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车身轻量化制造中的焊接技术 |
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作者：上海通用汽车公司整车制造部 孙志成 来源：AI汽车制造业 |
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车身轻量化的发展趋势促使许多轻质高强钢被引入到车身制造业中，新材料的应用一方面降低了汽车自重，另一方面也给连接技术及接头质量检测技术带来了一系列问题。使用新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的稳定焊接过程，提高焊接质量，而无损检测技术很好地解决了质检中的问题。
随着全球环境和能源危机的日益加剧，节能减排逐渐成为新一代轿车设计和制造中面临的重要问题。大量研究表明：燃油消耗的50%是由汽车的重量引起的，当整车质量减轻10%，汽车的燃油经济性可提高3.8%，CO2排放量减少4.5%。因此，减少汽车自身重量是降低燃油消耗的最有效措施。车身的轻量化技术是现代汽车技术发展的一大主流。
据一项新近的项目研究表明，使用轻质高强材料可以将车身减重25%。目前，高强钢的使用约占车身总用钢量的30%左右，而这个比例还将进一步扩大。通常来说，把高强度钢板分为普通高强钢（HSS）和超级高强钢（AHSS）。根据国际上对超轻钢汽车的研究，把屈服强度在210～550MPa范围内的钢板称为高强度钢，屈服强度大于550MPa的钢板称为超高强度钢。其中，普通高强度钢主要包括高强度无间隙原子钢（IF）、铝镇静钢（AKDQ）、烘烤硬化钢（BH）和高强度低合金钢（HSLA）；超级高强度钢主要包括双相钢（DP）、相变诱发塑性钢（TRIP）、马氏体钢（MS）等。高强钢中的BH、IF高强钢主要用作车门、引擎罩、挡泥板和悬挂件等；DP和TRIP用作内板、底板和车轮等；马氏体钢（MS）用作保险杠、门梁等。图1为各种先进高强钢的延展性和强度特性对比，由此可见，双相钢具有较高的强度和较好的延伸率，已经成为车身制造中应用前景最广泛的一种新型材料。
图1 各种先进高强钢强度与延展性对比
双相钢广泛应用在降低车重的同时，也给车身连接装配提出了新的要求。电阻焊作为车身制造中最重要的连接工艺之一，双相钢的点焊质量控制和检测也变得越来越重要。传统的气动焊枪的电极压力由气缸驱动，无法得到精确控制和保证，老式的交变电流焊机焊接电流不平稳，且受网压波动影响较大，已经逐渐无法适应新材料的焊接。近年来，新型伺服焊枪使用伺服电机驱动电极，能够精确控制电极压力。中频逆变直流（MFDC）焊机以其快速的响应速度、平稳的电流控制，得到越来越广泛的重视，为新材料的焊接质量控制提供了良好的解决方案。
双相钢焊接工艺改进
双相钢由于制备时采用特殊的相变强化处理工艺，从相图上看，其马氏体相变临界曲线偏左，在进行电阻点焊时，熔化后的高温奥氏体在保压过程中，冷却过程曲线会穿越其马氏体相变临界区域，致使焊后熔核中形成不同含量和分布的马氏体，导致熔核区比较脆，焊点十字拉伸强度及低周疲劳性能都不佳。采用常规的气动焊枪和交流焊机进行焊接时，由于无法控制电极压力及电流波动，为了保证焊接质量，通常采用比较大的焊接电流，会造成焊接时产生很大的飞溅。新型伺服焊枪和中频逆变直流焊接电流控制器的引入，使焊接过程中的电极压力和电流控制成为可能。
图2 伺服焊枪结构图
上海通用现场的伺服焊枪有C型、X型和P型，以C型枪为例，其结构如图2所示。与传统气动焊枪相比，伺服焊枪使用伺服马达来带动滚珠丝杠（Ball screw）或杆型丝杠（Roller screw）旋转，以驱动电极杆直线上下运动，实现加压和焊接的全过程。由于伺服马达的数字化控制，与传统气动焊枪相比，伺服焊枪有如下特性：
1. 电极运动位置和速度精确可控，一方面可实现与工件的软接触，减少冲击噪音，并延长电极寿命；另一方面，使电极打开幅度可控，机器人运行轨迹可实现最优化，减少不必要的行程。
2. 整个焊接过程中的电极压力可控，其压力调节速度可达200kgf/cycle（10kgf/ms），能够很好地避免和抑制飞溅，有效保证和提高焊接质量；在进行管板焊接时，电极压力可调的特性能够减少管的焊接变形，防止裂纹产生。
3. 采用伺服焊枪电能的消耗成本低于压缩空气的消耗成本，可以达到节能的效果。
4. 通过伺服电机编码器反馈的动态电极位移信息可间接反映焊点质量，为焊点质量在线监测提供了可能。
中频逆变直流焊机（MFDC）是将工频（50Hz）交流变换为中频（1 000Hz）直流输出，时间分辨率比工频提高，控制精度也提高，并且输出电流不受次级输出回路变化影响，热效率也较高，输出功率也很大，焊接质量也更好。与传统交流焊机相比，有如下特性：
1. 焊接质量：工频交流焊机的调节周期较长，对50Hz的电网，焊接时间调节分辨率为20ms。逆变直流点焊机时间调节分辨率可达1ms（1 000Hz逆变频率），控制精度高。逆变焊机反馈控制的响应速度明显加快，输出稳定性好。工频交流焊机由于电流过零的影响，热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，影响更大；逆变直流点焊机输出电流为脉动直流，在回路电感的作用下为连续直流输出，热效率高，焊接热输入稳定。
2. 焊接速度：工频交流焊机因电流过零的影响，加热时间相对较长。逆变电阻点焊机为直流输出，加热集中，焊接时间缩短。
3. 节能效果：工频交流点焊机工作在50Hz，变压器损耗大，焊机功率因素低，回路损耗大。逆变焊机变压器工作在较高的频率，损耗很小，直流输出改善功率因素，节能效果明显。
4. 设备体积与重量：工频交流焊机的变压器铁心较大，同样功率条件下设备较笨重。逆变直流电阻点焊机变压器大大减小，设备较轻巧。
使用伺服焊枪＋中频逆变直流焊接控制器与传统气动焊枪＋交流焊接控制器，在焊接0.8mm＋0.8mm双相钢DP600时，选用同样焊接参数（304kfg，240ms，9～12kA）的情况下，焊接质量对比如图3a所示，新设备的焊点熔核尺寸比传统设备要大0.2mm左右，而焊点拉剪力要大300kN左右，有效提高了焊点质量。在可焊性方面，如图3b所示，新设备的可焊性比传统设备要高0.4kA，有效改善了双相钢的可焊性。
图3 伺服焊枪＋中频直流Vs气动焊枪＋交流
焊点质量检测工艺改进
高强钢的焊点由于含有比较多的马氏体，在性能上会表现出一定的脆性。使用传统的凿检法进行焊点质量检测时，会出现从焊点界面撕裂的情形（如图4），这就需要对焊点进行修补，在一定程度上，增加了焊接成本。因此，对于高强钢点焊质量检测而言，适合采用无损检测法。
图4 双相钢的焊点界面撕裂
高强钢焊点无损检测方法除了在线实时采集焊接过程信号来进行判断之外，还有焊后的离线无损检测方法。其中，最常用的是超声波无损探伤方法（如图5），它是利用超声波在焊点界面反射或穿透点焊熔核时的声波衰减程度和回波间隔来判断焊点质量的好坏。操作者手持探头，配合耦合剂，探头紧贴焊点表面，并与工件表面垂直，根据监视器显示的超声波曲线波形宽度和幅度等变化，来判断焊点质量好坏。
图5 焊点质量超声波无损检测法
1. 合格焊点：回波序列的波幅相应快速递减。这是因为焊核金属的晶粒较母材粗大，声波穿过时，能量衰减也大。回波的间隔反映焊点的厚度。
2. 焊核熔深不够：此时显示长的回波序列。原因是声波穿过较少的焊核区域，声能衰减相应减少。
3. 焊核直径太小：此时在正常的回波信号中间会出现中间波，它是由母材界面引起的反射波，通过它能鉴别焊核直径是否小于声束直径，这就是为什么在选择探头直径时必须考虑焊核直径的缘故。
4. 虚焊：在正常的回波信号序列后半段，显示中间缺陷波，同时回波序列较长。
5. 漏焊：声波未能进入第二层板，回波序列显示非常多的底波信号。
6. 过烧：回波序列显示只有少量回波。此时焊核区域过大，声能衰减非常严重。
上海通用公司的超声波点焊检测设备使用4.5mm直径高频（20MHz）探头，对高强钢底板的凿检盲区进行超声波检测，配合少量的传统破坏性检测，构成严密的三级检查体系。根据产量和抽检批次，抽取车辆进行超声波探伤，发现缺陷后，对缺陷焊点进行破坏性检测来验证检查结果。其探测的焊点占总数的50%以上，准确率达95%以上，在实际使用中取得了良好的效果。
综上所述，车身轻量化趋势中应用的高强钢组织跟普通低碳钢不尽相同，传统的焊接设备及检测方法也逐渐无法满足高强钢的焊接要求。以双相钢为例，使用新型的伺服焊枪和中频逆变直流控制器能够很好的稳定焊接过程，提高焊接质量。在焊点质量检测方法方面，实时的电极压力监测方法和抽样的超声波探伤法都能够很好地解决双相钢质检中的问题，为双相钢的进一步推广应用奠定了基础。(end)
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(9/6/2008) |
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