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經濟且永續:KR FORTEC 可用於焊接插電式混合動力車的電瓶外殼

最高焊接品質與綠色科技的結合:攪拌摩擦焊接(又稱 Friction Stir Welding(FSW))最適合用來處理低熔點溫度的非鐵金屬和金屬材料。KUKA 為一家大型汽車製造商將此專業知識運用在此領域上,迄今已有三套攪拌摩擦焊接單元成功投入生產。


困難處:插電式混合動力車的電瓶外殼

相較於內燃機汽車,近來有許多人更偏好電動車。然而很多人不知道的是:電動車需要「宜人的溫度」——至少電瓶是如此。唯有在正確的溫度條件下,電動車才能發揮最佳性能,達到最長的使用壽命。因此,鋰離子電瓶在運行時必須進行冷卻,在環境溫度較低時必須進行加熱。特別是插電式混合動力車,維持宜人溫度的重責大任,全仰賴內建在電瓶支架底部的冷卻系統。這類外殼的製造極其困難,也因此為採機械手臂技術的 FSW 程序提供了大展身手的最佳舞台。

Friction Stir Welding(攪拌摩擦焊接):插電式混合動力車的焊接程序

電瓶生產結合採機器人技術的攪拌摩擦焊接:我們成功了。

適用於插電式混合動力車的攪拌摩擦焊接

一家大型汽車製造商也意識到這一點,他們最初使用黏著劑和螺栓生產電瓶外殼。但這方法未帶來預期的效果,於是他們開始在市場上尋找新的解決方法。電動車領域對電瓶外殼的要求很高:必須確保模組安裝面的平整度、端孔的密封性和符合耐壓試驗的要求。KUKA 採機械手臂技術的攪拌摩擦焊接程序為該插電式混合動力車製造商提供了一種程序安全且經濟的生產方法,可確保電瓶外殼的安全性和功能性。

焊接電瓶外殼的可行性研究

從創意發想、測試到交貨,KUKA 這一路以來始終陪伴並支持客戶。「我們開發了原型,並利用原型進行了各種測試。我們在可行性研究中測試了焊接的適用性,進行了可用性分析和程序模擬。當所有測試結果都令人滿意時,我們才為客戶安裝設備」,KUKA FSW 程序解決方案資深經理 Stefan Fröhlke 解釋道。攪拌摩擦焊接單元 KUKA cell4_FSW 是專為不斷成長的電動車市場所開發,該單元採模組化設計,不僅具有出色的經濟效率,也提供最大化的多樣性和配置可能性。

KUKA cell4_FSW 攪拌摩擦焊接單元設有兩個工作站,提供最大的程序利用率。

我們在可行性研究中測試了焊接的適用性,進行了可用性分析和程序模擬。當所有測試結果都令人滿意時,我們才為客戶安裝設備。

KUKA FSW 程序解決方案資深經理 Stefan Fröhlke

使用正確的 FSW 工具進行攪拌摩擦焊接的優勢

利用攪拌摩擦焊接的方式精準地沿著冷卻通道將底板與鑄造外殼接合,以確實把插電式混合動力車的冷卻系統密封住。為達到能承受交變壓力的耐壓迴路,需要很大的連接橫截面和接縫須充分混合和壓合確實。「攪拌摩擦焊接已被證明是一種合適的接合技術,由於組件因熱能輸入所致的扭曲現象極小」,Stefan Fröhlke 解釋道。此外,KUKA 的攪拌摩擦焊接設有固定台肩上(SSFSW)。這表示:與傳統的摩擦攪拌焊接不同的是,KUKA 的焊接銷只在固定台肩內旋轉。因此在沿著焊縫的進給運動期間,會形成平坦且光滑的焊縫表面,進而降低後處理的作業和成本。
攪拌摩擦焊接非常適用於處理插電式混合動力車的電瓶外殼。

工業 4.0:鉅細靡遺地記錄品質數據

KUKA cell4_FSW 焊接單元為客戶帶來的其他優勢:KR FORTEC 系列的重載機器人具高度剛性和耐用性,可提升在大型零組件上的路徑精度。「同時,客戶還可透過本公司的程序管控和記錄系統(PCD)追蹤所有重要的程序參數,讓該系統鉅細靡遺地記錄所有品質數據」,產品組合經理 Till Maier 強調說道。KUKA 藉此奠定了工業 4.0 的整合基礎。此外,KUKA 的設備可輕鬆與 KUKA 遠端服務(KUKA Remote Service)進行數據交換,客戶端發生問題時可快速取得協助,進而避免長時間的停機。

有環保意識地駕駛:適用於電動車的綠色科技

該程序不僅具經濟效益和高品質,而且也被視為綠色科技。「攪拌摩擦焊接能耗低,因此很環保,此外也無須排煙或採取防眩措施」,Stefan Fröhlke 解釋道。這種集品質、經濟效益和永續性的產品已受到客戶的肯定。
FSW 程序的耗能低,因此也具有永續性。

攪拌摩擦焊接:電動車的成功案例仍延續著

經過原型和測試階段後,第一套設備已於 2016 年在德國首次投入生產,此後成為該集團電動車電瓶外殼生產的藍圖。該汽車製造商在其攪拌摩擦焊接產能擴充規劃中,重新設計了該程序的責任範圍,並將整套設備移轉至其位於瑞典的子公司,該子公司還專門為此增建了新廠房。他們隨後又向 KUKA 訂購了兩套攪拌摩擦焊接單元。

全新的自動化概念將周期時間縮短了 25%

第一套單元於 2020 年 9 月移轉至瑞典,2021 年 5 月,兩套新的 KUKA cell4_FSW 單元在德國奧古斯堡(Augsburg)完成預驗收。短短兩個月後的 2021 年 7 月,這兩套設備就已經在客戶的廠房投入運行。全新單元已針對第一套單元的不足進行升級,成果令所有參與人員驚艷不已:複雜的液壓夾緊系統採自動化,包含零組件處理的總週期時間從之前的 20 分鐘縮短到 15 分鐘。同時,夾緊系統經過優化升級也提高了產品品質,例如:焊縫。
密封冷卻通道的曲折接縫範例。焊縫的品質對電動車非常重要。

對鋁合金焊接寄予高度期望

汽車電瓶外殼上與安全相關的重要零組件在製造上要求極高:焊縫必須能夠承受高度的爆破壓力,這一點必須通過強度測試來證明。特殊的夾緊裝置和搭配的工具必須連同焊接參數一起重新開發。而這只能透過 FSW 技術實現,因為必須焊接不同的鋁合金(鍛造合金接合壓鑄鋁)。
攪拌摩擦焊接對採插電式技術的汽車而言,是一種經濟且環保的程序工藝。

這次的合作模式很開放、以互信和目標為導向,客戶對專案執行的速度感到很驚訝。

KUKA 銷售與提案工程專案經理 Adel Ben Hassine

專案快速執行是提升客戶滿意度的關鍵

六個月內快速交貨也是訂單成立的條件。由於 KUKA 具備這個領域的專業知識,因此能夠滿足客戶的所有要求。客戶也表達他們最大的滿意度:KUKA 銷售與提案工程專案經理 Adel Ben Hassine 強調說:「這次的合作模式很開放、以互信和目標為導向,客戶對專案執行的速度感到很驚訝。」此外,這項產品也在永續性方面有加分:「這些生產工具都是與客戶一起持續再開發的,所以現在銷釘的使用壽命已經增加了一倍。」

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