電動(dòng)汽車未來(lái)將取代內(nèi)燃機(jī)汽車，專家們對(duì)此深信不疑。然而，體積龐大且沉重的電池外殼有特殊要求。KUKA 為一家遍布全球的汽車零件供貨商開發(fā)了三套系統(tǒng)。采用 KUKA FSW 應(yīng)用模塊的機(jī)器人輔助摩擦攪拌焊接技術(shù)（英文：friction stir welding，縮寫：FSW）搭配 KUKA cell4_FSW，不僅在質(zhì)量上，而且在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上，都將生產(chǎn)過(guò)程提升到一個(gè)全新水平。
共有八臺(tái) KUKA 機(jī)器人，其中包括三個(gè)攪拌摩擦焊接的應(yīng)用模塊和 cell4_FSW 工作單元中的三個(gè) KR FORTEC，自 2022 起為葡萄牙的一家大型汽車零件供貨商效力。這些機(jī)器人所肩負(fù)的任務(wù)，可以說(shuō)是行車駕駛的未來(lái)：采用多種鋁合金制成的電動(dòng)汽車電池外殼，旨在讓汽車重量減至最輕。在以輕質(zhì)化為目標(biāo)的趨勢(shì)下，尤其是 FSW 技術(shù)備受關(guān)注。因?yàn)闄C(jī)器人輔助工藝方法不僅可以提供優(yōu)異的焊接質(zhì)量和良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且由于能耗低，也被認(rèn)為是綠色技術(shù)，將電動(dòng)汽車電池架的生產(chǎn)過(guò)程提升至全新水平。據(jù)客戶表示，如今一米長(zhǎng)的攪拌摩擦焊接的成本已低于氣體保護(hù)焊的同等焊絲消耗量。
全球電動(dòng)汽車的保有量不斷攀升。電動(dòng)汽車的心臟當(dāng)屬電池了，它連同電池外殼一起緊固在車輛底盤上，該外殼由一個(gè)采用多個(gè)擠壓型材制成的氣體保護(hù)焊接框架組成，而此框架再以金屬板或雙壁擠壓型材加以封閉。多年來(lái)，KUKA 一直對(duì)客戶制造電池外殼給與大力支持，并且已提供了三種不同的系統(tǒng)。“我們隨著客戶所提出的要求不斷成長(zhǎng)，從單獨(dú)的焊接任務(wù)到全自動(dòng)生產(chǎn)線”，KUKA 的全球大客戶經(jīng)理 Patxi Blanco 如此表示。他從一開始就參與了輕型結(jié)構(gòu)電池外殼的生產(chǎn)流程。
這一切始于 2019 年，當(dāng)時(shí)客戶仍使用其他制造商提供的一種系統(tǒng)，并且對(duì)焊接質(zhì)量不滿意。這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車電池外殼的焊縫要求非常特殊。與混合動(dòng)力車型不同，純電動(dòng)汽車的電池更大更重，并且直接整合到底盤上。“這需要具有很強(qiáng)的剛性，而且由于外殼整合到底盤中，因此必需考慮到有碰撞可能。這表示它們必須承受巨大的外力”，KUKA 工藝解決方案高級(jí)經(jīng)理 Stefan Fr?hlke 解釋道。
攪拌摩擦焊接 (Friction Stir Welding) 完美符合對(duì)于電池箱的這些要求。為了提高這家全球汽車零件供貨商的焊接質(zhì)量，KUKA 首先開發(fā)了一套包含兩個(gè)工作單元的系統(tǒng)，每個(gè)單元分別配備一臺(tái) KR FORTEC。由于能夠在一個(gè)系統(tǒng)上焊接不同的電池箱，客戶對(duì)這樣的靈活性非常滿意，立即在當(dāng)年就向 KUKA 訂購(gòu)了另一套系統(tǒng)。然而：這一次的工作單元只有一臺(tái)機(jī)器人，但這臺(tái)機(jī)器人卻可以操作三個(gè)工裝，不像之前只能操作一個(gè)。因此，系統(tǒng)可以執(zhí)行三個(gè)不同的焊接任務(wù)；否則，就會(huì)需要三套非機(jī)器人輔助的系統(tǒng)。
“這個(gè)解決方案在產(chǎn)量相同的情況下，讓我們省下了兩套系統(tǒng)以及人員和生產(chǎn)占地面積等成本”，Patxi Blanco 說(shuō)道。KUKA 的解決方案經(jīng)濟(jì)效益極高：攪拌摩擦焊接機(jī)器人的利用率高達(dá) 95%，因?yàn)榧幢阍诤附舆^(guò)程中，工裝也可以在單獨(dú)的安全區(qū)域進(jìn)行上下料。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：由于采用機(jī)器人，這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不僅更快速靈活，而且占地面積更小。
我們?cè)趭W格斯堡的工廠進(jìn)行組裝并調(diào)試。客戶就在那里驗(yàn)收系統(tǒng)，因此之后的現(xiàn)場(chǎng)安裝快速又順利。
這也是為什么不繼續(xù)采用兩套系統(tǒng)的原因。三年后，不僅簡(jiǎn)單的焊接過(guò)程是在機(jī)器人的輔助下進(jìn)行的，而且整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。在三個(gè) KUKA cell4_FSW 工作單元中，八臺(tái)機(jī)器人分為四個(gè)步驟執(zhí)行工作，按照嚴(yán)格的要求生產(chǎn)各種鋁合金材質(zhì)的電池外殼。首先焊接底板，然后第二步去毛刺。底板焊接完成后，機(jī)器人將框架焊接到底板上，最后第四步對(duì)整個(gè)電池箱進(jìn)行去毛刺。“我們?cè)趭W格斯堡的工廠進(jìn)行組裝并調(diào)試。客戶就在那里驗(yàn)收系統(tǒng)，因此之后的現(xiàn)場(chǎng)安裝快速又順利。”Patxi Blanco 在談到這個(gè)長(zhǎng)期的電動(dòng)汽車項(xiàng)目時(shí)說(shuō)道。
攪拌摩擦焊接工作單元 KUKA cell4_FSW 是專為日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)而開發(fā)的，除了極高的經(jīng)濟(jì)效益以外，還提供最多元的功能性和配置方法。“由于軌跡精度小于 0.5 mm，因此可以實(shí)現(xiàn)高精度和完美的焊縫”，Stefan Fröhlke 解釋道。一方面，由于采用具有高剛性和使用壽命長(zhǎng)的 KR FORTEC 500 R2830 MT，可實(shí)現(xiàn)精確的軌跡導(dǎo)引；另一方面，用于補(bǔ)償軌跡偏差的精確激光輔助軌跡校準(zhǔn)也發(fā)揮了重要作用，可確保攪拌摩擦焊中的焊縫滿足對(duì)密封性和碰撞承受能力的高要求。
事實(shí)證明，攪拌摩擦焊接中的工具使用壽命在開發(fā)過(guò)程中構(gòu)成了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷采用新材料和涂層來(lái)改進(jìn)機(jī)器人的肩部和銷釘，工具的使用壽命得以顯著延長(zhǎng)。“這使客戶的生產(chǎn)率翻倍。通過(guò)擴(kuò)大額外庫(kù)存量，必要時(shí)我們還可以確保幾天內(nèi)的供應(yīng)不成問(wèn)題”，Patxi Blanco 說(shuō)道。
這項(xiàng)長(zhǎng)期項(xiàng)目計(jì)劃使 KUKA 與汽車零件供貨商建立了良好的合作伙伴關(guān)系，關(guān)于新電池平臺(tái)的對(duì)話仍在進(jìn)行中。KUKA 不僅提供系統(tǒng)和工程技術(shù)，而且還提供必備的工藝專業(yè)知識(shí)，并積極支持新的開發(fā)。因?yàn)橛幸稽c(diǎn)是肯定的：未來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車及相關(guān)電池架的需求將繼續(xù)增加。專家認(rèn)為，到 2032 年，電動(dòng)汽車在德國(guó)的保有量將首次超過(guò)內(nèi)燃機(jī)汽車，主要原因之一便是為了減少二氧化碳排放量。這也使得對(duì)輕型且具有一定強(qiáng)度的電池外殼的需求持續(xù)增長(zhǎng)。
