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淺析車身焊接技術現狀及發展趨勢論文

來源:愛文章網 日期:2019-09-05 07:05:01 分類:論文 閱讀:

  1前言

  目前國內汽車廠家采用的車身焊接技術主要是電阻焊、電弧焊、激光焊。在車身制造中應用最多的為電阻焊接技術,通過電阻點焊技術將數目眾多的薄板零件連接起來形成白車身總成。由于汽車車身結構復雜,在有些部位難以實現點焊,或由于零件裝配問題,厚度相差太大等因素,為了完成不同零件之間的連接,少數位置采用了電弧焊接技術。

  激光焊接技術在車身制造領域應用的時間比較短,但由于其優點較多,目前已經在國外汽車公司得到大量應用,國內有些主流汽車廠家也在逐步采用。

  2電阻焊技術

  電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間,通以電流,利用電流流經工件接觸面及鄰近區域生產的電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態,使之形成金屬結合的焊接方法。電阻焊主要分為點焊、凸焊、縫焊、對焊。在車身制造領域應用最多的電阻焊技術是點焊,其次是凸焊,在車身制造中沒有應用縫焊及對焊技術。

  2.1點焊技術

  點焊由于生產效率高、操作簡單、焊接變形小、易于實現機械化和自動化等優點,在車身制造中應用最為廣泛;目前點焊工藝依然是國內外各大轎車廠家車身焊接方法中最重要的方法。通常一個轎車車身有3000~5000個焊點。焊點的裝配關系主要有兩種:兩層鋼板和三層鋼板;四層鋼板焊接在少數情況也可以獲得合格的焊點,但其對鋼板強度、鋼板厚度及裝配關系的要求很高,且焊接時飛濺大,焊點壓痕深,焊點疲勞強度有所下降,因此四層鋼板點焊需要謹慎使用。

  電阻焊是電能轉化為熱能的焊接方法,計算公式如下。

  Q=I2RT(1)

  式中,Q為產生的熱量;I為焊接電流;R為焊接電阻;T為焊接時間。

  焊接電阻包括電極與工件之間的接觸電阻、工件與工件之間的接觸電阻、以及工件本身的電阻。其中接觸電阻與焊接壓力有直接的關系,要獲得合格的焊點,需要合適的焊接壓力。

  形成一個合格焊點需要三個主要因素,即焊接電流、焊接時間和焊接壓力。每個焊點的具體焊接參數值由鋼板厚度、鋼板強度、鋼板鍍層情況及鋼板裝配狀態等因素綜合決定。焊點質量水平是衡量車身質量的重要指標,影響焊點質量的因素較多,即零件裝配狀態、鋼板鍍鋅層厚度、焊點間距、零件結構、電極對中狀態、焊鉗冷卻狀態、電極帽修磨狀態、夾具是否分流、程序轉換開關是否失效、焊接參數值是否合理等,在出現焊接質量問題時,應需從多方面進行分析。

  2.2點焊設備

  目前,點焊的設備類型主要分為兩大類:手工焊鉗和機器人焊鉗。

  手工焊鉗的主要元件包括阻焊變壓器、焊鉗控制器、氣缸、鉗體、鉗臂、水電氣管等。手工焊鉗分為分體式手工焊鉗和一體式手工焊鉗。分體式手工焊鉗,其阻焊變壓器與鉗體分離,中間采用較長的次級電纜相連接,能耗比較高,價格便宜,前些年在國內汽車廠家應用十分廣泛;由于不符合節能環保的要求,能耗高,次級電纜容易損壞,近些年逐步被淘汰。一體式手工焊鉗,其阻焊變壓器與鉗體直接連接,無次級電纜損耗,價格稍高,但由于其節能、效率高、易于操作等特點,最近幾年已經在國內主流汽車廠家得到大量采用。手工焊鉗無論分體式還是一體式,焊鉗控制器都采用了微處理器技術,根據鋼板零件裝配情況可以對焊接電流、焊接壓力、焊接時間、電流遞增臺階、電極修磨記數等參數值進行設置;其中一體式焊鉗的控制器最多可以設置64套焊接參數程序,利用焊接參數程序轉換開關,一把焊鉗可以焊接多種不同裝配的焊點;且控制器具有故障自診斷功能,當設備出現故障時,控制器會出現故障代碼,極大地提高了設備維修效率。

  機器人焊鉗也分為兩類:氣動機器人焊鉗和伺服電機機器人焊鉗。氣動機器人焊鉗由氣缸、鉗體、阻鉗變壓器、具有補償功能的浮動機構、上下電極組件及電極等部件組成。通過壓縮空氣驅動氣缸進而帶動焊鉗上下電極夾緊至預先設定壓力以完成焊接動作。由于氣動焊鉗在焊接加壓時無法精確控制電極移動速度,對工件沖擊較大,容易使工件產生變形、焊接飛濺、焊接時噪音較大等缺點,已經逐步被伺服電機機器人焊鉗所取代。伺服電機焊鉗與氣動焊鉗主要區別在于伺服焊鉗焊接壓力采用的是伺服電機驅動,用伺服電機代替氣動焊鉗中的氣缸。伺服電機輸出的是旋轉運動,通過滾珠絲杠轉化為焊鉗電極的上下運行。在伺服焊鉗機械結構中滾珠絲杠是最重要的機械元件,由絲杠、螺母、滾珠等零件組成,具有驅動力矩小、精度高、可實現低速進給及高速進給、剛性高、可逆性強等特點,保證了伺服焊鉗功能的實現。

  2.3凸焊技術

  在車身制造領域中凸焊技術主要應用于焊接螺釘,螺母類零件或小件;通常情況下,單個車身使用的螺釘或螺母件數量超過兩百個。凸焊實際上是點焊的一個變形,通常在螺釘或螺母上沖出凸點或凸環,或在小件上沖出凸點。凸焊焊接時由于電流集中,克服了點焊時因零件厚度不同而造成的熔核偏移,零件的厚度比可以超過6∶1,而點焊工藝不同零件的厚度比通常不超過4∶1。凸焊時,電極要隨著凸點或凸環被壓潰而迅速下降,否則會因為壓力上升緩慢產生噴濺或炸電極,因此凸焊設備的電極隨動性要好。在對螺釘或螺母類零件進行焊接時,焊接參數值通常采用大電流,焊接時間短,否則會容易導致螺紋變色,精度下降等問題。在焊接直徑為8mm的凸環螺釘時,焊接電流需達到30000A,凸焊設備功率要比常用點焊設備功率大的多。

  2.4電阻焊接技術的發展趨勢—中頻電阻焊

  目前汽車車身的發展方向是“輕量、安全、節能”,為此鍍鋅鋼板、高強度鋼板、鋁合金、鎂合金等新材料越來越廣泛地應用在車身制造中。傳統的工頻電阻焊技術已經難以滿足新材料的焊接要求。使用傳統的工頻電阻焊設備焊接鍍鋅鋼板和高強度鋼板,容易造成焊接飛濺,電極粘連,焊接毛刺等缺陷。中頻電阻焊由于動態響應速度快、控制精度高、焊接電流脈動小、加熱集中、焊接質量穩定等優點,能夠很好滿足鍍鋅鋼板和高強度鋼板焊接的技術要求,正在逐步應用在車身制造中。

  中頻電阻焊機工作原理,由三相交流電(380V/50Hz)經整流電路和濾波電容轉換成500V左右脈動直流電,再經由功率開關器件組成的逆變電路轉換成中頻方波(1000Hz),然后輸入變壓器降壓后,經大功率二極管整流成直流電供給電極對工件進行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調制(PWM)獲得穩定的恒電流輸出。

  中頻電阻焊的主要優點如下。

  a.與工頻交流電流相比,由于中頻逆變直流電流沒有明顯的峰值電流,電流波形平直,減少了焊接飛濺,提高了焊接質量。

  b.三相負荷均衡,不受電網波動的影響,即使在網壓波動+15%情況下,仍可將焊接電流精度控制在2%以下,且功率因素高。

  c.中頻變壓器體積小、質量輕,輸入熱量低,便于使用一體化焊鉗。尤其運用于機器人點焊操作時,可減輕機器人的負荷,而使用工頻焊接控制器時則需要載荷能力更大的機器人。

  d.中頻焊接控制器的調節反饋控制周期為千分之一秒,響應速度是工頻焊接控制器的20倍,能瞬時分析及調整焊接參數,焊接質量控制更精確。

  根據現場經驗可知,中頻電阻焊的焊接質量得到提高,焊接飛濺有大幅度的下降;不過能耗降低及電極帽壽命延長的優點并沒有能夠體現出來。

  3電弧焊技術

  電弧焊在車身制造應用時工件容易變形,尺寸不易控制,通常只有在難以實現點焊工藝的時候,才使用電弧焊技術來實現零件的連接。目前國內大多的汽車整車廠采用電弧焊工藝熔化極氣體保護焊,它包括CO2氣體保護焊、MAG焊、MIG焊。

  除了熔化極氣體保護焊之外,還有一種特殊的電弧焊工藝,即電弧螺柱焊。

  3.1熔化極氣體保護焊

  熔化極氣體保護焊是采用連續等速送進可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬,形成熔池和焊縫的焊接方法。根據不同的保護氣體和焊絲,熔化極氣體保護焊分為CO2氣體保護焊、MAG焊(保護氣體為氬氣加少量CO2或O2),及MIG焊(保護氣體為氬氣或氦氣)。

  由于CO2氣體保護焊具有焊接速度快,成本低及易與全位置焊接等特點,在大多數汽車廠家應用最廣泛,其缺點為飛濺大、煙塵大、焊縫成型不良、沖擊韌性低。與CO2氣體保護焊相比,MAG焊電弧燃燒穩定,飛濺小,焊縫成型美觀,沖擊韌性好;同時還克服了純氬氣保護時的表面張力大,液體金屬粘稠等問題。由于保護氣體成分主要是氬氣,MAG焊的使用成本比CO2氣體保護焊的使用成本要高。MAG焊和CO2氣體保護焊的焊絲通常采用H08Mn2SiA,低碳鋼中填加了硅錳元素以補償電弧燃燒時引起的焊縫合金元素的燒損。轎車車身零件厚度通常在0.67~3.0mm之間,對于厚度小于1.0mm的工件來言,使用MAG焊容易引起工件燒穿現象;為了減少工件燒穿現象的發生,一些汽車廠家在厚度小于1.0mm的工件上采用了MIG焊。MIG焊的焊絲成分為銅鋁合金,保護氣體為純氬氣。MIG焊和MAG焊不同點為MAG焊是熔焊,而MIG焊是高溫釬焊,在焊接過程中,通常工件(低碳鋼)不熔化,鋁青銅焊絲熔化滴到工件接口,熔化的金屬液體填充到工件縫隙中。從使用的效果來看,MIG焊在焊接厚度小于1.0mm的工件時,避免了工件易燒穿現象。使用MIG焊接工件,成本比較高,且釬焊焊接接頭強度不如熔焊接頭。

  對于熔化極氣體保護焊來說,如何精確控制熔滴過渡,減少或避免飛濺問題,一直是廣大焊接工作者關心和研究的問題。隨著焊接電源從電磁控制式發展到逆變式,這個問題得到了很大的改善。電磁控制式焊接電源是利用電感效應來調節焊接過程中電流、電壓,動態響應速度慢;逆變電源是利用電子電容器來控制焊接過程中電流、電壓的變化,動態響應速度很快,可以實時控制熔滴過渡過程,最大限度地避免飛濺現象。目前國內外電焊機廠家開發出了各具特色,性能優異的逆變弧焊機。

  3.2螺柱焊

  螺柱焊接具有快速,可靠、操作簡單等優點,可以替代鉚接、鉆孔等工藝。國內某汽車廠家的一個車身,螺柱使用量達到200個。螺柱焊主要有儲能式(電容放電)和拉弧式兩種方式。儲能式螺柱焊,焊接時間、焊接電流不可調,熔深很淺,在汽車行業的應用很少。目前汽車行業應用最多的是拉弧式螺柱焊,螺柱接觸工件后,扣動焊槍開關,螺柱被拉起,離開工件,然后工件與螺柱之間產生電弧,電弧產生的熱量熔化螺柱頂部法蘭和工件表面,隨后螺柱下降浸入工件表面形成的熔池里,設備斷電,熔池冷卻形成焊接接頭,焊接完畢。螺柱焊接時間非常短,以ms為單位,通常在20~40ms之間,汽車行業采用的這種螺柱焊接工藝也稱為短周期螺柱焊。

  螺柱焊設備焊接電源現在以逆變式電源為主,已經基本替代了晶閘管控制弧焊整流器電源。螺柱焊槍已經從氣動發展到電動,可通過彈簧的伸縮來控制螺柱的提升、下降過程,發展到伺服電機控制螺柱的運動,精確控制螺柱的運動行程,提高了螺柱焊接質量。現在螺柱焊接技術發展較快,自動化程度高,廣泛采用了計算機技術、模糊系統、專家系統程序等智能控制系統技術。螺柱焊設備不僅能精確設置和記錄、儲存焊接參數,而且能對焊接過程進行實時檢測,具有故障自我診斷專家系統,并能自動調節焊接參數,以保證焊接質量;且1臺焊接主機可以最多帶5把焊槍工作,極大地提高了焊接主機的利用率。

  國內汽車行業的螺柱焊機主要依靠進口,存在價格高、維修成本高的問題。目前通過國內焊接技術人員的不斷攻關,深圳和天津已經有焊機設備廠家研制出可用于汽車行業使用的螺柱焊接設備,螺柱焊接質量可以滿足生產要求;填補了國內螺柱焊設備制造領域的空白。

  4激光焊接

  由于激光焊接具有能量密度高、工件變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動控制、無后續加工的優點,近年來已經成為金屬材料加工與制造的重要手段。越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業、造船、海洋工程、核電設備等工業領域。

  汽車制造領域是當前最大規模使用激光焊接技術的行業,從汽車零部件生產到車身制造,激光焊接已經成為汽車制造的重要焊接方法。激光焊接在汽車車身制造中的應用主要包括激光拼焊板、激光釬焊、激光熔焊。

  4.1激光拼焊板

  激光拼焊板技術根據車身不同部位的性能要求,選擇強度等級相同或不同,厚度不同的鋼板,通過激光裁剪和拼焊在一起,然后再沖壓成車身零件。激光拼焊技術優點為減少了零件及模具的數量、縮短設計及開發周期、減少材料浪費;合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板,減少車身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高車身結構剛度和安全性。

  蒂森克虜伯公司與大眾公司合作,最早把此項技術應用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止,世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術,所涉及的汽車結構件如行李箱加強板、行李箱內板、減震器支座、后輪罩、側圍內板、前地板、前縱梁、保險杠、橫梁、輪罩、車門內板、中立柱等。

  4.2激光釬焊

  激光釬焊也稱激光填絲釬焊,其基本原理為激光發生器發出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱,使焊絲受熱熔化(工件未熔化)成高溫液態金屬浸潤工件連接處,填充接頭間隙與工件結合,液態金屬冷卻后,形成焊縫。通常采用的焊絲為直徑1.2mm的CuSi3焊絲,其熔點950℃左右,被焊工件為低碳鋼鍍鋅板(鋼板熔點1400℃以上),在焊絲熔化的情況下,工件不熔化。

  激光釬焊目前主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等車身的可視工件焊接中。很多主流汽車廠家在中高檔車型中都應用了此項技術,國內某車型激光釬焊應用見圖8。以頂蓋的激光釬焊為例,與電阻點焊相比的主要優點如下。

  a.搭接凹槽長度由40mm減少到5mm以內,減輕了車身質量,可以節能降耗。

  b.頂蓋單側的激光釬焊縫通常在1.5m左右,是連續的金屬連接,提高了車身的連接強度,進而增強了車身安全性。

  c.點焊需要涂膠工藝,激光釬焊不需要涂膠工藝,在減少工藝內容的同時降低了制造成本。

  d.搭接凹槽無須使用裝飾條,減少了零件數量,降低了制造成本,提高了車身的美觀度。

  e.由于是局部加熱,工件熱影響區小,提高了車身安全。

  f.正離焦方式加熱,加熱帶寬,無飛濺,填充劑熔化后自然浸潤,焊縫外觀質量良好。

  g.光束容易傳輸和控制,因而容易實現自動化,位置精度高。

  激光釬焊系統主要包括激光器、激光傳輸光纖、激光焊接頭、機器人、工裝夾具、送絲機、自動化控制電柜等。其具體工作過程為工件在焊裝夾具上就位后,焊接工裝夾緊工件,機器人得到信號指令,運動到起焊位置,然后送絲機得到信號進行送絲,激光器得到信號發出激光,激光經過傳輸光纖到達激光焊接頭,由激光焊接頭把激光照射在焊絲和焊接區域,焊絲被加熱熔化浸潤工件連接處,機器人帶著激光焊接頭和送絲機構末端,按照設定的軌跡運動,整個焊接工作完成后,送絲機停止送絲,激光器停止工作,機器人返回待機位置,焊裝夾具自動打開,整個工作循環結束。

  激光釬焊是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝,其焊接質量的控制難度比較高,要實現完美的焊接質量,不僅需要先進的設備,更需要與之匹配的工藝參數,其工作過程中的每個參數公差范圍窄。重要的工藝參數主要包括送絲角度、光斑直徑、激光功率、焊絲預熱電流、送絲速度和焊接速度等。這些工藝參數需要通過不斷的調試和摸索,合理匹配,才能取得良好的焊接質量。另外工件尺寸的穩定性和焊接夾具的重復精度對焊接質量也有著重要的影響。

  4.3激光熔焊

  激光熔焊與激光釬焊不同,工件被快速熔化,通常不需要使用焊絲。基本原理:金屬在激光的照射下,被迅速加熱,其表面溫度在極短時間內升高到沸點,金屬發生汽化。金屬蒸汽在一定的速度離開金屬熔池表面,產生一個反作用力于熔化的金屬,使其向下凹陷,在激光光束下產生一個凹坑。激光直接射入凹坑底部,形成一個細長的小孔。當金屬蒸汽的反作用力與液態金屬的表面張力和重力平衡后,小孔將不再繼續深入。小孔隨著激光束在焊接方向前進,金屬在小孔前方熔化,繞過小孔流向后方,重新凝固結晶形成焊縫。

  目前歐美主流汽車廠家對激光熔焊的使用比較多,在車門內板、前地板、側圍內板等得到應用。國內某車型在車門內板焊接應用了激光熔焊。激光熔焊基本上可以替代電阻點焊,并且具有以下優勢。

  a.熱量集中,焊縫“深寬比”大,熱影響區小,工件變形很小,無需焊后處理。

  b.焊縫質量好,強度高,提高了車身強度和安全性。

  c.光束易于控制,焊接速度快,適合柔性化生產,生產效率高。

  d.可焊材料范圍廣,可以進行異種材料焊接。

  e.搭接面寬度小,節省材料,并可以減重降耗。

  激光熔焊系統主要包括激光器、激光傳輸光纖、激光焊接頭、機器人、自動化控制電柜等。與激光釬焊相比,不需要焊絲填充,沒有送絲機構。激光熔焊時,工件被快速加熱溶化,焊接質量控制相對激光釬焊來說,難度更大,對被焊工件的尺寸穩定性和工裝夾具的定位精度及重復性精度要求特別高。主要的工藝參數包括焊接速度、激光功率、焦距、光斑直徑等。工件通常是鍍鋅鋼板,在焊接過程中,鋅鍍層特別容易汽化,對焊接質量影響比較大;為了讓汽化的鋅金屬順利揮發,通常在零件沖壓時,會在焊接部位沖壓出一段高度很小的凸臺,這樣在工件在搭接的時候,工件之間就會存在一定的間隙,可以使鋅在焊接過程中順利揮發,減少焊縫氣孔的產生;根據經驗,最佳的間隙量為0.2mm左右。

  4.4激光器的現狀及發展趨勢

  對于激光焊接系統來言,核心設備是激光器。目前應用于汽車工業的激光器主要有兩大類:第一類是CO2氣體激光器,是最早應用于車身焊接的激光器,效率較高,光束質量較好,但波長較長,10.6um,無法通過光纖傳輸,不夠靈活;第二類是固體(Nd:YAG)激光器嗎,效率較低,光束質量差一些,輸出功率較小,可滿足車身薄板的釬焊和熔焊,波長為1.06um,可以通過光纖傳輸,與CO2氣體激光器相比可以省去復雜的光束傳送系統,適用于柔性制造系統,近年來已經逐步取代了CO2氣體激光器。國內的車身生產線,引入激光焊接技術的時間比較晚,通常采用的是功率為4kW的固體(Nd:YAG)激光器。

  最近幾年,科研人員又研發成功了新型的固體激光器,光纖激光器和碟片激光器,都是利用摻Yb晶體作為增益介質(Yb:YAG),不過幾何形狀不同,光釬激光器采用又長又薄的幾何形狀,碟片激光器采用盤狀幾何形狀。與固體(Nd:YAG)激光器相比,新型激光器的光電轉換效率高,光束質量高,維護成本低。目前光釬激光器和碟片激光器已經成功應用在汽車車身焊裝生產線上,除了激光熔焊和釬焊外,還可以通過與光學掃描系統相結合,實現激光遠程焊接。在車身焊接領域,固體(Nd:YAG)激光器在不遠的將來會被新型固體(Yb:YAG)激光器所取代。

  5焊接機器人技術

  焊接機器人是本體獨立、動作自由度多、程序變更靈活、自動化程序高、生產效率高的焊接設備;是焊接自動化技術的革命性飛躍,它突破了傳統剛性的自動化方式,可以進行多品種車型混流的柔性化生產。目前國內外應用在汽車行業的絕大多數機器人是示教再現型機器人,它在示教過程中自動記錄每個動作的位置、姿態、運動參數、工藝參數等;示教完成后,只需給機器人一個啟動命令,它就可以十分精確地重復示教內容。

  汽車行業點焊機器人數量占焊接機器人總量的80%左右,由機器人本體,點焊焊接系統,控制系統三大部分組成。機器人本體應用最多的是全關節6軸機器人。機器人控制系統由焊接控制部分和機器人本體控制部分組成;焊接控制部分實現控制電極加壓、通電焊接、程序轉換等功能;本體控制系統實現示教再現、焊點位置和精度控制。點焊焊接系統由焊接控制器,焊鉗(含阻焊變壓器),水、電、氣等輔助部分組成。點焊機器人在國內外汽車公司應用極為普遍。

  除了點焊之外,熔化極氣體保護焊、螺柱焊等各種焊接設備也正在和機器人相結合,逐步應用在車身生產線中,手工操作的相關工位正在被機器人所取代。當然激光焊接設備也需要與機器人相結合才能在車身生產線上應用。機器人在車身生產線的大量使用,大大減輕操作工人的勞動強度,提高了生產線的自動化水平。據報道,國外某汽車廠家已經建成全自動的焊裝車間,點焊、弧焊、激光焊、涂膠、包邊、零件搬運等所有加工工序由機器人來完成,整個車間沒有操作工。

  6結束語

  目前國內車身焊接技術以電阻焊技術為主,輔以熔化極氣體保護焊、螺柱焊與激光焊接等;隨著鍍鋅鋼板、高強度鋼板等新材料在車身制造中的大量使用,中頻電阻焊及激光焊接等各種先進的焊接設備在車身制造中的應用將越來越廣泛;車身焊接技術結合自動化技術與機器人技術,焊裝生產線的自動化程度將逐步提高。目前國內汽車行業應用了大量先進的焊接設備,但是我國焊接設備制造能力及制造水平遠遠不能滿足國內汽車行業的發展需要,固體激光器、中頻電阻焊機、機器人等先進設備都依賴國外進口。國內焊接設備行業應該加快研發步伐,早日推出與國外先進水平相媲美的產品,填補先進焊接設備制造領域的技術空白。

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