汽車(chē)焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

    汽車(chē)工業(yè)中，焊接是汽車(chē)零部件與車(chē)身制造中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起著承上啟下的特殊作用，同時(shí)，汽車(chē)產(chǎn)品的車(chē)型眾多、成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及汽車(chē)制造在質(zhì)量、效率和成本等方面的綜合要求，都決定了汽車(chē)焊接加工是一個(gè)多學(xué)科、跨領(lǐng)域和技術(shù)集成性強(qiáng)的生產(chǎn)過(guò)程。在目前汽車(chē)零部件及白車(chē)身的制造中，主要的焊接方法有電阻點(diǎn)焊、CO2氣體保護(hù)焊和激光焊，另外也有采用氬弧焊、電子束焊等。
焊接技術(shù)的特點(diǎn)
    焊接是汽車(chē)制造過(guò)程中一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)。汽車(chē)的白車(chē)身、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等都離不開(kāi)焊接技術(shù)的應(yīng)用。在以“鋼結(jié)構(gòu)”為主的汽車(chē)車(chē)身的焊接加工中，汽車(chē)焊接又有不同于其他產(chǎn)品焊接的要求：
1. 對(duì)焊接件的尺寸精度要求高
    為了保證產(chǎn)品的裝配精度和尺寸穩(wěn)定性，要求盡可能減少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的熱應(yīng)力與變形。
2. 對(duì)焊縫接頭的性能要求高
    焊接接頭不僅要滿(mǎn)足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)，而且有苛刻的低周疲勞性能要求。
3. 對(duì)批量焊接生產(chǎn)品質(zhì)高且一致性好的要求
4. 對(duì)焊接生產(chǎn)過(guò)程高節(jié)拍、高效率的要求
5. 對(duì)“零缺陷”的質(zhì)量控制與保證，提出了自動(dòng)化焊接過(guò)程的監(jiān)測(cè)與信息化管理的要求
    近幾年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)在焊接新技術(shù)的應(yīng)用及推廣方面起了積極的推動(dòng)作用。針對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發(fā)展目標(biāo)，當(dāng)前的汽車(chē)焊接技術(shù)正在傳統(tǒng)的材料連接概念與方法的基礎(chǔ)上迅速地延伸和拓展，并向先進(jìn)的“精量化焊接制造”的方向發(fā)展。
主要焊接方法
汽車(chē)制造業(yè)是焊接應(yīng)用最廣的行業(yè)之一，其中主要的焊接方法如下：
1. 電阻焊
    電阻焊是工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法，目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造中。
    在點(diǎn)焊過(guò)程中，影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素有：焊接電流、焊接壓力、電極的端面形狀、穿過(guò)電極的鐵磁性物質(zhì)及分流等。特別在阻焊設(shè)備較多的焊接車(chē)間，同時(shí)工作的焊機(jī)相互感應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性較差。因此，電阻點(diǎn)焊控制技術(shù)顯得尤為重要。目前，控制模式已由單模式控制發(fā)展為多模式控制，調(diào)節(jié)參量已由初始的單變量調(diào)節(jié)發(fā)展為多變量調(diào)節(jié)，在焊接過(guò)程中可同時(shí)對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2. 氣體保護(hù)焊
    用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡(jiǎn)稱(chēng)氣體保護(hù)焊。CO2氣體保護(hù)焊作為一種高效的焊接方法，以其焊接變形小和焊接成本低的特點(diǎn)，在我國(guó)汽車(chē)業(yè)獲得了廣泛的運(yùn)用。但CO2氣體保護(hù)焊在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題：以CO2氣保焊中應(yīng)用最為廣泛的短路過(guò)渡形式為例，電弧電壓、焊接電流或焊接回路電感匹配不當(dāng)，或焊絲干伸長(zhǎng)度不合適，都可能造成焊接電弧不穩(wěn)定、飛濺以及未焊透等，對(duì)焊縫成形、焊縫的機(jī)械性能有較大影響。另外，短路過(guò)渡焊接時(shí)對(duì)焊接電源的動(dòng)特性要求很高。如果選型錯(cuò)誤，穩(wěn)定焊接電弧的參數(shù)范圍狹窄，會(huì)影響焊接的質(zhì)量。
3. 激光焊
    激光焊是利用激光器受激產(chǎn)生的激光束，通過(guò)聚焦系統(tǒng)并調(diào)焦到焊件接頭處，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，使金屬熔化形成接頭。與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊相比，激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自動(dòng)化、輕量化和降低成本等方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。激光焊接被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的制造技術(shù)之一。
    激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，目前主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是固體激光器，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)光纖傳送，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工。另一類(lèi)是氣體激光器，又稱(chēng)CO2激光器，以分子氣體作工作介質(zhì)，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率。
    汽車(chē)工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車(chē)身拼焊和零件焊接，例如頂蓬與側(cè)圍的焊接（見(jiàn)圖1）。但激光焊接要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。否則很容易造成焊接缺陷。

圖1 采用激光焊接頂蓬消除了表面凹凸、省去了鑲邊

    以激光焊接為代表的精量化焊接生產(chǎn)方式用一種新的技術(shù)理念促進(jìn)了汽車(chē)焊接技術(shù)的進(jìn)步。此外，一些新的連接方法也率先在汽車(chē)制造中獲得應(yīng)用。如變極性MIG／MAG焊接方法、激光-電弧復(fù)合焊接方法、磁脈沖焊接方法、膠接和機(jī)械連接方法等都已開(kāi)始成功地應(yīng)用在各類(lèi)新車(chē)型的制造中。
焊接材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
    隨著車(chē)身向著輕量化方向發(fā)展，車(chē)身材料的輕量化及車(chē)身金屬材料的非金屬化是必然趨勢(shì)。未來(lái)車(chē)身材料仍以鋼板為主，但是一些復(fù)合材料將得到廣泛應(yīng)用。
1. 鍍鋅鋼板
   隨著汽車(chē)工業(yè)發(fā)展，為了提高車(chē)體使用壽命和增強(qiáng)車(chē)體材料的抗腐性能，鍍鋅鋼板得到廣泛使用。由于在目前汽車(chē)車(chē)身制造中，主要采用電阻點(diǎn)焊方法，與無(wú)鍍層鋼板相比，鍍鋅鋼板的點(diǎn)焊過(guò)程中還存在一些問(wèn)題：先于鋼板熔化的鋅層形成鋅環(huán)而分流，致使焊接電流密度減��；鋅層表面燒損、污染電極而使電極壽命降低；鋅層電阻率低，接觸電阻��；容易產(chǎn)生焊接飛濺、裂紋及氣孔等缺陷。
2. 高強(qiáng)度鋼板
    為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，提高汽車(chē)安全性能，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用正逐年增加。目前高強(qiáng)度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板及冷軋雙相鋼板等。
（1）含磷高強(qiáng)度冷軋鋼板：具有較高強(qiáng)度，良好的強(qiáng)度和塑性平衡，良好的耐腐蝕性及點(diǎn)焊性能；主要用于側(cè)圍、車(chē)門(mén)、頂蓬和行李箱蓋。
（2）烘烤硬化冷軋鋼板：這種簡(jiǎn)稱(chēng)為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強(qiáng)度，是車(chē)身外板輕量化設(shè)計(jì)首選材料之一。
（3）冷軋雙相鋼板：主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車(chē)門(mén)加強(qiáng)板、保險(xiǎn)杠等。
3. 鋁合金
    與汽車(chē)鋼板相比，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形和可回收再生等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟。汽車(chē)工業(yè)中也逐漸在使用鋁合金材料的零部件。但鋁合金焊接目前還存在線(xiàn)膨脹系數(shù)大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大， 易出現(xiàn)氣孔從而導(dǎo)致鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)。
4. 鎂合金
    鎂的密度僅為鋼材密度的35％。它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，尺寸穩(wěn)定性好，因此，在汽車(chē)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，鎂合金在汽車(chē)工業(yè)中主要運(yùn)用于車(chē)門(mén)鑄造，隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車(chē)身零件，如前/后擋板、儀表盤(pán)和方向盤(pán)等。
5. 高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料
    20世紀(jì)80年代后期，復(fù)合材料車(chē)身外覆件得到大量的應(yīng)用和推廣，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車(chē)門(mén)和頂蓬等，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合材料的轎車(chē)車(chē)身。用復(fù)合材料作為汽車(chē)車(chē)身外覆件，無(wú)論從設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)制造、應(yīng)用都已成熟，并已從外覆件的使用向內(nèi)飾件和結(jié)構(gòu)件方向發(fā)展。
新材料與新工藝是相輔相成的，汽車(chē)工業(yè)正在開(kāi)發(fā)新的制造方法并對(duì)傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行更新。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)，在今后10年中，轎車(chē)自身質(zhì)量還將減輕20％，除了大量采用復(fù)合材料和輕質(zhì)合金外，車(chē)身設(shè)計(jì)方法也將發(fā)生重大變化。
焊接機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用
    汽車(chē)制造的批量化、高效率和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使機(jī)器人生產(chǎn)方式在汽車(chē)焊接中獲得了大量應(yīng)用。焊接機(jī)器人是本體獨(dú)立、動(dòng)作自由度多、程序變更靈活、自動(dòng)化程度高和柔性程度極高的焊接設(shè)備。具有重復(fù)精度高、焊接質(zhì)量好、運(yùn)動(dòng)速度快和動(dòng)作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，焊接機(jī)器人是焊接設(shè)備柔性化的最佳選擇。焊接設(shè)備作為焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的重要組成部分，是否采用焊接機(jī)器人是焊裝生產(chǎn)線(xiàn)柔性程度的重要標(biāo)志之一。圖2為廣州本田機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)的局部圖。

圖2 機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)

    在國(guó)內(nèi)，點(diǎn)焊機(jī)器人上所配備的焊鉗均為氣動(dòng)焊鉗，焊接時(shí)沖擊力較大。當(dāng)工件的重復(fù)精度較差、電極處于板材邊緣時(shí)，焊鉗易打滑并損壞被焊工件。而在國(guó)外，機(jī)器人用焊鉗已逐步采用伺服焊鉗，這種焊鉗的開(kāi)閉由伺服電機(jī)控制，每個(gè)焊點(diǎn)的焊接周期可大幅度降低。電極壓緊力可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，焊接時(shí)可減少碰撞變形和噪音，并能實(shí)現(xiàn)精確控制，提高焊接質(zhì)量。
    另外，從兩種焊鉗的時(shí)間壓力曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）比較中可以看出：電極壓力由０升高到100%焊接所需壓力值，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比汽缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快5倍。設(shè)置好的壓力值在焊接過(guò)程中不再變化，從而保證很高的焊接質(zhì)量。

圖3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)焊鉗與氣動(dòng)焊鉗

焊接技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
1. 電阻焊的節(jié)能及控制技術(shù)
   目前，電阻焊機(jī)大量使用交流50Hz的單相交流電源，容量大、功率因數(shù)低 。發(fā)展三相中頻電阻焊機(jī)、三相次級(jí)整流接觸焊機(jī)和IGBT逆變電阻焊機(jī)，可以解決電網(wǎng)不平衡和提高功率因數(shù)的問(wèn)題。在標(biāo)準(zhǔn)焊接電流的條件下中頻點(diǎn)焊機(jī)按設(shè)置的焊接電流無(wú)飛濺。焊接電流小、電極發(fā)熱量小，延長(zhǎng)了電極使用時(shí)間，同時(shí)可進(jìn)一步節(jié)約電能，利于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的微機(jī)控制。由于焊接回路小型輕量化還可進(jìn)一步減輕設(shè)備重量。
2. 氣體保護(hù)焊接技術(shù)
（1）表面張力過(guò)渡波形控制技術(shù)：用2個(gè)電流脈沖完成1個(gè)熔滴過(guò)渡，第1個(gè)脈沖形成熔滴直至熔滴與工件短路；第2個(gè)脈沖是1個(gè)短時(shí)窄脈沖并不斷檢測(cè)di/dt，同時(shí)控制電流脈沖值，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾姶攀湛s力，使熔滴頸部收縮，靠熔池表面張力拉斷，完成1個(gè)熔滴過(guò)渡而不產(chǎn)生飛濺。
（2）逆變電源波形控制技術(shù)：利用逆變電源良好的動(dòng)特性和可控性，采用波形控制，在短路階段初期抑制電流上升，以減少大顆粒飛濺，并利于熔滴在熔池鋪開(kāi)；當(dāng)熔滴在熔池鋪開(kāi)后，使電流迅速上升，以加速形成縮頸，使小橋爆斷時(shí)飛濺減少。
(3)氬弧焊新技術(shù)：氬弧焊有非熔化極和熔化極兩種，均用于汽車(chē)工業(yè)有色金屬和高合金鋼焊接中。為改善CO2氣體保護(hù)焊的成形和減少飛濺，采用加入80%或20%Ar的混合氣體保護(hù)焊。
3. 激光和電弧復(fù)合熱源焊接
    由于激光焊接成本較高，因此以激光為核心的復(fù)合熱源焊接技術(shù)孕育而生。現(xiàn)在研究最多、應(yīng)用最廣的是激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)，主要目的是有效利用電弧熱源，在較小的激光功率條件下獲得較大熔深，同時(shí)提高激光焊接對(duì)焊縫間隙的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的焊接過(guò)程。哈爾濱焊接研究所在該方面的研究做了大量的工作，這一新型焊接技術(shù)，目前研究工作主要集中在這種焊接方法的工藝特點(diǎn)上，對(duì)于激光+ 電弧復(fù)合熱源焊接時(shí)激光與電弧的相互作用機(jī)理、焊接熱源的特性等課題有待于從理論上進(jìn)一步研究。激光-電弧復(fù)合熱源焊接見(jiàn)圖4。

圖4 激光-電弧復(fù)合熱源焊接

汽車(chē)工業(yè)焊接總體發(fā)展趨勢(shì)
1. 發(fā)展焊接機(jī)器人自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)
    從目前發(fā)展來(lái)看，自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)是汽車(chē)焊接的發(fā)展趨勢(shì)，而工業(yè)機(jī)器人因其自動(dòng)化和靈活性在轎車(chē)生產(chǎn)中得到大規(guī)模使用。在焊接方面，主要使用的是六自由度點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。且機(jī)器人具有焊鉗儲(chǔ)存庫(kù)，可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更，自動(dòng)從儲(chǔ)存庫(kù)抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無(wú)人駕駛的更具柔性化的感應(yīng)導(dǎo)向小車(chē)。
2. 發(fā)展輕便組合式智能自動(dòng)焊機(jī)
    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)制造廠(chǎng)都非常重視焊接的自動(dòng)化。如一汽引進(jìn)的捷達(dá)車(chē)身焊裝車(chē)間的13條生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化率達(dá)80%以上。各條線(xiàn)都由計(jì)算機(jī)(可編程控制器PLC-3)控制，自動(dòng)完成工件的傳送和焊接。機(jī)器人的動(dòng)作采用點(diǎn)到點(diǎn)的序步軌跡，具有很高的焊接自動(dòng)化水平，既改善了工作條件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，又降低材料消耗。
3. 發(fā)展計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)
    隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)了傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)向“精量化”的制造方式轉(zhuǎn)變。
    基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模的機(jī)器人焊接過(guò)程仿真技術(shù)提供了關(guān)于工件、夾具和機(jī)器人焊槍姿態(tài)的三維信息，已大量地應(yīng)用于焊接過(guò)程策劃、工藝參數(shù)優(yōu)化以及焊接夾具設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)加快焊接程序的編制、縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間及焊接過(guò)程位置信息的準(zhǔn)確獲取具有重要應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，仿真技術(shù)也運(yùn)用于焊縫質(zhì)量的評(píng)估及焊后的應(yīng)力與變形預(yù)測(cè)。在新車(chē)型設(shè)計(jì)階段還可以對(duì)多種材料的連接方式及疲勞性能、沖擊性能等進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)對(duì)接頭的仿真作出適用性評(píng)價(jià)。
    以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為平臺(tái)的焊接生產(chǎn)過(guò)程信息系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)焊接生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量分析與優(yōu)化、企業(yè)的管理與決策有著非常重要的意義。
    總之，通過(guò)大力開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的焊接新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備、應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，輕便靈巧的智能設(shè)備及計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，汽車(chē)工業(yè)必將取得更大的進(jìn)步.