车身焊接技术现状及发展趋势

2018-09-20 17:18:00
陆启蒙
原创
3559
摘要:介绍了车身制造常用的焊接技术如电阻焊、电弧焊、激光焊,以及焊接机器人技术,并分别对电阻焊、电弧焊、激光焊接技术的具体分类、应用设备及发展前景进行研究,对比分析其工作原理及技术特点,以及各焊接技术在车身制造中的应用。

摘要:介绍了车身制造常用的 焊接技术如电阻焊、 电弧焊激光焊,以及 焊接机器人技术,并分别对电阻焊、电弧焊、 激光焊接技术的具体分类、应用设备及发展前景进行研究,对比分析其工作原理及技术特点,以及各焊接技术在车身制造中的应用。

1 前言

目前国内汽车厂家采用的车身焊接技术主要是电阻焊、电弧焊、激光焊。在车身制造中应用最多的为电阻焊接技术,通过 电阻点焊技术将数目众多的薄板零件连接起来形成白车身总成。由于 汽车车身结构复杂,在有些部位难以实现点焊,或由于零件装配问题,厚度相差太大等因素,为了完成不同零件之间的连接,少数位置采用了电弧焊接技术。

激光焊接技术在车身制造领域应用的时间比较短,但由于其优点较多,目前已经在国外汽车公司得到大量应用,国内有些主流汽车厂家也在逐步采用。

2 电阻焊技术

电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间,通以电流,利用电流流经工件接触面及邻近区域生产的电阻热将其加热到熔化或塑性状态,使之形成金属结合的 焊接方法。电阻焊主要分为点焊、凸焊、缝焊、对焊。在车身制造领域应用最多的电阻焊技术是点焊,其次是凸焊,在车身制造中没有应用缝焊及对焊技术。

2.1 点焊技术

点焊(图1)由于生产效率高、操作简单、焊接变形小、易于实现机械化和自动化等优点,在车身制造中应用最为广泛;目前点焊工艺依然是国内外各大轿车厂家车身焊接方法中最重要的方法。通常一个轿车车身有3 000~5 000个焊点。焊点的装配关系主要有两种:两层钢板和三层钢板;四层钢板焊接在少数情况也可以获得合格的焊点,但其对钢板强度、钢板厚度及装配关系的要求很高,且焊接时飞溅大,焊点压痕深,焊点疲劳强度有所下降,因此四层钢板点焊需要谨慎使用。

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图1 点焊

电阻焊是电能转化为热能的焊接方法,计算公式如下。

Q=I 2 RT 式中,Q为产生的热量;I为焊接电流;R为焊接电阻;T为焊接时间。

焊接电阻包括电极与工件之间的接触电阻、工件与工件之间的接触电阻、以及工件本身的电阻。其中接触电阻与焊接压力有直接的关系,要获得合格的焊点,需要合适的焊接压力。形成一个合格焊点需要三个主要因素,即焊接电流、焊接时间和焊接压力。每个焊点的具体焊接参数值由钢板厚度、钢板强度、钢板镀层情况及钢板装配状态等因素综合决定。焊点质量水平是衡量车身质量的重要指标,影响焊点质量的因素较多,即零件装配状态、钢板镀锌层厚度、焊点间距、零件结构、电极对中状态、焊钳冷却状态、电
极帽修磨状态、夹具是否分流、程序转换开关是否失效、焊接参数值是否合理等,在出现焊接质量问题时,应需从多方面进行分析 [1] 。

2.2 点焊设备

目前,点焊的设备类型主要分为两大类:手工焊钳和 机器人焊钳。

手工焊钳(图2)的主要元件包括阻焊变压器、焊钳控制器、气缸、钳体、钳臂、水电气管等。手工
焊钳分为分体式手工焊钳和一体式手工焊钳。分体式手工焊钳,其阻焊变压器与钳体分离,中间采用较长的次级电缆相连接,能耗比较高,价格便宜,前些年在国内汽车厂家应用十分广泛;由于不符合节能环保的要求,能耗高,次级电缆容易损坏,近些年逐步被淘汰。一体式手工焊钳,其阻焊变压器与钳体直接连接,无次级电缆损耗,价格稍高,但由于其节能、效率高、易于操作等特点,最近几年已经在国内主流汽车厂家得到大量采用。手工焊钳无论分体式还是一体式,焊钳控制器都采用了微处理器技术,根据钢板零件装配情况可以对焊接电流、焊接压力、焊接时间、电流递增台阶、电极修磨记数等参数值进行设置;其中一体式焊钳的控制器最多可以设置64套焊接参数程序,利用焊接参数程序转换开关,一把焊钳可以焊接多种不同装配的焊点;且控制器具有故障自诊断功能,当设备出现故障时,控制器会出现故障代码,极大地提高了设备维修效率。

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图2 手工焊钳

机器人焊钳也分为两类:气动机器人焊钳和 伺服电机机器人焊钳。气动机器人焊钳由气缸、钳体、阻钳变压器、具有补偿功能的浮动机构、上下电极组件及电极等部件组成。通过压缩空气驱动气缸进而带动焊钳上下电极夹紧至预先设定压力以完成焊接动作。由于气动焊钳在焊接加压时无法精确控制电极移动速度,对工件冲击较大,容易使工件产生变形、焊接飞溅、焊接时噪音较大等缺点,已经逐步被伺服电机机器人焊钳(图3)所取代。伺服电机焊钳与气动焊钳主要区别在于伺服焊钳焊接压力采用的是伺服电机驱动,用伺服电机代替气动焊钳中的气缸。伺服电机输出的是旋转运动,通过 滚珠丝杠转化为焊钳电极的上下运行。在伺服焊钳机械结构中滚珠丝杠是最重要的机械元件,由丝杠、螺母、滚珠等零件组成,具有驱
动力矩小、精度高、可实现低速进给及高速进给、刚性高、可逆性强等特点,保证了伺服焊钳功能的实现。.

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图3 机器人焊钳

2.3 凸焊技术

在车身制造领域中凸焊技术主要应用于焊接螺钉,螺母类零件或小件;通常情况下,单个车身使用的螺钉或螺母件数量超过两百个。凸焊实际上是点焊的一个变形,通常在螺钉或螺母上冲出凸点或凸环,或在小件上冲出凸点。凸焊焊接时由于电流集中,克服了点焊时因零件厚度不同而造成的熔核偏移,零件的厚度比可以超过6∶1,而点焊工艺不同零件的厚度比通常不超过4∶1。凸焊时,电极要随着凸点或凸环被压溃而迅速下降,否则会因为压力上升缓慢产生喷溅或炸电极,因此凸焊设备的电极随动性要好。在对螺钉或螺母类零件进行焊接时,焊接参数值通常采用大电流,焊接时间短,否则会容易导致螺纹变色,精度下降等问题。在焊接直径为8 mm的凸环螺钉时,焊接电流需达到30 000 A,凸焊设备功率要比常用点焊
设备功率大的多。

2.4 电阻焊接技术的发展趋势—中频电阻焊

目前汽车车身的发展方向是“轻量、安全、节能”,为此镀锌钢板、高强度钢板、铝合金、镁合金
等新材料越来越广泛地应用在车身制造中。传统的工频电阻焊技术已经难以满足新材料的焊接要求。使用传统的工频电阻焊设备焊接镀锌钢板和高强度钢板,容易造成焊接飞溅,电极粘连,焊接毛刺等缺陷。中频电阻焊由于动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、加热集中、焊接质量稳定等优点,能够很好满足镀锌钢板和高强度钢板焊接的技术要求,正在逐步应用在车身制造中。

中频电阻焊机工作原理,由三相交流电(380 V/50 Hz)经整流电路和滤波电容转换成 500 V 左右脉动直流电,再经由功率开关器件组成的逆变电路转换成中频方波(1 000 Hz),然后输入变压器降压后,经大功率二极管整流成直流电供给电极对工件进行焊接。逆变器通常采用电流反馈脉宽调制(PWM)获得稳定的恒电流输出。中频直流电阻焊机工作原理见图4。

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a.与工频交流电流相比,由于中频逆变直流电流没有明显的峰值电流,电流波形平直,减少了焊接飞溅,提高了焊接质量。

b.三相负荷均衡,不受电网波动的影响,即使在网压波动+15%情况下,仍可将焊接电流精度控制在2%以下,且功率因素高。

c.中频变压器体积小、质量轻,输入热量低,便于使用一体化焊钳。尤其运用于机器人点焊操作时,可减轻机器人的负荷,而使用工频焊接控制器时则需要载荷能力更大的机器人。

d.中频焊接控制器的调节反馈控制周期为千分之一秒,响应速度是工频焊接控制器的20倍,能瞬时分析及调整焊接参数,焊接质量控制更精确 [2] 。

根据现场经验可知,中频电阻焊的焊接质量得到提高,焊接飞溅有大幅度的下降;不过能耗降低及 电极帽寿命延长的优点并没有能够体现出来。

3 电弧焊技术

电弧焊在车身制造应用时工件容易变形,尺寸不易控制,通常只有在难以实现点焊工艺的时候,才使用电弧焊技术来实现零件的连接。目前国内大多的汽车整车厂采用电弧焊工艺熔化极 气体保护焊,它包括 CO 2 气体保护焊、MAG 焊、MIG焊。

除了熔化极气体保护焊之外,还有一种特殊的电弧焊工艺,即 电弧螺柱焊

3.1 熔化极气体保护焊

熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属,形成熔池和焊缝的焊接方法。根据不同的保护气体和焊丝,熔化极气体保护焊分为CO 2 气体保护焊、MAG焊(保护气体为氩气加少量 CO 2 或 O 2 ),及 MIG 焊(保护气体为氩气或氦气)。

由于CO 2 气体保护焊具有焊接速度快,成本低及易与全位置焊接等特点,在大多数汽车厂家应用最广泛,其缺点为飞溅大、烟尘大、焊缝成型不良、冲击韧性低。与CO 2 气体保护焊相比,MAG焊电弧燃烧稳定,飞溅小,焊缝成型美观,冲击韧性好;同时还克服了纯氩气保护时的表面张力大,液体金属粘稠等问题。由于保护气体成分主要是氩气,MAG 焊的使用成本比 CO 2 气体保护焊的使用成本要高。MAG焊和CO 2 气体保护焊的焊丝通常采用 H08Mn2SiA,低碳钢中填加了硅锰元素以补偿电弧燃烧时引起的焊缝合金元素的烧损。轿车车身零件厚度通常在 0.67~3.0 mm 之间,对于厚度小于1.0 mm的工件来言,使用MAG焊容易引起工件烧穿现象;为了减少工件烧穿现象的发生,一些汽车厂家在厚度小于 1.0 mm 的工件上采用了MIG焊。MIG焊的焊丝成分为铜铝合金,保护气体为纯氩气。MIG 焊和 MAG 焊不同点为 MAG 焊是熔焊,而MIG焊是高温钎焊,在焊接过程中,通常工件(低碳钢)不熔化,铝青铜焊丝熔化滴到工件接口,熔化的金属液体填充到工件缝隙中。从使用的效果来看,MIG 焊在焊接厚度小于 1.0 mm 的工件时,避免了工件易烧穿现象。使用 MIG 焊接工件,成本比较高,且钎焊焊接接头强度不如熔焊接头。

对于熔化极气体保护焊来说,如何精确控制熔滴过渡,减少或避免飞溅问题,一直是广大焊接工作者关心和研究的问题。随着焊接电源从电磁控制式发展到逆变式,这个问题得到了很大的改善。电磁控制式焊接电源是利用电感效应来调节焊接过程中电流、电压,动态响应速度慢;逆变电源是利用电子电容器来控制焊接过程中电流、电压的变化,动态响应速度很快,可以实时控制熔滴过渡过程,最大限度地避免飞溅现象。目前国内外电焊机厂家开发出了各具特色,性能优异的逆变弧焊机。

3.2  螺柱焊

螺柱焊接具有快速,可靠、操作简单等优点,可以替代铆接、钻孔等工艺。国内某汽车厂家的一个车身,螺柱使用量达到200个。螺柱焊主要有储能式(电容放电)和拉弧式两种方式。 储能式螺柱焊,焊接时间、焊接电流不可调,熔深很浅,在汽车行业的应用很少。目前汽车行业应用最多的是 拉弧式螺柱焊,螺柱接触工件后,扣动 焊枪开关,螺柱被拉起,离开工件,然后工件与螺柱之间产生电弧,电弧产生的热量熔化螺柱顶部法兰和工件表面,随后螺柱下降浸入工件表面形成的熔池里,设备断电,熔池冷却形成焊接接头,焊接完毕。焊接过程见图5。螺柱焊接时间非常短,以 ms 为单位,通常在20~40 ms之间,汽车行业采用的这种 螺柱焊接工艺也称为短周期螺柱焊。

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螺柱焊设备焊接电源现在以逆变式电源为主,已经基本替代了晶闸管控制弧焊整流器电源。 螺柱焊枪已经从气动发展到电动,可通过弹簧的伸缩来控制螺柱的提升、下降过程,发展到伺服电机控制螺柱的运动,精确控制螺柱的运动行程,提高了螺柱焊接质量。现在 螺柱焊接技术发展较快,自动化程度高,广泛采用了计算机技术、模糊系统、专家系统程序等智能控制系统技术。螺柱焊设备不仅能精确设置和记录、储存焊接参数,而且能对焊接过程进行实时检测,具有故障自我诊断专家系统,并能自动调节焊接参数,以保证焊接质量;且1台焊接主机可以最多带5把焊枪工作,极大地提高了焊接主机的利用率 [3] 。

国内汽车行业的 螺柱焊机主要依靠进口,存在价格高、维修成本高的问题。目前通过国内焊接技术人员的不断攻关,深圳和天津已经有焊机设备厂家研制出可用于汽车行业使用的螺柱 焊接设备,螺柱焊接质量可以满足生产要求;填补了国内螺柱焊设备制造领域的空白。

4 激光焊接

由于激光焊接具有能量密度高、工件变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点,近年来已经成为金属材料加工与制造的重要手段。越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等工业领域。

汽车制造领域是当前最大规模使用激光焊接技术的行业,从汽车零部件生产到车身制造,激光焊接已经成为汽车制造的重要焊接方法。激光焊接在汽车车身制造中的应用主要包括激光拼焊板、激光钎焊、激光熔焊。

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板技术根据车身不同部位的性能要求,选择强度等级相同或不同,厚度不同的钢板,通过激光裁剪和拼焊在一起,然后再冲压成车身零件。激光拼焊技术优点为减少了零件及模具的数量、缩短设计及开发周期、减少材料浪费;合理使用不同级别、厚度和性能的钢板,减少车身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高车身结构刚度和安全性 [4] 。

蒂森克虏伯公司与大众公司合作,最早把此项技术应用在奥迪100的地板拼焊上。到目前为止,世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术,所涉及的汽车结构件如行李箱加强板、行李箱内板、减震器支座、后轮罩、侧围内板、前地板、前纵梁、保险杠、横梁、轮罩、车门内板、中立柱等 [5] 。图6所示为车身某些部位的激光拼焊板。

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图6 激光拼焊板零件

4.2 激光钎焊

激光钎焊也称激光填丝钎焊,其基本原理为激光发生器发出的激光束聚焦在焊丝表面上加热,使焊丝受热熔化(工件未熔化)成高温液态金属浸润工件连接处,填充接头间隙与工件结合,液态金属冷却后,形成焊缝,见图7 [6] 。通常采用的焊丝为直径1.2 mm的CuSi 3 焊丝,其熔点950 ℃左右,被焊工件为低碳钢镀锌板(钢板熔点 1 400 ℃以上),在焊丝熔化的情况下,工件不熔化。

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激光钎焊目前主要用于汽车顶盖、行李箱盖等车身的可视工件焊接中。很多主流汽车厂家在中高档车型中都应用了此项技术,国内某车型激光钎焊应用见图8。以顶盖的激光钎焊为例,与电阻点焊相比的主要优点如下。

a.搭接凹槽长度由 40 mm 减少到 5 mm 以内,减轻了车身质量,可以节能降耗。

b.顶盖单侧的激光钎焊缝通常在1.5 m左右,是连续的金属连接,提高了车身的连接强度,进而增强了车身安全性。

c.点焊需要涂胶工艺,激光钎焊不需要涂胶工艺,在减少工艺内容的同时降低了制造成本。

d.搭接凹槽无须使用装饰条,减少了零件数量,降低了制造成本,提高了车身的美观度。

e.由于是局部加热,工件热影响区小,提高了车身安全。

f.正离焦方式加热,加热带宽,无飞溅,填充剂熔化后自然浸润,焊缝外观质量良好。

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