汽車制造焊接新技術(shù)應(yīng)用與總體發(fā)展趨勢(shì)

   焊接是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開(kāi)焊接技術(shù)的應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了汽車制造中焊接新技術(shù)的應(yīng)用情況與總體發(fā)展趨勢(shì)。  

    焊接是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開(kāi)焊接技術(shù)的應(yīng)用。在汽車零部件的制造中，點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)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(diǎn)焊、氣體保護(hù)焊、釬焊具有生產(chǎn)量大，自動(dòng)化程度高，高速、低耗、焊接變形小、易操作的特點(diǎn)，所以對(duì)汽車車身薄板覆蓋零部件特別適合，因此，在汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最多。在投資費(fèi)用中點(diǎn)焊約占75%，其他焊接方法只占25%。  

    隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車車身焊裝生產(chǎn)線也在逐漸向全自動(dòng)化方向發(fā)展，為了趕上國(guó)際水平，在提高產(chǎn)量的同時(shí)，要求努力提高汽車制造質(zhì)量。眾所周知，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的前提是零部件的制造精度要很高，希望焊接變形最小，焊接部位外觀要清爽，故要求焊接技術(shù)越來(lái)越高。我國(guó)面臨加入WTO的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，焊接方面新技術(shù)的推廣應(yīng)用對(duì)汽車工業(yè)的品牌提升有著極其重要的作用。  

    一、汽車工業(yè)所用的焊接方法及零部件的應(yīng)用情況  

    汽車制造業(yè)是焊接應(yīng)用面最廣的行業(yè)之一，所用的焊接方法也種類繁多，其應(yīng)用情況如下：  

    1.電阻焊  

    (1)點(diǎn)焊 主要用于車身總成、地板、車門(mén)、側(cè)圍、后圍、前橋和小零部件等。  

    (2)多點(diǎn)焊 用于車身底板、載貨車車廂、車門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和行李箱蓋等。  

    (3)凸焊及滾凸焊 用于車身零部件、減震器閥桿、制動(dòng)蹄、螺釘、螺帽和小支架等。  

    (4)縫焊 用于車身頂蓋雨檐、減震器封頭、油箱、消聲器和機(jī)油盤(pán)等。  

    (5)對(duì)焊 用于鋼圈、排進(jìn)氣閥桿、刀具等。  

    2.電弧焊  

    (1)CO2保護(hù)焊 用于車箱、后橋、車架、減震器閥桿、橫梁、后橋殼管、傳動(dòng)軸、液壓缸和千斤頂?shù)鹊暮附印?nbsp; 

    (2)氬弧焊 用于機(jī)油盤(pán)、鋁合金零部件的焊接和補(bǔ)焊。  

    (3)焊條電弧焊 用于厚板零部件如支架、備胎架、車架等。  

    (4)埋弧焊 用于半橋套管、法蘭、天然氣汽車的壓力容器等。  

    3.特種焊  

    (1)摩擦焊 用于汽車閥桿、后橋、半軸、轉(zhuǎn)向桿和隨車工具等。  

    (2)電子束焊 用于齒輪、后橋等。  

    (3)激光焊割 用于車身底板、齒輪、零件下料及修邊等。  

    4.氧乙炔焊  

    用于車身總成的補(bǔ)焊。  

    5.釬焊  

    用于散熱器、銅和鋼件、硬質(zhì)合金的焊接。  

    二、汽車工業(yè)中焊接新技術(shù)的應(yīng)用  

    現(xiàn)今，汽車工業(yè)中的先進(jìn)焊接技術(shù)很多，這里只列舉出與車身焊接相關(guān)的焊接新技術(shù)。  

    1.電阻焊的節(jié)能及控制技術(shù)  

    (1)聯(lián)體懸掛式點(diǎn)焊機(jī) 汽車工業(yè)中應(yīng)用最多的是懸掛式點(diǎn)焊機(jī)，一個(gè)車間往往是幾十或上百臺(tái)，其容量大多在100kVA以上，在汽車薄板的焊接中得到了廣泛的應(yīng)用。  

    (2)電阻焊機(jī) 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)展三相低頻電阻焊機(jī)、三相次級(jí)整流接觸焊機(jī)(已在普通型點(diǎn)焊機(jī)、縫焊機(jī)、凸焊機(jī)中 應(yīng)用)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)(可達(dá)0?9以上)的問(wèn)題。 同時(shí)還可進(jìn)一步節(jié)約電能，利于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的微機(jī)控制，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(jìn)一步減輕設(shè)備重量。  

    (3)電阻焊的控制 西南交通大學(xué)針對(duì)一工廠鋁合金車圈對(duì)焊研制成車圈焊接PLC(可編程控制器)智能控制器，對(duì)原機(jī)進(jìn)行了改造，解決了鋁合金車圈的焊接質(zhì)量問(wèn)題，提高了焊接生產(chǎn)率。后又同一工廠研制了PLC縫焊控制器，解決了對(duì)一般清理要求制件的縫焊問(wèn)題。通過(guò)這兩項(xiàng)控制器的研制，證明了PLC比單片微機(jī)控制器抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；比工控機(jī)控制器體積小、成本低，使用通用的單相工頻交流電阻焊機(jī)完成了高難度的對(duì)焊及縫焊工作。  

    2.氣體保護(hù)焊接技術(shù)  

    (1)表面張力過(guò)渡的波形控制法 方法的關(guān)鍵是用2個(gè)電流脈沖完成1個(gè)熔滴過(guò)渡，第1個(gè)電流脈沖形成熔滴并使之長(zhǎng)大，直至熔滴與工件短路；第2個(gè)電流脈沖是1個(gè)短時(shí)窄脈沖并不斷檢測(cè)其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，使熔滴頸部收縮變細(xì)，最后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 利用逆變電源良好的動(dòng)特性和靈活的可控性，采用波形控制，在短路階段初期抑制電流上升，以減少電磁力在剛形成小橋時(shí)熔滴過(guò)渡的阻礙和爆斷，減少大顆粒飛濺，并利于熔滴在熔池?cái)傞_(kāi)；當(dāng)熔滴在熔池?cái)傞_(kāi)后，使電流迅速上升，以加速形成縮頸，以后再慢速上升到一較低峰值，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(TIG)和熔化極(MIG)兩種，均用于汽車工業(yè)有色金屬和高合金鋼焊接中。為了改善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.高能束熱源焊接及加工技術(shù)  

    高能束熱源是指能量密度已大于5×108W/m2的熱源(電子束、離子束和激光)，在汽車工業(yè)中均有應(yīng)用，目前國(guó)外發(fā)展的新技術(shù)有：  

    (1)激光和電弧復(fù)合加熱焊接 激光焊接可焊出窄而深的焊縫，電弧焊接可焊出寬而淺的焊縫；前者投資大，后者成本低，兩者特性組合，會(huì)大大提高焊接效率。激光和電弧復(fù)合加熱焊接的焊炬設(shè)計(jì)特別重要，兩熱源的夾角要盡可能小，焊炬也設(shè)計(jì)成激光+雙電弧電源。  

    該方法已在4～8mm厚的鋼結(jié)構(gòu)中使用，正擬用于更薄的汽車部件生產(chǎn)和鋁合金焊接中。激光除了在焊接及精密切割中應(yīng)用外，還在摩擦面形成儲(chǔ)油細(xì)花紋或重熔復(fù)合層，以提高耐磨性方面應(yīng)用。  

    (2)等離子體的應(yīng)用 氬氣保護(hù)的等離子焊接切割早已在各行業(yè)應(yīng)用，主要用于合金鋼和有色金屬加工。目前空氣等離子切割已普遍應(yīng)用于一般鋼鐵和有色金屬的切割，國(guó)內(nèi)鐵路客車廠引進(jìn)了水下等離子切割，以減少變形和提高精度。發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥體早已采用填充圈等離子焊接。近十幾年來(lái)粉末等離子堆焊有很大發(fā)展，可進(jìn)行小熔合比的薄層料精細(xì)堆焊，能堆焊各種特種合金表面。  

    三、汽車工業(yè)中焊接新材料的發(fā)展趨勢(shì)  

    隨著轎車發(fā)展的日趨緊湊小型化、輕量化、新材料的應(yīng)用使轎車材料構(gòu)成發(fā)生了明顯改變，未來(lái)轎車車身材料仍以鋼板為主，為使鋼板厚度減薄，將廣泛采用高強(qiáng)度鋼板。同時(shí)為了提高車身的防腐蝕性能，世界上不少汽車廠家在轎車生產(chǎn)中大量應(yīng)用了鍍鋅鋼板。另外，還使用鋁合金、塑料及陶瓷等材料。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)末并不會(huì)在大批量轎車生產(chǎn)中出 現(xiàn)全鋁車身或全塑車身。  

    1.鍍鋅鋼板  

    在美國(guó)焊接學(xué)會(huì)分會(huì)的會(huì)議上討論汽車工業(yè)中應(yīng)用的金屬板焊接問(wèn)題時(shí)，有關(guān)專家指出，焊接鍍鋅鋼板最有前途的方法是激光焊接。但是由于該過(guò)程現(xiàn)在自動(dòng)化程度還不夠，必須完善汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的接觸點(diǎn)焊方法。這種方法的主要缺點(diǎn)是在焊件與電極接觸中鋅的大量過(guò)渡而使電極燒損較快。故建議使用Al2O3彌散微粒強(qiáng)化的Cu-Zn和Cu-Cr合金制造的電極，可在最小電抗下焊接，以保證獲得最小的焊接接頭尺寸。  

    2.高強(qiáng)度鋼板  

    為了實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，提高汽車安全性能，高強(qiáng)度鋼板在汽車中的應(yīng)用正在逐年增加，現(xiàn)今出現(xiàn)了新一代的高強(qiáng)度鋼板材料——超細(xì)晶粒鋼。該鋼種主要指在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)一步提高的基礎(chǔ)上，鋼鐵材料的強(qiáng)度、韌性比現(xiàn)有的鋼材提高一倍。新一代超細(xì)晶粒鋼在組織結(jié)構(gòu)上具有超細(xì)晶粒、高潔凈度、高均勻度的特性。  

    當(dāng)前用于研究的新一代超細(xì)晶粒鋼主要有400MPa級(jí)和800MPa級(jí)兩種。  

    在對(duì)新一代鋼鐵的研究上，我國(guó)與國(guó)際水平并沒(méi)有什么差距，幾乎是同時(shí)起步，同日、韓兩國(guó)共處世界的領(lǐng)先地位。但是由于出現(xiàn)的時(shí)間較短，所以參與研究的單位也并不很多，主要是以鋼鐵研究總院和清華大學(xué)機(jī)械系為主。在對(duì)超細(xì)晶粒鋼的焊接技術(shù)進(jìn)行一定的研究后，取得了一些先進(jìn)成果。  

    3.鋁合金  

    鋁合金具有重量輕、強(qiáng)度高及抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的建筑材料，汽車工業(yè)中也逐漸在使用鋁合金材料的零部件。鋁合金焊接有五個(gè)主要的特點(diǎn)：  

    (1)鋁合金表面有一層致密的氧化薄膜(熔點(diǎn)約2050℃)，焊接時(shí)如未能將其清除，將會(huì)影響基本金屬的熔化質(zhì)量，形成夾雜等質(zhì)量問(wèn)題。  

    (2)熱導(dǎo)率大(約為鋼的4倍)，導(dǎo)電性好，焊接時(shí)若要達(dá)到與鋼相同的焊速，則焊接熱輸入要比焊鋼時(shí)大2～4倍。  

    (3)線膨脹系數(shù)大，焊件有產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力、變形及裂紋的傾向。  

    (4)易出現(xiàn)氣孔。  

    (5)鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度降低。  

    鋁合金焊接的這些特點(diǎn)，正是我們?cè)谘兄坪附釉O(shè)備和焊接工藝時(shí)應(yīng)認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題，只有這樣才能開(kāi)發(fā)出適合鋁合金焊接的設(shè)備、材料和焊接工藝。  

    四、汽車工業(yè)焊接的總體發(fā)展趨勢(shì)  

    1?發(fā)展自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)  

    縱觀整個(gè)汽車工業(yè)的焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車工業(yè)的焊接發(fā)展趨勢(shì)為：發(fā)展自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機(jī)器人，因集自動(dòng)化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點(diǎn)于一身，故轎車生產(chǎn)近年來(lái)大規(guī)模、迅速地使用了機(jī)器人。在焊接方面，主要使用的是點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。 

    焊接生產(chǎn)線要高度自動(dòng)化，廣泛采用6自由度的機(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。  

    2?發(fā)展輕便組合式智能自動(dòng)焊機(jī)  

    國(guó)內(nèi)汽車焊接水平與國(guó)外相比差距很大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的汽車制造廠都非常重視焊接的自動(dòng)化。如一汽引進(jìn)的捷達(dá)車身焊裝車間的13條生產(chǎn)線的自動(dòng)化率達(dá)80%以上。各條線都由計(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。焊接由R30型極坐標(biāo)式機(jī)器人和G60肘節(jié)式機(jī)器人61臺(tái)進(jìn)行，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)由微機(jī)控制，數(shù)字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入 和輸出程序。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。  

    類似的高水平的生產(chǎn)線，在上海、武漢等地都有合資及引進(jìn)，包括了德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)和日本的先進(jìn)汽車制造技術(shù)。但這些畢竟還 遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)民族汽車工業(yè)迅速發(fā)展的需要，我們必須堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，大力加速發(fā)展高效節(jié)能的焊接新材料、新工藝和新設(shè)備，發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，發(fā)展輕便靈巧的智能設(shè)備，建立高效經(jīng)濟(jì)的焊接自動(dòng)化系統(tǒng)，必須用計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高檔次。  

    相信，在不久的將來(lái)，通過(guò)我們的共同努力，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的焊接技術(shù)會(huì)逐步縮短與國(guó)外先進(jìn)焊裝技術(shù)水平的差距，迎接WTO帶給汽車工業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。