車身輕量化制造中的焊接技術(shù)

    車身輕量化的發(fā)展趨勢促使許多輕質(zhì)高強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)量檢測技術(shù)帶來了一系列問題。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)定焊接過程，提高焊接質(zhì)量，而無損檢測技術(shù)很好地解決了質(zhì)檢中的問題。
    隨著全球環(huán)境和能源危機的日益加劇，節(jié)能減排逐漸成為新一代轎車設(shè)計和制造中面臨的重要問題。大量研究表明：燃油消耗的50%是由汽車的重量引起的，當整車質(zhì)量減輕10%，汽車的燃油經(jīng)濟性可提高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)一項新近的項目研究表明，使用輕質(zhì)高強材料可以將車身減重25%。目前，高強鋼的使用約占車身總用鋼量的30%左右，而這個比例還將進一步擴大。通常來說，把高強度鋼板分為普通高強鋼（HSS）和超級高強鋼（AHSS）。根據(jù)國際上對超輕鋼汽車的研究，把屈服強度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼板稱為高強度鋼，屈服強度大于550MPa的鋼板稱為超高強度鋼。其中，普通高強度鋼主要包括高強度無間隙原子鋼（IF）、鋁鎮(zhèn)靜鋼（AKDQ）、烘烤硬化鋼（BH）和高強度低合金鋼（HSLA）；超級高強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。高強鋼中的BH、IF高強鋼主要用作車門、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）用作保險杠、門梁等。圖1為各種先進高強鋼的延展性和強度特性對比，由此可見，雙相鋼具有較高的強度和較好的延伸率，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 各種先進高強鋼強度與延展性對比

    雙相鋼廣泛應(yīng)用在降低車重的同時，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，雙相鋼的點焊質(zhì)量控制和檢測也變得越來越重要。傳統(tǒng)的氣動焊槍的電極壓力由氣缸驅(qū)動，無法得到精確控制和保證，老式的交變電流焊機焊接電流不平穩(wěn)，且受網(wǎng)壓波動影響較大，已經(jīng)逐漸無法適應(yīng)新材料的焊接。近年來，新型伺服焊槍使用伺服電機驅(qū)動電極，能夠精確控制電極壓力。中頻逆變直流（MFDC）焊機以其快速的響應(yīng)速度、平穩(wěn)的電流控制，得到越來越廣泛的重視，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
    雙相鋼由于制備時采用特殊的相變強化處理工藝，從相圖上看，其馬氏體相變臨界曲線偏左，在進行電阻點焊時，熔化后的高溫奧氏體在保壓過程中，冷卻過程曲線會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，焊點十字拉伸強度及低周疲勞性能都不佳。采用常規(guī)的氣動焊槍和交流焊機進行焊接時，由于無法控制電極壓力及電流波動，為了保證焊接質(zhì)量，通常采用比較大的焊接電流，會造成焊接時產(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)氣動焊槍相比，伺服焊槍使用伺服馬達來帶動滾珠絲杠（Ball screw）或桿型絲杠（Roller screw）旋轉(zhuǎn)，以驅(qū)動電極桿直線上下運動，實現(xiàn)加壓和焊接的全過程。由于伺服馬達的數(shù)字化控制，與傳統(tǒng)氣動焊槍相比，伺服焊槍有如下特性：
1. 電極運動位置和速度精確可控，一方面可實現(xiàn)與工件的軟接觸，減少沖擊噪音，并延長電極壽命；另一方面，使電極打開幅度可控，機器人運行軌跡可實現(xiàn)最優(yōu)化，減少不必要的行程。
2. 整個焊接過程中的電極壓力可控，其壓力調(diào)節(jié)速度可達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；在進行管板焊接時，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，可以達到節(jié)能的效果。
4. 通過伺服電機編碼器反饋的動態(tài)電極位移信息可間接反映焊點質(zhì)量，為焊點質(zhì)量在線監(jiān)測提供了可能。
    中頻逆變直流焊機（MFDC）是將工頻（50Hz）交流變換為中頻（1 000Hz）直流輸出，時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)交流焊機相比，有如下特性：
1. 焊接質(zhì)量：工頻交流焊機的調(diào)節(jié)周期較長，對50Hz的電網(wǎng)，焊接時間調(diào)節(jié)分辨率為20ms。逆變直流點焊機時間調(diào)節(jié)分辨率可達1ms（1 000Hz逆變頻率），控制精度高。逆變焊機反饋控制的響應(yīng)速度明顯加快，輸出穩(wěn)定性好。工頻交流焊機由于電流過零的影響，熱效率低，用晶閘管調(diào)節(jié)電流，當電流百分比偏小時，過零時間長，影響更大；逆變直流點焊機輸出電流為脈動直流，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：工頻交流焊機因電流過零的影響，加熱時間相對較長。逆變電阻點焊機為直流輸出，加熱集中，焊接時間縮短。
3. 節(jié)能效果：工頻交流點焊機工作在50Hz，變壓器損耗大，焊機功率因素低，回路損耗大。逆變焊機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。逆變直流電阻點焊機變壓器大大減小，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)氣動焊槍＋交流焊接控制器，在焊接0.8mm＋0.8mm雙相鋼DP600時，選用同樣焊接參數(shù)（304kfg，240ms，9～12kA）的情況下，焊接質(zhì)量對比如圖3a所示，新設(shè)備的焊點熔核尺寸比傳統(tǒng)設(shè)備要大0.2mm左右，而焊點拉剪力要大300kN左右，有效提高了焊點質(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氣動焊槍＋交流

焊點質(zhì)量檢測工藝改進
    高強鋼的焊點由于含有比較多的馬氏體，在性能上會表現(xiàn)出一定的脆性。使用傳統(tǒng)的鑿檢法進行焊點質(zhì)量檢測時，會出現(xiàn)從焊點界面撕裂的情形（如圖4），這就需要對焊點進行修補，在一定程度上，增加了焊接成本。因此，對于高強鋼點焊質(zhì)量檢測而言，適合采用無損檢測法。

圖4 雙相鋼的焊點界面撕裂

    高強鋼焊點無損檢測方法除了在線實時采集焊接過程信號來進行判斷之外，還有焊后的離線無損檢測方法。其中，最常用的是超聲波無損探傷方法（如圖5），它是利用超聲波在焊點界面反射或穿透點焊熔核時的聲波衰減程度和回波間隔來判斷焊點質(zhì)量的好壞。操作者手持探頭，配合耦合劑，探頭緊貼焊點表面，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，來判斷焊點質(zhì)量好壞。

圖5 焊點質(zhì)量超聲波無損檢測法

1. 合格焊點：回波序列的波幅相應(yīng)快速遞減。這是因為焊核金屬的晶粒較母材粗大，聲波穿過時，能量衰減也大。回波的間隔反映焊點的厚度。
2. 焊核熔深不夠：此時顯示長的回波序列。原因是聲波穿過較少的焊核區(qū)域，聲能衰減相應(yīng)減少。
3. 焊核直徑太小：此時在正常的回波信號中間會出現(xiàn)中間波，它是由母材界面引起的反射波，通過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必須考慮焊核直徑的緣故。
4. 虛焊：在正常的回波信號序列后半段，顯示中間缺陷波，同時回波序列較長。
5. 漏焊：聲波未能進入第二層板，回波序列顯示非常多的底波信號。
6. 過燒：回波序列顯示只有少量回波。此時焊核區(qū)域過大，聲能衰減非常嚴重。
    上海通用公司的超聲波點焊檢測設(shè)備使用4.5mm直徑高頻（20MHz）探頭，對高強鋼底板的鑿檢盲區(qū)進行超聲波檢測，配合少量的傳統(tǒng)破壞性檢測，構(gòu)成嚴密的三級檢查體系。根據(jù)產(chǎn)量和抽檢批次，抽取車輛進行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)缺陷后，對缺陷焊點進行破壞性檢測來驗證檢查結(jié)果。其探測的焊點占總數(shù)的50%以上，準確率達95%以上，在實際使用中取得了良好的效果。
    綜上所述，車身輕量化趨勢中應(yīng)用的高強鋼組織跟普通低碳鋼不盡相同，傳統(tǒng)的焊接設(shè)備及檢測方法也逐漸無法滿足高強鋼的焊接要求。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)定焊接過程，提高焊接質(zhì)量。在焊點質(zhì)量檢測方法方面，實時的電極壓力監(jiān)測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)檢中的問題，為雙相鋼的進一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)