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汽車制造中焊接技術現狀及發展趨勢

2012-3-23

焊接是現代機械制造業中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應用。汽車的發動機、變速器、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術的應用。在汽車零部件的制造中，點焊、凸焊、縫焊、滾點(凸)焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、氬弧焊、氣焊、釬焊、摩擦焊、電子束焊和激光焊等各種焊接方法中，由于點焊、氣體保護焊、釬焊具有生產量大、自動化程度高、高速、低耗、焊接變形小、易操作的特點，所以特別適合汽車車身薄板覆蓋零部件的焊接，因此在汽車生產中應用最多。在投資費用中點焊約占75%，其他焊接方法只占25%。　　汽車工業所用焊接方法及零部件的應用情況　　1.電阻焊　　(1)點焊：主要用于車身總成、地板、車門、側圍、后圍、前橋和小零部件等的焊接。(2)多點焊：用于車身底板、載貨車車廂、車門、發動機罩蓋和行李箱蓋等的焊接。(3)凸焊及滾凸焊：用于車身零部件、減振器閥桿、制動蹄、螺釘、螺帽和小支架等的焊接。(4)縫焊：用于車身頂蓋雨檐、減振器封頭、燃油箱、*和機油盤等的焊接。(5)對焊：用于鋼圈、進排氣閥桿、刀具等的焊接。　　2.電弧焊　　(1)CO2保護焊：用于車廂、后橋、車架、減振器閥桿、橫梁、后橋殼管、傳動軸、液壓缸和千斤頂等的焊接。(2)氬弧焊：用于機油盤、鋁合金零部件的焊接和補焊。(3)焊條電弧焊：用于厚板零部件，如支架、備胎架、車架等的焊接。(4)埋弧焊：用于半橋套管、法蘭、天然氣汽車的壓力容器等的焊接。　　3.特種焊　　(1)摩擦焊：用于汽車閥桿、后橋、半軸、轉向桿和隨車工具等的焊接。(2)電子束焊：用于齒輪、后橋等的焊接。(3)激光焊割：用于車身底板、齒輪、零件下料及修邊等的焊接。　　4.氧乙炔焊　　用于車身總成的補焊。　　5.釬焊　　用于散熱器、銅與鋼件、硬質合金的焊接。　　電阻點(凸)焊工藝技術現狀及發展趨勢　　1.電阻點(凸)焊技術現狀目前，汽車制造廠商所采用的阻焊設備的次級輸出主要是工頻交流和直流兩種，其額定功率一般在63kVA以上，最高的達400kVA或更高，電能消耗較大。阻焊控制器大部分為天津陸華科技開發公司生產的WDK或HW系列控制器和少量的KD7和KD9型控制器。KD7型控制器，其控制精度較差；WDK或HW系列控制器對電流的控制精度較高，約為±3%，同時具備了多脈沖焊接功能，基本能滿足低碳鋼或鍍鋅板的焊接。　　在點焊過程中，影響焊點質量的因素有焊接時間、焊接電流、焊接壓力、電極的端面形狀、穿過電極的鐵磁性物質、分流等。特別在阻焊設備較多的焊接車間，同時工作的焊機相互感應，對電網產生影響，嚴重時影響控制器的觸發，導致焊接質量的穩定性和一致性較差。　　在汽車制造中，焊接質量的優劣是制造商和用戶共同關注的焦點，焊接質量主要依靠焊接設備來保證。對車身點焊而言，主要由控制器保證設定焊接參數在一定的波動范圍內，從而獲得穩定的焊點質量。以恒流控制方式為主的國產控制器基本能滿足軟鋼和鍍鋅鋼板的焊接，但其控制精度還需進一步提高，對焊接電流的控制仍是開環控制，隨工況的變化其焊點質量的一致性很難保證。　　為了獲得可靠的焊接質量，焊接檢驗必不可少。在車身制造中，焊點檢測方法采用非破壞性抽樣檢查，可能開焊的焊點未被檢查出來，嚴重影響產品的質量。如果能保證焊點100%合格，每臺車身可減少焊點數量約200點，即可節約成本約80元。　　因此，點(凸)焊質量的在線檢測與控制技術對保證點(凸)焊質量的可靠性和一致性非常重要，該項技術受到國內外學者的廣泛關注和研究。實時監控的方法很多，但能應用于實際生產的并不常見。　　2.點焊質量控制技術的發展趨勢　　(1)控制模式。由單模式控制發展為多模式控制，動態電阻監控、動態電極位移監控都是實現這種控制的綜合模式，即動態電阻差值與動態電阻變化速率相綜合；最大位移與位移速度相綜合。　　(2)控制方法。由一種監控方法發展為多種監控方法。　　(3)調節參量。由初始的單變量調節(焊接時間或焊接電流)發展為多變量調節，即在焊接過程中同時對焊接電流、焊接時間和焊接壓力進行調節。　　(4)在控制決策上，已由常規的控制決策方式(由被控制參數的偏差值通過查表確定其控制參數的調節量)向人工智能(神經網絡、模糊邏輯等)決策方式發展。　　點焊和縫焊電極的使用壽命直接影響著汽車制造成本和焊接質量，在鍍層鋼板的焊接中尤其嚴重。點焊電極材料主要包括：鉻鋯銅、彌散強化銅、鈹青銅等。彌散強化銅合金材料，其常溫和高溫硬度、導電率均優于鉻鋯銅材料。采用彌散強化銅電極其使用壽命是鉻鋯銅電極的2～4倍。但其成本高于鉻鋯銅材料。在國內，汽車制造廠主要采用鉻鋯銅電極，有少部分合資公司采用彌散強化銅電極，且依賴進口。為了提高電極的使用壽命，國內外學者正在研究涂層電極的應用，據報道其使用壽命與常用的鉻鋯銅電極相比可提高5～6倍，并且成本也較低。　　目前，電阻焊機大量使用交流50Hz的單相交流電源，其容量大、功率因數低。發展三相低頻電阻焊機、三相次級整流焊機(已在普通型點焊機、縫焊機、凸焊機中應用)和IGBT逆變電阻焊機，可以解決電網不平衡和提高功率因數的問題。同時還可進一步節約電能，利于實現參數的微機控制，可更好地適用于焊接鋁合金、不銹鋼及其他難焊金屬的焊接。另外，還可進一步減輕設備質量。　　目前，由于國產逆變點焊機的性能還不能滿足使用要求，因此國內所用逆變點焊機主要依賴于進口。在載貨車車身制造中，所采用的材料為08Al和鍍鋅板，采用常用的點焊機即可。但在轎車車身制造中，隨著鋁鎂合金的使用量不斷增加，只有采用逆變點焊機才能獲得較好的點焊質量。　　弧焊技術現狀及發展趨勢　　1.弧焊技術現狀在汽車制造中，大量采用弧焊工藝，主要以MIG/MAG焊為主。焊接電源主要采用晶閘管電源和逆變電源，并針對不同的焊接結構件，采用大量自動化程度較高的焊接方法。但由于焊接坡口位置的重復精度較差，焊槍的行走軌跡容易偏離坡口位置，因此造成焊縫有缺陷，嚴重影響產品質量。例如，儲氣筒本體的直焊縫和與端蓋連接處的環焊縫；沖焊橋殼的直縫及環縫等。目前，在此類零件的自動焊接專機上，均未采用焊縫跟蹤技術，在實際生產中須人工監控焊槍的位置，并根據焊槍相對坡口的偏離位置而不斷地調整其位置，其可控性差，容易出現產品質量問題，且增加了工人的勞動強度。另外，在白車身的裝焊中，由于車身總成的重復精度較差，車身焊裝線上的弧焊機器人的焊槍通過示教編程后，在生產中很容易偏離焊接位置，從而產生焊接缺陷。通過采用焊縫跟蹤技術，減少焊接缺陷，提高焊縫質量和生產效率，且降低成本。　　目前，焊縫跟蹤形式有機械跟蹤、電弧跟蹤、CCD攝像，激光跟蹤等方法。機械跟蹤方法較容易實現，精度相對較低；電弧跟蹤，CCD攝像的精度相對較高，對執行元件的控制精度要求較高。精度高的焊接專用設備或機器人，由于制備工件坡口時存在誤差和裝配誤差，導致焊接機器人缺少對工件的自適應能力。效果比較好的是用激光視覺傳感器系統，它能夠自動識別焊縫位置，在空間尋找和跟蹤焊縫，尋找焊縫起、終點，實現焊槍跟隨焊縫位置自適應控制。但這種方法不太適合轎車底盤零件的焊接，因轎車底盤零件機器人系統的夾具允許機器人工作的空間范圍很小，很難實現附帶激光跟蹤頭焊槍的焊接。為此，可使用的焊縫自動跟蹤技術為電弧電壓跟蹤傳感器，該系統具有尋找焊縫起始點、終點及弧長參考點，在焊接過程中根據弧長的變化，用電弧傳感器控制電壓自適應控制。這種方法也只能應用于角接接頭形式，對于轎車底盤零件大量的薄板搭接焊縫，因無法尋找弧長參考點亦無法應用。　　2.高效弧焊技術的發展趨勢　　脈沖GMAW(P-GMAW)、雙絲MIG/MAG焊(Twin-Wire，Tandem-Wire)等代表了當前在汽車制造中應用的高效、高速焊接新工藝。這兩種焊接方法與機器人相配合，能充分體現高效化焊接的特點，實現機器人系統在空間的可達性、焊接速度完美的協同和組合。　　P-GMAW電弧過程具有好的穩定性，能有效地保證焊縫質量的一致性，改善了由于短路過渡焊接過程較低的熱輸入造成的熔深不足。P-GMAW的射流過渡方式適用于薄板材料的高速焊接、鋼或鋁合金的車身框架結構的全位置焊接。在Audi A8全鋁合金車身框架結構的管狀型材和接合點的焊接中，均大量地采用了P-GMAW的工藝。　　雙絲MIG/MAG焊有2種基本形式：一種是雙絲焊接工藝(Twin-Wire)，2個焊絲都是采用同樣的焊接參數；另一種是Tandem-Wire，采用2個獨立的噴嘴和2個獨立的電源，每個電弧有自己獨立的焊接參數。機器人的鋁合金脈沖MIG焊及Tandem焊的焊速分別為60～80cm/min、180～210cm/min。由此看來，大力發展雙絲焊接工藝并與焊接機器人配合可大大提高生產效率。　　摩擦焊工藝的應用　　在國內汽車制造中，摩擦焊工藝應用于汽車零件加工方面，其范圍較窄，一般用于刀具和其他車用輔助工具的制造。該焊接工藝為固態焊接，焊縫熱影響區相對較窄，晶粒細小，焊縫質量較易控制，制造成本相對較低，特別是在以焊代鍛的結構上采用則優勢更為明顯。例如，汽車半軸等軸類零件，其毛坯制造工藝為整體鍛造結構，采用水平分模平鍛，其設備投資較高，并且熱鍛模的維修費用較高。若采用摩擦焊工藝將整體鍛造結構改為鍛焊結構，可將水平分模平鍛機改為熱鍛模壓力機，減少設備投資和熱鍛模的維修費用，即可降低成本。另外，還可以采用摩擦焊工藝代替CO2氣體保護焊工藝焊接部分軸類零件，提高生產效率，降低制造成本。例如，傳動軸、萬向轉向節叉等。目前，傳動軸、萬向轉向節叉等零件的焊接工藝均為CO2氣體保護焊，容易產生焊接缺陷，焊縫質量較難控制，且需要消耗大量的CO2氣體和焊絲等輔料，生產效率相對較低。若采用摩擦焊工藝，不用填充任何輔助材料，且有利于改善作業環境，減少污染。　　在汽車零部件規�；a中，摩擦焊技術占有較重要的地位。據不完全統計，美國、德國、日本等工業發達國家的一些著名的汽車制造公司，已有百余種汽車零件采用了摩擦焊技術。采用摩擦焊技術的汽車零部件大致有3類：異種材料組合，如發動機雙金屬(空心)排氣門、渦輪增壓器等；鍛焊復合結構，如半軸、凸輪軸、轉向節、叉等；解決關鍵技術，如氣囊充氣器、連身齒輪組、傳動齒輪組等。因此，在國內推廣應用摩擦焊技術勢在必行。　　激光焊接　　激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，零件的裝配間隙很小，對零件和工裝的精度要求較高。由于國內汽車零件的精度較低，重復精度較差，對激光焊工藝的推廣應用帶來了一定的難度。目前，在國內汽車制造中，應用激光焊工藝的只有少數幾個合資公司，如上海大眾等。　　由于激光焊能量密度高，焊接深度/寬度比高，其焊接質量比傳統焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質量，即激光焊接過程的監測與質量控制，是激光利用領域的重要內容。包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，針對不同焊接對象和要求，通過計算機實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質量監測等項目，通過反饋控制調節焊接工藝參數，實現自動化激光焊接。在汽車工業中，激光技術主要用于車身焊接、坯板拼焊和零件焊接。　　1.車身焊接　　該工藝主要用于車頂焊，其應用可以減噪和適應新的車身結構設計。Volvo是最早開發車頂激光焊接技術的廠家。如今，德國大眾公司也已在Audi A6、Golf A4、Passat等車頂采用了此項技術；BMW公司的5系列、Opel公司的Vectra車型等更是趨之若鶩。歐洲各大汽車廠的激光器絕大多數用于車頂焊接。　　另外，車身(架)激光焊可以提高車身強度、動態剛度。奔馳公司首先在C級車后立柱上采用了激光填絲焊接；BMW和GM公司在車架頂部采用了搭接焊；GM公司利用3kWYAG激光器在Aurora G型車上進行車頂與車頂附件托架的焊接。　　在車身制造中，采用激光焊技術，可以提高產品設計的靈活性，降低制造成本，提高車身的剛度，提高產品的競爭力。　　2.激光拼焊板的應用　　該技術可降低車身自重和成本，減少零件數量，提高安全可靠性。　　此項應用最早源于Audi 100車的底板拼焊，目前已推廣到各大汽車公司。豐田公司Tahara工廠生產的凌志(Lexus)車門板原來是用2種不同厚度、5種不同表面處理的多塊鋼板組成，現在只用1塊激光拼焊板代替，大大提高了生產率。BMW公司1/3的汽車已采用激光拼焊板。在美國，1997年用于汽車工業的激光拼焊板將近1500萬件，2000年達到4000萬～6000萬件。有專家預言，激光拼焊板將成為一項數十億美元的產業。　　采用激光拼焊板應用于車身制造，可以減少零件、模具及焊接工裝數量，降低車身自重和成本，并提高產品的市場競爭力。　　3.齒輪及傳動部件激光焊　　齒輪及傳動部件的焊接采用激光焊代替電子束焊，可減少變形、提高生產率。20世紀80年代末，克萊斯勒(Chrysler)公司的Kokomo分公司購進9臺6kW CO2激光器用于齒輪激光焊接，其生產能力提高40%。90年代初，美國三大汽車公司已投入40多臺激光器用于傳動部件焊接。奔馳公司已經研究利用激光焊接代替電子束焊接，因為前者焊縫熱影響區小。　　4.非金屬及對電磁性有要求的汽車零件的焊接　　Volvo和大眾公司用激光焊接塑料燃油箱；許多廠家利用激光精細焊接發動機上的傳感器。　　焊接機器人技術的應用　　焊裝生產線是由焊接設備、工裝夾具、傳輸系統和自動控制等部分組成。因此，生產線的整體柔性程度由各組成部分的柔性程度所決定。其中，焊接設備的柔性是決定焊裝生產線柔性程度的關鍵，而工裝夾具是決定焊接生產線柔性程度的主要因素。　　●車身焊裝線上的焊接設備主要有手工焊設備、自動焊專機及焊接機器人3類。　　●手工焊接設備主要包括懸掛式點焊機、半自動CO2氣體保護焊機等，它們均屬于通用標準設備。通過人工操作完成焊接工作，其獨立性較強，便于安裝、調整及維修，且價格低廉，所以在生產發展的各個時代都得到了廣泛地應用。　　●自動焊專機包括多點焊機、臺式自動焊機及各種焊接機械手。　　這些專機結構復雜、動作簡單、程序基本固定、制造成本及維修費用高，只適用于某一種產品焊接，柔性程度低，所以只有在單一品種、大批量生產的焊裝生產線上采用。以前，一般在年生產綱領為6萬輛以上的生產線上采用，現在只有年生產量更大的生產線才予以考慮。　　●焊接機器人是本體獨立，動作自由度多，程序變更靈活、自動化程度高、柔性程度極高的焊接設備。具有多用途功能、重復精度高、焊接質量高、抓取質量大、運動速度快、動作穩定可靠等特點。焊接機器人是焊接設備柔性化的最佳選擇。焊接設備作為焊裝生產線的重要組成部分，是否采用焊接機器人是焊裝生產線柔性程度的重要標志之一。　　汽車制造的批量化、高效率和對產品質量一致性的要求，使機器人在汽車焊接生產中獲得了大量應用。據2001年的統計，全國共有各類焊接機器人1040臺，而汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%，成為工業機器人的最主要用戶。東風商用車車身廠第六焊裝車間總裝線采用了6臺點焊機器人，3臺自動焊機。一汽車身廠十萬輛新品駕駛室主焊線采用了21臺點焊機器人，點焊自動化率達95%。東風車身廠六萬輛新品駕駛室總裝線采用了10臺點焊機器人，1臺自動焊機，點焊自動化率不足60%。與發達國家相比差距較大。　　在國外，法國雷諾汽車公司與日本日產汽車公司都采用了全機器人的駕駛室焊裝線，駕駛室的裝配、涂膠、點焊全部由機器人完成。　　在國內，點焊機器人上所配備的焊鉗均為氣動焊鉗，焊接時沖擊力較大。同時，由于工件的重復精度較差，電極處于凸緣邊緣時，焊鉗易滑出，嚴重時會損壞被焊工件。另外，電極磨損量的監控反饋精度較差，影響焊接質量。在國外，機器人用焊鉗已逐步采用伺服焊鉗，焊接時沖擊小，并能實現精確控制，提高焊接質量。　　銅散熱器硬釬焊技術的應用　　20世紀50年代，汽車散熱器的制造主要采用銅材料錫焊工藝。20世紀60年代末到70年代初，因銅材料成本是鋁材料的2～3倍，為了降低成本和自重，開始采用鋁制散熱器的釬焊工藝技術，采用半自動化和自動化生產加工作業，但鋁散熱器的工藝過程復雜，并污染環境。90年代以后，新型銅硬釬焊散熱器比鋁散熱器的制造成本更低。銅硬釬焊散熱器具有鋁制散熱器不可替代的優點如下。　　●釬焊速度快，可降低加工成本。　　●銅的導熱性好，強度和剛度大，可使材料的厚度減薄，為硬釬焊散熱器小型化設計奠定了基礎。　　●材料的回收和再生產利用率高。　　但是，釬焊爐的溫升率較高，冷卻速度必須嚴格控制，即對釬焊爐的精確控制要求較嚴。目前，東風公司銅散熱器的焊接采用了軟釬焊工藝，其焊縫的高溫強度較低，特別是在重型車上，焊縫的密封性較差。據報道，一汽將在新型載貨汽車上試用銅硬釬焊散熱器。　　經世界許多知名企業的實踐證明，銅硬釬焊工藝技術能在客車、載貨車和工程機械的散熱器、暖風機、機油冷卻器、冷凝器、蒸發器及中冷器等產品生產中發揮巨大的優勢。　　目前，Astro Air公司生產的銅硬釬焊散熱器系統已經在公共汽車、載貨車和其他工程設備中得到應用。日本NAJICO公司從2000年10月開始全面生產管帶式銅硬釬焊散熱器。　　焊接數值模擬技術的應用　　在許多焊接結構件中，由于焊接工藝本身的特點，焊縫接頭(特別是弧焊接頭)存在著各種焊接缺陷和應力集中，焊接應力分布復雜，引起承載能力下降和焊接變形。采用常規的手段無法分析焊接應力分布和預測焊接變形，很難控制焊接總成的質量，因此采用數值模擬技術進行焊接應力和焊接變形方面的研究很有必要。通過焊接數值模擬，可以模擬出焊接過程中的應力和應變的變化及分布情況，為制定合理的焊接工藝提供理論依據。例如，客車車架焊接變形的控制，目前只能通過反復試驗獲得相對合理的焊接工藝，其試驗存在著盲目性，且試驗周期長、投入大。若采用數值模擬技術，可以經濟、快速地模擬出正確的工藝方案。在國內，高校對焊接結構的數值模擬技術研究的較多，并且已有一些成功的應用案例。　　關于數值模擬軟件很多，如ANSYS和SYSWELD等各類模擬軟件。在2000年，日本大阪大學結合科學研究所提出了一個5年完成耗資20億日元(2000萬美元)的國家課題，即“高效與安全焊接技術的開發”。它是一個焊接虛擬工程研究，其目的是開發一個用戶界面友好的高效與安全焊接的計算機系統，同時給出3個精密模擬程序，即焊接過程模擬程序、被焊區域組織預測程序和變形預測程序。近來，英國焊接研究所開發了一個“結構變形預測系統”(SDPS)，可以用來預測復雜結構的焊接變形。　　車身焊裝工藝的虛擬設計　　在車身焊裝工藝設計時，對產品的工藝分塊是工藝設計的關鍵。目前，車身焊接工藝的設計水平主要取決于設計師的經驗，無法科學地判斷某個設計方案的優劣。為了提高工藝設計水平，必須采用計算機模擬技術來進行虛擬工廠設計。通過計算機模擬技術與設計者的經驗相結合，可以優化焊裝車間平面布置和工作單元布局、預研工藝對產品的影響和各工序間的關聯、校驗所需設備數量和對自動化設備的需求、計算生產面積和所需工人數，而且可對焊裝線上的機器人、自動化設備及人體作業進行仿真分析。　　Delmia公司為汽車制造業提供了全面的解決方案，從白車身焊接、油漆、總裝的工藝規劃到加工仿真等，提供了一系列的軟件和整體解決方案。在通用、豐田等汽車企業中，都大量應用了Delmia公司的軟件，通用卡車公司把Delmia公司作為唯一的數字制造解決方案供應商。上海交通大學CIMS研究所應用Delmia軟件在上海大眾汽車有限公司發動機廠生產線技術改造項目中也獲得了很好的效益。　　Delmia BIW是應用于汽車白車身規劃與仿真的一套解決方案。用戶可以利用BIW并行開發白車身焊接工藝及機器人加工單元仿真。BIW支持整個企業各部門瀏覽與利用PPR數據庫中的各種信息。　　結束語　　從20世紀50年代開始，中國汽車制造業的焊接技術主要以手工焊和電阻點焊為主。隨著我國汽車制造業的發展，焊接技術取得了巨大的進步，但是與發達國家的汽車工業相比還存在巨大的差距。汽車工業是世界性的產業，面對國際競爭全球化、國內競爭國際化的形勢，為使我國汽車工業能在世界汽車工業的發展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接技術在內的制造技術的進步和創新能力的提高，才能實現中國汽車工業自主發展的目標。(

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