艺4：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₄＝ξ₄×δ₄(A)，焊接电压U₄为10～15V，焊接速度3～12mm/s，式中ξ₄取45～60，δ₄为底板板厚；

工艺5：采用CMT焊接工艺，焊接电流I₅＝ξ₅×δ₄(A)，焊接电压U₅为10～15V，焊接速度3～12mm/s，式中ξ₅取40～55，δ₄为底板板厚；

工艺6：采用FSW焊接工艺，将电池托盘边框(11)与背部的底板(12)处焊缝设计成对—搭接形式，即边框(11)与底板(12)连接端加工出矩形切口，切口厚度等于底板板厚，切口宽度为d，d一般为δ₄(mm)～δ₁/2(mm)，拼焊时将底板搭放在切口上，且底板端面与切口厚度面贴合，搅拌头沿对接面焊接，搅拌头规格满足：δ₄+0.1(mm)<H₁<δ₄+2(mm)，d(mm)<R<δ₁－d(mm)，n＝(250～350)×δ₄(r/min)，焊接速度200～2000mm/min，式中H₁为搅拌针长度，R为轴肩半径，d为切口宽度，δ₄为底板板厚，δ₁为边框板厚，n为搅拌头转速；

然后，按照“边框与边框内部角焊缝——边框与筋板内部角焊缝——边框与底板内部角焊缝——筋板与底板内部角焊缝——边框与边框外部角焊缝——背部底板与边框焊缝”的焊接顺序和模型特征规划机器人路径，并结合工艺规范编制CMT焊接机器人和搅拌摩擦CMT焊接机器人的程序；

步骤二：将预先拼装点焊好的电池托盘(1)放至输送链(2)，待光电传感器检测到待焊电池托盘到达输送链待搬区域，暂停输送并向搬运机器人(3)发送信号；

步骤三：搬运机器人(3)运动至待搬区域，打开吸盘(31)吸取电池托盘(1)，将其搬运至五轴双工位回转变位机(4)待焊工位，CMT工位工装夹具(41)固定电池托盘；

步骤四：五轴双工位回转变位机(4)旋转切换工位，CMT焊接机器人(5)按照步骤一编制的CMT焊接机器人程序焊接，焊接结束后，翻转电池托盘并旋转切换工位，打开变位机夹具；

步骤五：搬运机器人(3)将电池托盘搬运至双工位回转变位机(7)待焊工位，FSW工位工装夹具(71)固定电池托盘，双工位回转变位机(7)旋转切换工位；

步骤六：FSW机器人按照步骤一编制的FSW机器人程序焊接，完成焊接后，双工位回转变位机(7)旋转切换工位，搬运机器人(3)将电池托盘搬运至工件放置区域。

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