車身輕量化制造中的焊接技術(shù)

    車身輕量化的發(fā)展趨勢(shì)促使許多輕質(zhì)高強(qiáng)鋼被引入到車身制造業(yè)中，新材料的應(yīng)用一方面降低了汽車自重，另一方面也給連接技術(shù)及接頭質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了一系列問(wèn)題。使用新型的伺服焊槍和中頻逆變直流控制器能夠很好的穩(wěn)定焊接過(guò)程，提高焊接質(zhì)量，而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)很好地解決了質(zhì)檢中的問(wèn)題。
    隨著全球環(huán)境和能源危機(jī)的日益加劇，節(jié)能減排逐漸成為新一代轎車設(shè)計(jì)和制造中面臨的重要問(wèn)題。大量研究表明：燃油消耗的50%是由汽車的重量引起的，當(dāng)整車質(zhì)量減輕10%，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3.8%，CO2排放量減少4.5%。因此，減少汽車自身重量是降低燃油消耗的最有效措施。車身的輕量化技術(shù)是現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的一大主流。
    據(jù)一項(xiàng)新近的項(xiàng)目研究表明，使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料可以將車身減重25%。目前，高強(qiáng)鋼的使用約占車身總用鋼量的30%左右，而這個(gè)比例還將進(jìn)一步擴(kuò)大。通常來(lái)說(shuō)，把高強(qiáng)度鋼板分為普通高強(qiáng)鋼（HSS）和超級(jí)高強(qiáng)鋼（AHSS）。根據(jù)國(guó)際上對(duì)超輕鋼汽車的研究，把屈服強(qiáng)度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼板稱為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度大于550MPa的鋼板稱為超高強(qiáng)度鋼。其中，普通高強(qiáng)度鋼主要包括高強(qiáng)度無(wú)間隙原子鋼（IF）、鋁鎮(zhèn)靜鋼（AKDQ）、烘烤硬化鋼（BH）和高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）；超級(jí)高強(qiáng)度鋼主要包括雙相鋼（DP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）、馬氏體鋼（MS）等。高強(qiáng)鋼中的BH、IF高強(qiáng)鋼主要用作車門(mén)、引擎罩、擋泥板和懸掛件等；DP和TRIP用作內(nèi)板、底板和車輪等；馬氏體鋼（MS）用作保險(xiǎn)杠、門(mén)梁等。圖1為各種先進(jìn)高強(qiáng)鋼的延展性和強(qiáng)度特性對(duì)比，由此可見(jiàn)，雙相鋼具有較高的強(qiáng)度和較好的延伸率，已經(jīng)成為車身制造中應(yīng)用前景最廣泛的一種新型材料。

圖1 各種先進(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度與延展性對(duì)比

    雙相鋼廣泛應(yīng)用在降低車重的同時(shí)，也給車身連接裝配提出了新的要求。電阻焊作為車身制造中最重要的連接工藝之一，雙相鋼的點(diǎn)焊質(zhì)量控制和檢測(cè)也變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的氣動(dòng)焊槍的電極壓力由氣缸驅(qū)動(dòng)，無(wú)法得到精確控制和保證，老式的交變電流焊機(jī)焊接電流不平穩(wěn)，且受網(wǎng)壓波動(dòng)影響較大，已經(jīng)逐漸無(wú)法適應(yīng)新材料的焊接。近年來(lái)，新型伺服焊槍使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電極，能夠精確控制電極壓力。中頻逆變直流（MFDC）焊機(jī)以其快速的響應(yīng)速度、平穩(wěn)的電流控制，得到越來(lái)越廣泛的重視，為新材料的焊接質(zhì)量控制提供了良好的解決方案。 
雙相鋼焊接工藝改進(jìn)
    雙相鋼由于制備時(shí)采用特殊的相變強(qiáng)化處理工藝，從相圖上看，其馬氏體相變臨界曲線偏左，在進(jìn)行電阻點(diǎn)焊時(shí)，熔化后的高溫奧氏體在保壓過(guò)程中，冷卻過(guò)程曲線會(huì)穿越其馬氏體相變臨界區(qū)域，致使焊后熔核中形成不同含量和分布的馬氏體，導(dǎo)致熔核區(qū)比較脆，焊點(diǎn)十字拉伸強(qiáng)度及低周疲勞性能都不佳。采用常規(guī)的氣動(dòng)焊槍和交流焊機(jī)進(jìn)行焊接時(shí)，由于無(wú)法控制電極壓力及電流波動(dòng)，為了保證焊接質(zhì)量，通常采用比較大的焊接電流，會(huì)造成焊接時(shí)產(chǎn)生很大的飛濺。新型伺服焊槍和中頻逆變直流焊接電流控制器的引入，使焊接過(guò)程中的電極壓力和電流控制成為可能。

圖2 伺服焊槍結(jié)構(gòu)圖

    上海通用現(xiàn)場(chǎng)的伺服焊槍有C型、X型和P型，以C型槍為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)氣動(dòng)焊槍相比，伺服焊槍使用伺服馬達(dá)來(lái)帶動(dòng)滾珠絲杠（Ball screw）或桿型絲杠（Roller screw）旋轉(zhuǎn)，以驅(qū)動(dòng)電極桿直線上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加壓和焊接的全過(guò)程。由于伺服馬達(dá)的數(shù)字化控制，與傳統(tǒng)氣動(dòng)焊槍相比，伺服焊槍有如下特性：
1. 電極運(yùn)動(dòng)位置和速度精確可控，一方面可實(shí)現(xiàn)與工件的軟接觸，減少?zèng)_擊噪音，并延長(zhǎng)電極壽命；另一方面，使電極打開(kāi)幅度可控，機(jī)器人運(yùn)行軌跡可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，減少不必要的行程。
2. 整個(gè)焊接過(guò)程中的電極壓力可控，其壓力調(diào)節(jié)速度可達(dá)200kgf/cycle（10kgf/ms），能夠很好地避免和抑制飛濺，有效保證和提高焊接質(zhì)量；在進(jìn)行管板焊接時(shí)，電極壓力可調(diào)的特性能夠減少管的焊接變形，防止裂紋產(chǎn)生。
3. 采用伺服焊槍電能的消耗成本低于壓縮空氣的消耗成本，可以達(dá)到節(jié)能的效果。
4. 通過(guò)伺服電機(jī)編碼器反饋的動(dòng)態(tài)電極位移信息可間接反映焊點(diǎn)質(zhì)量，為焊點(diǎn)質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)提供了可能。
    中頻逆變直流焊機(jī)（MFDC）是將工頻（50Hz）交流變換為中頻（1 000Hz）直流輸出，時(shí)間分辨率比工頻提高，控制精度也提高，并且輸出電流不受次級(jí)輸出回路變化影響，熱效率也較高，輸出功率也很大，焊接質(zhì)量也更好。與傳統(tǒng)交流焊機(jī)相比，有如下特性：
1. 焊接質(zhì)量：工頻交流焊機(jī)的調(diào)節(jié)周期較長(zhǎng)，對(duì)50Hz的電網(wǎng)，焊接時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率為20ms。逆變直流點(diǎn)焊機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)1ms（1 000Hz逆變頻率），控制精度高。逆變焊機(jī)反饋控制的響應(yīng)速度明顯加快，輸出穩(wěn)定性好。工頻交流焊機(jī)由于電流過(guò)零的影響，熱效率低，用晶閘管調(diào)節(jié)電流，當(dāng)電流百分比偏小時(shí)，過(guò)零時(shí)間長(zhǎng)，影響更大；逆變直流點(diǎn)焊機(jī)輸出電流為脈動(dòng)直流，在回路電感的作用下為連續(xù)直流輸出，熱效率高，焊接熱輸入穩(wěn)定。
2. 焊接速度：工頻交流焊機(jī)因電流過(guò)零的影響，加熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)為直流輸出，加熱集中，焊接時(shí)間縮短。
3. 節(jié)能效果：工頻交流點(diǎn)焊機(jī)工作在50Hz，變壓器損耗大，焊機(jī)功率因素低，回路損耗大。逆變焊機(jī)變壓器工作在較高的頻率，損耗很小，直流輸出改善功率因素，節(jié)能效果明顯。
4. 設(shè)備體積與重量：工頻交流焊機(jī)的變壓器鐵心較大，同樣功率條件下設(shè)備較笨重。逆變直流電阻點(diǎn)焊機(jī)變壓器大大減小，設(shè)備較輕巧。 
    使用伺服焊槍＋中頻逆變直流焊接控制器與傳統(tǒng)氣動(dòng)焊槍＋交流焊接控制器，在焊接0.8mm＋0.8mm雙相鋼DP600時(shí)，選用同樣焊接參數(shù)（304kfg，240ms，9～12kA）的情況下，焊接質(zhì)量對(duì)比如圖3a所示，新設(shè)備的焊點(diǎn)熔核尺寸比傳統(tǒng)設(shè)備要大0.2mm左右，而焊點(diǎn)拉剪力要大300kN左右，有效提高了焊點(diǎn)質(zhì)量。在可焊性方面，如圖3b所示，新設(shè)備的可焊性比傳統(tǒng)設(shè)備要高0.4kA，有效改善了雙相鋼的可焊性。

圖3 伺服焊槍＋中頻直流Vs氣動(dòng)焊槍＋交流

焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)工藝改進(jìn)
    高強(qiáng)鋼的焊點(diǎn)由于含有比較多的馬氏體，在性能上會(huì)表現(xiàn)出一定的脆性。使用傳統(tǒng)的鑿檢法進(jìn)行焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)從焊點(diǎn)界面撕裂的情形（如圖4），這就需要對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)，在一定程度上，增加了焊接成本。因此，對(duì)于高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)而言，適合采用無(wú)損檢測(cè)法。

圖4 雙相鋼的焊點(diǎn)界面撕裂

    高強(qiáng)鋼焊點(diǎn)無(wú)損檢測(cè)方法除了在線實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程信號(hào)來(lái)進(jìn)行判斷之外，還有焊后的離線無(wú)損檢測(cè)方法。其中，最常用的是超聲波無(wú)損探傷方法（如圖5），它是利用超聲波在焊點(diǎn)界面反射或穿透點(diǎn)焊熔核時(shí)的聲波衰減程度和回波間隔來(lái)判斷焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞。操作者手持探頭，配合耦合劑，探頭緊貼焊點(diǎn)表面，并與工件表面垂直，根據(jù)監(jiān)視器顯示的超聲波曲線波形寬度和幅度等變化，來(lái)判斷焊點(diǎn)質(zhì)量好壞。

圖5 焊點(diǎn)質(zhì)量超聲波無(wú)損檢測(cè)法

1. 合格焊點(diǎn)：回波序列的波幅相應(yīng)快速遞減。這是因?yàn)楹负私饘俚木Я］^母材粗大，聲波穿過(guò)時(shí)，能量衰減也大�；夭ǖ拈g隔反映焊點(diǎn)的厚度。
2. 焊核熔深不夠：此時(shí)顯示長(zhǎng)的回波序列。原因是聲波穿過(guò)較少的焊核區(qū)域，聲能衰減相應(yīng)減少。
3. 焊核直徑太�。捍藭r(shí)在正常的回波信號(hào)中間會(huì)出現(xiàn)中間波，它是由母材界面引起的反射波，通過(guò)它能鑒別焊核直徑是否小于聲束直徑，這就是為什么在選擇探頭直徑時(shí)必須考慮焊核直徑的緣故。
4. 虛焊：在正常的回波信號(hào)序列后半段，顯示中間缺陷波，同時(shí)回波序列較長(zhǎng)。
5. 漏焊：聲波未能進(jìn)入第二層板，回波序列顯示非常多的底波信號(hào)。
6. 過(guò)燒：回波序列顯示只有少量回波。此時(shí)焊核區(qū)域過(guò)大，聲能衰減非常嚴(yán)重。
    上海通用公司的超聲波點(diǎn)焊檢測(cè)設(shè)備使用4.5mm直徑高頻（20MHz）探頭，對(duì)高強(qiáng)鋼底板的鑿檢盲區(qū)進(jìn)行超聲波檢測(cè)，配合少量的傳統(tǒng)破壞性檢測(cè)，構(gòu)成嚴(yán)密的三級(jí)檢查體系。根據(jù)產(chǎn)量和抽檢批次，抽取車輛進(jìn)行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)缺陷后，對(duì)缺陷焊點(diǎn)進(jìn)行破壞性檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證檢查結(jié)果。其探測(cè)的焊點(diǎn)占總數(shù)的50%以上，準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。
    綜上所述，車身輕量化趨勢(shì)中應(yīng)用的高強(qiáng)鋼組織跟普通低碳鋼不盡相同，傳統(tǒng)的焊接設(shè)備及檢測(cè)方法也逐漸無(wú)法滿足高強(qiáng)鋼的焊接要求。以雙相鋼為例，使用新型的伺服焊槍和中頻逆變直流控制器能夠很好的穩(wěn)定焊接過(guò)程，提高焊接質(zhì)量。在焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)方法方面，實(shí)時(shí)的電極壓力監(jiān)測(cè)方法和抽樣的超聲波探傷法都能夠很好地解決雙相鋼質(zhì)檢中的問(wèn)題，為雙相鋼的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)