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汽车焊接技术现状及发展趋势 |
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作者：广州本田汽车有限公司 高勇 来源：AI汽车制造业 |
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汽车工业中，焊接是汽车零部件与车身制造中的一个关键环节，起着承上启下的特殊作用，同时，汽车产品的车型众多、成形结构复杂、零部件生产专业化、标准化以及汽车制造在质量、效率和成本等方面的综合要求，都决定了汽车焊接加工是一个多学科、跨领域和技术集成性强的生产过程。在目前汽车零部件及白车身的制造中，主要的焊接方法有电阻点焊、CO2气体保护焊和激光焊，另外也有采用氩弧焊、电子束焊等。
焊接技术的特点
焊接是汽车制造过程中一项重要的环节。汽车的白车身、发动机和变速箱等都离不开焊接技术的应用。在以“钢结构”为主的汽车车身的焊接加工中，汽车焊接又有不同于其他产品焊接的要求：
1. 对焊接件的尺寸精度要求高
为了保证产品的装配精度和尺寸稳定性，要求尽可能减少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的热应力与变形。
2. 对焊缝接头的性能要求高
焊接接头不仅要满足静态和动态的力学性能指标，而且有苛刻的低周疲劳性能要求。
3. 对批量焊接生产品质高且一致性好的要求
4. 对焊接生产过程高节拍、高效率的要求
5. 对“零缺陷”的质量控制与保证，提出了自动化焊接过程的监测与信息化管理的要求
近几年来，汽车工业在焊接新技术的应用及推广方面起了积极的推动作用。针对汽车产品“更轻、更安全、性能更好且成本更低”的发展目标，当前的汽车焊接技术正在传统的材料连接概念与方法的基础上迅速地延伸和拓展，并向先进的“精量化焊接制造”的方向发展。
主要焊接方法
汽车制造业是焊接应用最广的行业之一，其中主要的焊接方法如下：
1. 电阻焊
电阻焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，目前广泛应用于汽车制造中。
在点焊过程中，影响焊点质量的因素有：焊接电流、焊接压力、电极的端面形状、穿过电极的铁磁性物质及分流等。特别在阻焊设备较多的焊接车间，同时工作的焊机相互感应，对电网产生影响，导致焊接质量的稳定性和一致性较差。因此，电阻点焊控制技术显得尤为重要。目前，控制模式已由单模式控制发展为多模式控制，调节参量已由初始的单变量调节发展为多变量调节，在焊接过程中可同时对焊接电流、焊接时间和焊接压力进行调节。
2. 气体保护焊
用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。CO2气体保护焊作为一种高效的焊接方法，以其焊接变形小和焊接成本低的特点，在我国汽车业获得了广泛的运用。但CO2气体保护焊在实际应用中还存在一些问题：以CO2气保焊中应用最为广泛的短路过渡形式为例，电弧电压、焊接电流或焊接回路电感匹配不当，或焊丝干伸长度不合适，都可能造成焊接电弧不稳定、飞溅以及未焊透等，对焊缝成形、焊缝的机械性能有较大影响。另外，短路过渡焊接时对焊接电源的动特性要求很高。如果选型错误，稳定焊接电弧的参数范围狭窄，会影响焊接的质量。
3. 激光焊
激光焊是利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统并调焦到焊件接头处，将光能转换为热能，使金属熔化形成接头。与传统的点焊相比，激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自动化、轻量化和降低成本等方面都具有无可比拟的优越性。激光焊接被认为是21世纪最有发展前景的制造技术之一。
激光焊接设备的关键是大功率激光器，目前主要有两大类，一类是固体激光器，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，适用于柔性制造系统或远程加工。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，以分子气体作工作介质，可以连续工作并输出很高的功率。
汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊和零件焊接，例如顶蓬与侧围的焊接（见图1）。但激光焊接要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。否则很容易造成焊接缺陷。 
图1 采用激光焊接顶蓬消除了表面凹凸、省去了镶边
以激光焊接为代表的精量化焊接生产方式用一种新的技术理念促进了汽车焊接技术的进步。此外，一些新的连接方法也率先在汽车制造中获得应用。如变极性MIG／MAG焊接方法、激光-电弧复合焊接方法、磁脉冲焊接方法、胶接和机械连接方法等都已开始成功地应用在各类新车型的制造中。
焊接材料的应用及发展趋势
随着车身向着轻量化方向发展，车身材料的轻量化及车身金属材料的非金属化是必然趋势。未来车身材料仍以钢板为主，但是一些复合材料将得到广泛应用。
1. 镀锌钢板
随着汽车工业发展，为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐性能，镀锌钢板得到广泛使用。由于在目前汽车车身制造中，主要采用电阻点焊方法，与无镀层钢板相比，镀锌钢板的点焊过程中还存在一些问题：先于钢板熔化的锌层形成锌环而分流，致使焊接电流密度减小；锌层表面烧损、污染电极而使电极寿命降低；锌层电阻率低，接触电阻小；容易产生焊接飞溅、裂纹及气孔等缺陷。
2. 高强度钢板
为了实现汽车轻量化，提高汽车安全性能，高强度钢板的应用正逐年增加。目前高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板及冷轧双相钢板等。
（1）含磷高强度冷轧钢板：具有较高强度，良好的强度和塑性平衡，良好的耐腐蚀性及点焊性能；主要用于侧围、车门、顶蓬和行李箱盖。
（2）烘烤硬化冷轧钢板：这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度，是车身外板轻量化设计首选材料之一。
（3）冷轧双相钢板：主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如车门加强板、保险杠等。
3. 铝合金
与汽车钢板相比，铝合金具有密度小、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形和可回收再生等优点，技术成熟。汽车工业中也逐渐在使用铝合金材料的零部件。但铝合金焊接目前还存在线膨胀系数大，产生的热应力较大， 易出现气孔从而导致铝合金焊接接头的强度降低的缺点。
4. 镁合金
镁的密度仅为钢材密度的35％。它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，尺寸稳定性好，因此，在汽车工业中得到了广泛的应用。目前，镁合金在汽车工业中主要运用于车门铸造，随着压铸技术的进步，已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件，如前/后挡板、仪表盘和方向盘等。
5. 高强度纤维复合材料
20世纪80年代后期，复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广，如发动机罩、翼子板、车门和顶蓬等，甚至出现了全复合材料的轿车车身。用复合材料作为汽车车身外覆件，无论从设计还是生产制造、应用都已成熟，并已从外覆件的使用向内饰件和结构件方向发展。
新材料与新工艺是相辅相成的，汽车工业正在开发新的制造方法并对传统的工艺进行更新。据有关方面预测，在今后10年中，轿车自身质量还将减轻20％，除了大量采用复合材料和轻质合金外，车身设计方法也将发生重大变化。
焊接机器人技术的应用
汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人生产方式在汽车焊接中获得了大量应用。焊接机器人是本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高和柔性程度极高的焊接设备。具有重复精度高、焊接质量好、运动速度快和动作稳定可靠等特点，焊接机器人是焊接设备柔性化的最佳选择。焊接设备作为焊装生产线的重要组成部分，是否采用焊接机器人是焊装生产线柔性程度的重要标志之一。图2为广州本田机器人焊接生产线的局部图。
图2 机器人焊接生产线
在国内，点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳，焊接时冲击力较大。当工件的重复精度较差、电极处于板材边缘时，焊钳易打滑并损坏被焊工件。而在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，这种焊钳的开闭由伺服电机控制，每个焊点的焊接周期可大幅度降低。电极压紧力可实现无级调节，焊接时可减少碰撞变形和噪音，并能实现精确控制，提高焊接质量。
另外，从两种焊钳的时间压力曲线（见图3）比较中可以看出：电极压力由０升高到100%焊接所需压力值，伺服驱动系统比汽缸驱动系统快5倍。设置好的压力值在焊接过程中不再变化，从而保证很高的焊接质量。
图3 伺服电机驱动焊钳与气动焊钳
焊接技术的应用及发展趋势
1. 电阻焊的节能及控制技术
目前，电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源，容量大、功率因数低 。发展三相中频电阻焊机、三相次级整流接触焊机和IGBT逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。在标准焊接电流的条件下中频点焊机按设置的焊接电流无飞溅。焊接电流小、电极发热量小，延长了电极使用时间，同时可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制。由于焊接回路小型轻量化还可进一步减轻设备重量。
2. 气体保护焊接技术
（1）表面张力过渡波形控制技术：用2个电流脉冲完成1个熔滴过渡，第1个脉冲形成熔滴直至熔滴与工件短路；第2个脉冲是1个短时窄脉冲并不断检测di/dt，同时控制电流脉冲值，以产生适当的电磁收缩力，使熔滴颈部收缩，靠熔池表面张力拉断，完成1个熔滴过渡而不产生飞溅。
（2）逆变电源波形控制技术：利用逆变电源良好的动特性和可控性，采用波形控制，在短路阶段初期抑制电流上升，以减少大颗粒飞溅，并利于熔滴在熔池铺开；当熔滴在熔池铺开后，使电流迅速上升，以加速形成缩颈，使小桥爆断时飞溅减少。
(3)氩弧焊新技术：氩弧焊有非熔化极和熔化极两种，均用于汽车工业有色金属和高合金钢焊接中。为改善CO2气体保护焊的成形和减少飞溅，采用加入80%或20%Ar的混合气体保护焊。
3. 激光和电弧复合热源焊接
由于激光焊接成本较高，因此以激光为核心的复合热源焊接技术孕育而生。现在研究最多、应用最广的是激光-电弧复合热源焊接技术，主要目的是有效利用电弧热源，在较小的激光功率条件下获得较大熔深，同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性，实现高效率、高质量的焊接过程。哈尔滨焊接研究所在该方面的研究做了大量的工作，这一新型焊接技术，目前研究工作主要集中在这种焊接方法的工艺特点上，对于激光+ 电弧复合热源焊接时激光与电弧的相互作用机理、焊接热源的特性等课题有待于从理论上进一步研究。激光-电弧复合热源焊接见图4。
图4 激光-电弧复合热源焊接
汽车工业焊接总体发展趋势
1. 发展焊接机器人自动化柔性生产系统
从目前发展来看，自动化柔性生产系统是汽车焊接的发展趋势，而工业机器人因其自动化和灵活性在轿车生产中得到大规模使用。在焊接方面，主要使用的是六自由度点焊机器人和弧焊机器人。且机器人具有焊钳储存库，可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更，自动从储存库抓换所需焊钳。传输装置则已发展为采用无人驾驶的更具柔性化的感应导向小车。
2. 发展轻便组合式智能自动焊机
近年来，国内的汽车制造厂都非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上。各条线都由计算机(可编程控制器PLC-3)控制，自动完成工件的传送和焊接。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。
3. 发展计算机与信息技术
随着计算机与信息技术的工业应用，促进了传统的焊接生产向“精量化”的制造方式转变。
基于虚拟现实建模的机器人焊接过程仿真技术提供了关于工件、夹具和机器人焊枪姿态的三维信息，已大量地应用于焊接过程策划、工艺参数优化以及焊接夹具设计等各个环节。对加快焊接程序的编制、缩短现场调试时间及焊接过程位置信息的准确获取具有重要应用价值。同时，仿真技术也运用于焊缝质量的评估及焊后的应力与变形预测。在新车型设计阶段还可以对多种材料的连接方式及疲劳性能、冲击性能等进行综合考虑，通过对接头的仿真作出适用性评价。
以计算机和信息技术为平台的焊接生产过程信息系统对汽车焊接生产过程的质量分析与优化、企业的管理与决策有着非常重要的意义。
总之，通过大力开发高效节能的焊接新技术、新材料、新工艺和新设备、应用机器人技术，轻便灵巧的智能设备及计算机和信息技术，汽车工业必将取得更大的进步。(end)
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(10/9/2008) |
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