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机器人搅拌摩擦焊接将电动汽车生产过程提升至全新水平

电动汽车未来将取代内燃机汽车,专家们对此深信不疑。然而,体积庞大且沉重的电池外壳有特殊要求。KUKA 为一家遍布全球的汽车零件供货商开发了三套系统。采用 KUKA FSW 应用模块的机器人辅助摩擦搅拌焊接技术(英文:friction stir welding,缩写:FSW)搭配 KUKA cell4_FSW,不仅在质量上,而且在经济和生态上,都将生产过程提升到一个全新水平。


搅拌摩擦焊接:质量优异、经济高效且可持续性生产

共有八台 KUKA 机器人,其中包括三个搅拌摩擦焊接的应用模块和 cell4_FSW 工作单元中的三个 KR FORTEC,自 2022 起为葡萄牙的一家大型汽车零件供货商效力。这些机器人所肩负的任务,可以说是行车驾驶的未来:采用多种铝合金制成的电动汽车电池外壳,旨在让汽车重量减至最轻。在以轻质化为目标的趋势下,尤其是 FSW 技术备受关注。因为机器人辅助工艺方法不仅可以提供优异的焊接质量和良好的经济效益,而且由于能耗低,也被认为是绿色技术,将电动汽车电池架的生产过程提升至全新水平。据客户表示,如今一米长的搅拌摩擦焊接的成本已低于气体保护焊的同等焊丝消耗量。

机器人辅助搅拌摩擦焊接:电池架生产线

特别是在电动汽车领域,许多汽车工业的制造商和零部件供应商已经针对电池架广泛采用搅拌摩擦焊接技术。

电动汽车的全自动焊接

全球电动汽车的保有量不断攀升。电动汽车的心脏当属电池了,它连同电池外壳一起紧固在车辆底盘上,该外壳由一个采用多个挤压型材制成的气体保护焊接框架组成,而此框架再以金属板或双壁挤压型材加以封闭。多年来,KUKA 一直对客户制造电池外壳给与大力支持,并且已提供了三种不同的系统。“我们随着客户所提出的要求不断成长,从单独的焊接任务到全自动生产线”,KUKA 的全球大客户经理 Patxi Blanco 如此表示。他从一开始就参与了轻型结构电池外壳的生产流程。

电池箱接缝要求高

这一切始于 2019 年,当时客户仍使用其他制造商提供的一种系统,并且对焊接质量不满意。这是因为电动汽车电池外壳的焊缝要求非常特殊。与混合动力车型不同,纯电动汽车的电池更大更重,并且直接整合到底盘上。“这需要具有很强的刚性,而且由于外壳整合到底盘中,因此必需考虑到有碰撞可能。这表示它们必须承受巨大的外力”,KUKA 工艺解决方案高级经理 Stefan Fröhlke 解释道。

更多电池,更多系统

搅拌摩擦焊接 (Friction Stir Welding) 完美符合对于电池箱的这些要求。为了提高这家全球汽车零件供货商的焊接质量,KUKA 首先开发了一套包含两个工作单元的系统,每个单元分别配备一台 KR FORTEC。由于能够在一个系统上焊接不同的电池箱,客户对这样的灵活性非常满意,立即在当年就向 KUKA 订购了另一套系统。然而:这一次的工作单元只有一台机器人,但这台机器人却可以操作三个工装,不像之前只能操作一个。因此,系统可以执行三个不同的焊接任务;否则,就会需要三套非机器人辅助的系统。 

两个 KUKA cell4_FSW 工作单元中用于电池外壳的机器人辅助搅拌摩擦焊接。

经济高效且充满活力:电动汽车电池箱工艺

“这个解决方案在产量相同的情况下,让我们省下了两套系统以及人员和生产占地面积等成本”,Patxi Blanco 说道。KUKA 的解决方案经济效益极高:搅拌摩擦焊接机器人的利用率高达 95%,因为即便在焊接过程中,工装也可以在单独的安全区域进行上下料。另一个优点:由于采用机器人,这个生产过程不仅更快速灵活,而且占地面积更小


我们在奥格斯堡的工厂进行组装并调试。客户就在那里验收系统,因此之后的现场安装快速又顺利。

Patxi Blanco,KUKA 全球大客户经理

优势:安装过程快速流畅

这也是为什么不继续采用两套系统的原因。三年后,不仅简单的焊接过程是在机器人的辅助下进行的,而且整个生产过程也实现了自动化。在三个 KUKA cell4_FSW 工作单元中,八台机器人分为四个步骤执行工作,按照严格的要求生产各种铝合金材质的电池外壳。首先焊接底板,然后第二步去毛刺。底板焊接完成后,机器人将框架焊接到底板上,最后第四步对整个电池箱进行去毛刺。“我们在奥格斯堡的工厂进行组装并调试。客户就在那里验收系统,因此之后的现场安装快速又顺利。”Patxi Blanco 在谈到这个长期的电动汽车项目时说道。

第一步是拣选底板的各个零件。

搅拌摩擦焊接实现最高精度

搅拌摩擦焊接工作单元 KUKA cell4_FSW 是专为日益增长的电动汽车市场而开发的,除了极高的经济效益以外,还提供最多元的功能性和配置方法。“由于轨迹精度小于 0.5 mm,因此可以实现高精度和完美的焊缝”,Stefan Fröhlke 解释道。一方面,由于采用具有高刚性和使用寿命长的 KR FORTEC 500 R2830 MT,可实现精确的轨迹导引;另一方面,用于补偿轨迹偏差的精确激光辅助轨迹校准也发挥了重要作用,可确保搅拌摩擦焊中的焊缝满足对密封性和碰撞承受能力的高要求。

耐用的工具确保高生产率

事实证明,搅拌摩擦焊接中的工具使用寿命在开发过程中构成了一个特殊的挑战。通过不断采用新材料和涂层来改进机器人的肩部和销钉,工具的使用寿命得以显著延长。“这使客户的生产率翻倍。通过扩大额外库存量,必要时我们还可以确保几天内的供应不成问题”,Patxi Blanco 说道。

KR FORTEC 500 R2830 MT 将底板焊接到框架上。

电动汽车 – 未来的话题

这项长期项目计划使 KUKA 与汽车零件供货商建立了良好的合作伙伴关系,关于新电池平台的对话仍在进行中。KUKA 不仅提供系统和工程技术,而且还提供必备的工艺专业知识,并积极支持新的开发。因为有一点是肯定的:未来对电动汽车及相关电池架的需求将继续增加。专家认为,到 2032 年,电动汽车在德国的保有量将首次超过内燃机汽车,主要原因之一便是为了减少二氧化碳排放量。这也使得对轻型且具有一定强度的电池外壳的需求持续增长。

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