白车身焊接用伺服焊钳结构标准及种类优化

摘要：着重介绍了汽车车身焊接用自动伺服焊钳的结构型式及类型，并对焊钳的结构优化、选型及种类控制进行了详细的分析；对避免焊钳选型带给焊点质量的影响进行了阐述；对焊点的焊接压力、焊接电流与平均板厚的对应关系进行说明,以保证在车身方案规划时焊钳的合理选型、缩减控制焊钳种类、节省焊钳备件费用、保证焊点质量。

关键词：焊钳结构

焊钳种类

平均板厚

焊钳压力

焊点分配

中图分类号：U463.82

文献标识码：B

白车身焊接用伺服焊钳结构标准及种类优化

丁琦1

钟丽慧1

矫洪智2

王德亮1

（1.一汽-大众汽车有限公司，长春130011；2.机械工业部第九设计研究院有限公司，长春130011）

作者简介：丁琦（1965—），女，高级工程师，研究方向为焊接技术。

1前言

随着社会经济的高速发展及汽车市场需求的

不断扩展，使高节拍、高自动化的焊接设备得到了迅速的推广和应用。作为白车身焊接用的重要设备，自动伺服焊钳也得到了更为广泛的应用。通过对自动伺服焊钳结构型式及焊接工艺方案的优化控制，统一了焊钳零部件的标准，增强了焊钳互换性、减少了焊钳的种类及备件费用，降低了设备维护难度和生产风险。

2伺服焊钳结构及分类

伺服焊钳的突出特点是可根据焊点位置和零

件形状的变化来实时调整和控制焊钳的开口尺寸，缩短生产节拍，提高生产效率。

伺服焊钳按照驱动单元的不同分为气伺服焊钳和电伺服焊钳。其钳体结构型式均分为C 型焊

钳和X 型焊钳两种，主要由电极帽、电极杆、极臂、变压器、导电排、钳体、驱动单元（分气伺服模块和电缸）等硬件组成，如图1、2所示。

3

伺服焊钳结构优化

焊钳结构的优化可从以下几个方面来考虑。3.1

确定变压器的型号

整个项目采用同一种品牌型号的变压器可以

保证钳体的通用性，减少零部件的种类。出于对车身焊点质量的保证，伺服焊钳通常采用中频焊接变压器。3.2

确定驱动单元的型号

不同的焊钳结构，尽量统一驱动单元的型号。当焊钳的压力无法满足焊接需要时，可通过

图1C 型自动伺服焊钳图2X 型自动伺服焊钳

极臂

电极帽

电极杆

导电排

钳体

驱动单元

（气缸或电缸）变压器变压器

导电排

极臂

电极帽

电极杆

优化焊钳的窗口尺寸、焊点工艺或选用其它的钳体结构来满足要求。避免同一种钳体采用不同型号的驱动单元。图3是以X 型焊钳X100钳体为例，描述了不同的焊钳喉伸尺寸在不同的驱动单元作用下所能达到的焊接压力值。

3.3确定通用的钳体结构

即确定X 型和C 型焊钳钳体结构。确定变压

器和驱动单元的型号，为不同窗口尺寸大小的焊钳实现钳体的通用和更换提供了保证。既减少焊钳钳体的种类，又方便管理和维护维修，同时缩短焊钳供货周期。如图4和图5为某焊钳钳体结构，其特点是约90%的焊钳零件可达到通用互换，并且可根据客户的需要设计不同型式的极臂。

3.4规范电极臂和电极杆的规格，特别是对电极杆尺寸进行有规律地递增定义

电极臂和电极杆尺寸的标准化，可使不同窗口

尺寸的焊钳选择同一规格的电极杆，或者同一窗口尺寸的焊钳选择相同的极臂和不同的电极杆来满足焊接要求。通常情况下，电极臂长度按每50mm 或100mm 进行递增；电极杆的长度按每10mm 进行递增。每种焊钳最终的电极杆直径需要根据焊接压力来核算确定，通常为28mm 、32mm 和35mm 。这样不但可以增加焊钳零部件的通用性和互换性，而且还减少了电极杆和极臂的种类和备件费用。

4工艺方案设计中焊钳种类的控制

在白车身制造中，对于60JPH 的生产节拍通常

需要约六百套焊钳。为保证设备开动率，实现焊钳发生故障时的快速更换，对于不同种类的焊钳都需要相应的焊钳整体备件。因此在工艺方案设计时对焊钳选型的控制、种类的合并尤为重要。4.1

定义焊钳库

在项目规划前期，在ENP 产品焊接可达性检查阶段前，首先建立项目所使用的焊钳库（图6），并通过数字化方案规划模拟，定义焊接顺序，确定工艺方案。对于不可达的焊点位置或者焊接空间不足的焊点，尽量通过前期的产品更改来解决。

在项目设计阶段，夹具设计前应通过PD 数字化焊钳可焊性分析（图7）完成焊钳的初选，实现对焊钳种类的控制。PD 数字化焊钳可焊性分析就是利用数字化平台将焊钳库内的焊钳对所焊零件的全部焊点进行模拟，并给出焊钳的可焊性比例。

图3焊接压力、焊钳喉深及驱动单元匹配曲线

400

500600700800

900

焊钳喉伸尺寸/mm

10

9876543210焊接压力/k N

气缸d125气缸d140

双行程气缸d125

双行程气缸D140电伺服缸15kN 电伺服缸20kN

铬锆铜极臂d50

图4模块化的C 型和X 型钳体

图5可选择装配管式极臂或铝臂

装配管式极臂

装配铝臂

装配管式极臂装配铝臂

C 型焊钳钳体

X 型焊钳钳体

图6

焊钳钳库示意图

C 型焊钳-C50钳体

C 型焊钳-C8000钳体

X 型焊钳-X100钳体X 型焊钳-X120钳体

如某个焊钳模拟结果为100%，就意味着这把焊钳可以完成这个零件所有焊点的焊接。其优点是为焊点分配提供参考依据，并可直接从分析结果确定焊钳型式并进行归类，提高了工作效率，避免了因设计人员经验不足而带来的焊钳种类增加及选用的焊钳结构型式不理想的状况。

4.2合理的焊点分配

在前期工艺方案设计时，应先充分考虑平均

板厚、焊接压力及选用的焊钳结构型式，再对焊点进行合理分配。相同或相近板厚的焊点尽可能地分配在同一种焊钳焊接，减少新设计焊钳需求，避免增加焊钳种类。

4.2.1

将平均板厚和焊接压力相近的点考虑在同

一工位用同一把焊钳进行焊接

为保证焊点质量，在核算焊接压力的同时，还需要考虑所分配焊点每个焊点的平均板厚。因为平均板厚数值的大小直接影响到焊接压力和焊核直径，并影响电极帽直径尺寸和首次修磨的端面直径尺寸，如表1所示。

图8为车身纵梁件，是将平均板厚以2mm 为界限进行的焊点分配。避免了因电极帽尺寸的不同造成焊钳品种的增加，保证了所选用焊钳尺寸的一致性和焊点质量。

4.2.2

将零件尺寸相似，所需焊钳窗口接近的焊

点考虑分配到同一工位上

通常情况下，四门及主焊门洞边缘的翻边尺寸小于15mm ，如采用标准电极帽焊钳易出现与零件分流或焊核直径不足的问题。在焊点分配时，应统筹考虑四门及主焊门洞边缘的焊点选用同一

种使用特殊电极帽的焊钳。如下图9和10所示。

4.2.3

设计过程中夹具及工艺优化

在线体方案设计时，要优先确认初步的焊钳

型号后再开始夹具的详细设计。并通过夹具结构尺寸优化、焊点调配、机器人姿态及夹具位置调整等方式来减少焊钳的变更和新设计需求，如图11、12所示。

必要时也可考虑更改焊接工艺。如图13所

图7

PD

数字化焊钳可焊性分析

气伺服焊钳焊接压力＞5.0-7.5KN 图8

以平均板厚为界的焊点分配

图9门洞边缘的焊点及焊钳电极帽型式

图10

门框焊点及焊钳电极帽型式

40:0.05

26②

15②

A

A

3①②

Φ10

Φ8

Φ16

30

22

10

2

Φ16h 11

6′

20′

R 8