汽车制造中焊接技术发展现状及趋势

   汽车制造中焊接技术现状及发展趋势

    焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法，在汽车制造中得到广泛的应用。汽车的发动机、变速器、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造中，点焊、凸焊、缝焊、滚点(凸)焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法中，由于点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量大、自动化程度高、高速、低耗、焊接变形小、易操作的特点，所以特别适合汽车车身薄板覆盖零部件的焊接，因此在汽车生产中应用最多。在投资费用中点焊约占75%，其他焊接方法只占25%。

    汽车工业所用焊接方法及零部件的应用情况

    1.电阻焊

    (1)点焊：主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等的焊接。(2)多点焊：用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机罩盖和行李箱盖等的焊接。(3)凸焊及滚凸焊：用于车身零部件、减振器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等的焊接。(4)缝焊：用于车身顶盖雨檐、减振器封头、燃油箱、消声器和机油盘等的焊接。(5)对焊：用于钢圈、进排气阀杆、刀具等的焊接。

    2.电弧焊

    (1)CO2保护焊：用于车厢、后桥、车架、减振器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、液压缸和千斤顶等的焊接。(2)氩弧焊：用于机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊。(3)焊条电弧焊：用于厚板零部件，如支架、备胎架、车架等的焊接。(4)埋弧焊：用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等的焊接。

    3.特种焊

    (1)摩擦焊：用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等的焊接。(2)电子束焊：用于齿轮、后桥等的焊接。(3)激光焊割：用于车身底板、齿轮、零件下料及修边等的焊接。

    4.氧乙炔焊

    用于车身总成的补焊。

    5.钎焊

    用于散热器、铜与钢件、硬质合金的焊接。

    电阻点(凸)焊工艺技术现状及发展趋势

    1.电阻点(凸)焊技术现状目前，汽车制造厂商所采用的阻焊设备的次级输出主要是工频交流和直流两种，其额定功率一般在63kVA以上，最高的达400kVA或更高，电能消耗较大。阻焊控制器大部分为天津陆华科技开发公司生产的WDK或HW系列控制器和少量的KD7和KD9型控制器。KD7型控制器，其控制精度较差；WDK或HW系列控制器对电流的控制精度较高，约为±3%，同时具备了多脉冲焊接功能，基本能满足低碳钢或镀锌板的焊接。

    在点焊过程中，影响焊点质量的因素有焊接时间、焊接电流、焊接压力、电极的端面形状、穿过电极的铁磁性物质、分流等。特别在阻焊设备较多的焊接车间，同时工作的焊机相互感应，对电网产生影响，严重时影响控制器的触发，导致焊接质量的稳定性和一致性较差。

    在汽车制造中，焊接质量的优劣是制造商和用户共同关注的焦点，焊接质量主要依靠焊接设备来保证。对车身点焊而言，主要由控制器保证设定焊接参数在一定的波动范围内，从而获得稳定的焊点质量。以恒流控制方式为主的国产控制器基本能满足软钢和镀锌钢板的焊接，但其控制精度还需进一步提高，对焊接电流的控制仍是开环控制，随工况的变化其焊点质量的一致性很难保证。

    为了获得可靠的焊接质量，焊接检验必不可少。在车身制造中，焊点检测方法采用非破坏性抽样检查，可能开焊的焊点未被检查出来，严重影响产品的质量。如果能保证焊点100%合格，每台车身可减少焊点数量约200点，即可节约成本约80元。

    因此，点(凸)焊质量的在线检测与控制技术对保证点(凸)焊质量的可靠性和一致性非常重要，该项技术受到国内外学者的广泛关注和研究。实时监控的方法很多，但能应用于实际生产的并不常见。

    2.点焊质量控制技术的发展趋势

    (1)控制模式。由单模式控制发展为多模式控制，动态电阻监控、动态电极位移监控都是实现这种控制的综合模式，即动态电阻差值与动态电阻变化速率相综合；最大位移与位移速度相综合。

    (2)控制方法。由一种监控方法发展为多种监控方法。

    (3)调节参量。由初始的单变量调节(焊接时间或焊接电流)发展为多变量调节，即在焊接过程中同时对焊接电流、焊接时间和焊接压力进行调节。

    (4)在控制决策上，已由常规的控制决策方式(由被控制参数的偏差值通过查表确定其控制参数的调节量)向人工智能(神经网络、模糊逻辑等)决策方式发展。

    点焊和缝焊电极的使用寿命直接影响着汽车制造成本和焊接质量，在镀层钢板的焊接中尤其严重。点焊电极材料主要包括：铬锆铜、弥散强化铜、铍青铜等。弥散强化铜合金材料，其常温和高温硬度、导电率均优于铬锆铜材料。采用弥散强化铜电极其使用寿命是铬锆铜电极的2～4倍。但其成本高于铬锆铜材料。在国内，汽车制造厂主要采用铬锆铜电极，有少部分合资公司采用弥散强化铜电极，且依赖进口。为了提高电极的使用寿命，国内外学者正在研究涂层电极的应用，据报道其使用寿命与常用的铬锆铜电极相比可提高5～6倍，并且成本也较低。

    目前，电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源，其容量大、功率因数低。发展三相低频电阻焊机、三相次级整流焊机(已在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机中应用)和IGBT逆变电阻焊机，可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。同时还可进一步节约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢及其他难焊金属的焊接。另外，还可进一步减轻设备质量。

    目前，由于国产逆变点焊机的性能还不能满足使用要求，因此国内所用逆变点焊机主要依赖于进口。在载货车车身制造中，所采用的材料为08Al和镀锌板，采用常用的点焊机即可。但在轿车车身制造中，随着铝镁合金的使用量不断增加，只有采用逆变点焊机才能获得较好的点焊质量。

    弧焊技术现状及发展趋势

    1.弧焊技术现状在汽车制造中，大量采用弧焊工艺，主要以MIG/MAG焊为主。焊接电源主要采用晶闸管电源和逆变电源，并针对不同的焊接结构件，采用大量自动化程度较高的焊接方法。但由于焊接坡口位置的重复精度较差，焊枪的行走轨迹容易偏离坡口位置，因此造成焊缝有缺陷，严重影响产品质量。例如，储气筒本体的直焊缝和与端盖连接处的环焊缝；冲焊桥壳的直缝及环缝等。目前，在此类零件的自动焊接专机上，均未采用焊缝跟踪技术，在实际生产中须人工监控焊枪的位置，并根据焊枪相对坡口的偏离位置而不断地调整其位置，其可控性差，容易出现产品质量问题，且增加了工人的劳动强度。另外，在白车身的装焊中，由于车身总成的重复精度较差，车身焊装线上的弧焊机器人的焊枪通过示教编程后，在生产中很容易偏离焊接位置，从而产生焊接缺陷。通过采用焊缝跟踪技术，减少焊接缺陷，提高焊缝质量和生产效率，且降低成本。

    目前，焊缝跟踪形式有机械跟踪、电弧跟踪、CCD摄像，激光跟踪等方法。机械跟踪方法较容易实现，精度相对较低；电弧跟踪，CCD摄像的精度相对较高，对执行元件的控制精度要求较高。精度高的焊接专用设备或机器人，由于制备工件坡口时存在误差和装配误差，导致焊接机器人缺少对工件的自适应能力。效果比较好的是用激光视觉传感器系统，它能够自动识别焊缝位置，在空间寻找和跟踪焊缝，寻找焊缝起、终点，实现焊枪跟随焊缝位置自适应控制。但这种方法不太适合轿车底盘零件的焊接，因轿车底盘零件机器人系统的夹具允许机器人工作的空间范围很小，很难实现附带激光跟踪头焊枪的焊接。为此，可使用的焊缝自动跟踪技术为电弧电压跟踪传感器，该系统具有寻找焊缝起始点、终点及弧长参考点，在焊接过程中根据弧长的变化，用电弧传感器控制电压自适应控制。这种方法也只能应用于角接接头形式，对于轿车底盘零件大量的薄板搭接焊缝，因无法寻找弧长参考点亦无法应用。

    2.高效弧焊技术的发展趋势

    脉冲GMAW(P-GMAW)、双丝MIG/MAG焊(Twin-Wire，Tandem-Wire)等代表了当前在汽车制造中应用的高效、高速焊接新工艺。这两种焊接方法与机器人相配合，能充分体现高效化焊接的特点，实现机器人系统在空间的可达性、焊接速度完美的协同和组合。

    P-GMAW电弧过程具有好的稳定性，能有效地保证焊缝质量的一致性，改善了由于短路过渡焊接过程较低的热输入造成的熔深不足。P-GMAW的射流过渡方式适用于薄板材料的高速焊接、钢或铝合金的车身框架结构的全位置焊接。在AudiA8全铝合金车身框架结构的管状型材和接合点的焊接中，均大量地采用了P-GMAW的工艺。

    双丝MIG/MAG焊有2种基本形式：一种是双丝焊接工艺(Twin-Wire)，2个焊丝都是采用同样的焊接参数；另一种是Tandem-Wire，采用2个独立的喷嘴和2个独立的电源，每个电弧有自己独立的焊接参数。机器人的铝合金脉冲MIG焊及Tandem焊的焊速分别为60～80cm/min、180～210cm/min。由此看来，大力发展双丝焊接工艺并与焊接机器人配合可大大提高生产效率。

    摩擦焊工艺的应用

    在国内汽车制造中，摩擦焊工艺应用于汽车零件加工方面，其范围较窄，一般用于刀具和其他车用辅助工具的制造。该焊接工艺为固态焊接，焊缝热影响区相对较窄，晶粒细小，焊缝质量较易控制，制造成本相对较低，特别是在以焊代锻的结构上采用则优势更为明显。

    例如，汽车半轴等轴类零件，其毛坯制造工艺为整体锻造结构，采用水平分模平锻，其设备投资较高，并且热锻模的维修费用较高。若采用摩擦焊工艺将整体锻造结构改为锻焊结构，可将水平分模平锻机改为热锻模压力机，减少设备投资和热锻模的维修费用，即可降低成本。另外，还可以采用摩擦焊工艺代替CO2气体保护焊工艺焊接部分轴类零件，提高生产效率，降低制造成本。例如，传动轴、万向转向节叉等。目前，传动轴、万向转向节叉等零件的焊接工艺均为CO2气体保护焊，容易产生焊接缺陷，焊缝质量较难控制，且需要消耗大量的CO2气体和焊丝等辅料，生产效率相对较低。若采用摩擦焊工艺，不用填充任何辅助材料，且有利于改善作业环境，减少污染。

    在汽车零部件规模化生产中，摩擦焊技术占有较重要的地位。据不完全统计，美国、德国、日本等工业发达国家的一些著名的汽车制造公司，已有百余种汽车零件采用了摩擦焊技术。采用摩擦焊技术的汽车零部件大致有3类：异种材料组合，如发动机双金属(空心)排气门、涡轮增压器等；锻焊复合结构，如半轴、凸轮轴、转向节、叉等；解决关键技术，如气囊充气器、连身齿轮组、传动齿轮组等。因此，在国内推广应用摩擦焊技术势在必行。

    激光焊接

    激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，零件的装配间隙很小，对零件和工装的精度要求较高。由于国内汽车零件的精度较低，重复精度较差，对激光焊工艺的推广应用带来了一定的难度。目前，在国内汽车制造中，应用激光焊工艺的只有少数几个合资公司，如上海大众等。

    由于激光焊能量密度高，焊接深度/宽度比高，其焊接质量比传统焊接方法高。但是，如何保证激光焊接的质量，即激光焊接过程的监测与质量控制，是激光利用领域的重要内容。包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，针对不同焊接对象和要求，通过计算机实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，实现自动化激光焊接。在汽车工业中，激光技术主要用于车身焊接、坯板拼焊和零件焊接。

    1.车身焊接

    该工艺主要用于车顶焊，其应用可以减噪和适应新的车身结构设计。Volvo是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。如今，德国大众公司也已在AudiA6、GolfA4、Passat等车顶采用了此项技术；BMW公司的5系列、Opel公司的Vectra车型等更是趋之若鹜。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数用于车顶焊接。

    另外，车身(架)激光焊可以提高车身强度、动态刚度。奔驰公司首先在C级车后立柱上采用了激光填丝焊接；BMW和GM公司在车架顶部采用了搭接焊；GM公司利用3kWYAG激光器在AuroraG型车上进行车顶与车顶附件托架的焊接。

    在车身制造中，采用激光焊技术，可以提高产品设计的灵活性，降低制造成本，提高车身的刚度，提高产品的竞争力。

    2.激光拼焊板的应用

    该技术可降低车身自重和成本，减少零件数量，提高安全可靠性。

    此项应用最早源于Audi100车的底板拼焊，目前已推广到各大汽车公司。丰田公司Tahara工厂生产的凌志(Lexus)车门板原来是用2种不同厚度、5种不同表面处理的多块钢板组成，现在只用1块激光拼焊板代替，大大提高了生产率。BMW公司1/3的汽车已采用激光拼焊板。在美国，1997年用于汽车工业的激光拼焊板将近1500万件，2000年达到4000万～6000万件。有专家预言，激光拼焊板将成为一项数十亿美元的产业。

    采用激光拼焊板应用于车身制造，可以减少零件、模具及焊接工装数量，降低车身自重和成本，并提高产品的市场竞争力。

    3.齿轮及传动部件激光焊

    齿轮及传动部件的焊接采用激光焊代替电子束焊，可减少变形、提高生产率。20世纪80年代末，克莱斯勒(Chrysler)公司的Kokomo分公司购进9台6kWCO2激光器用于齿轮激光焊接，其生产能力提高40%。90年代初，美国三大汽车公司已投入40多台激光器用于传动部件焊接。奔驰公司已经研究利用激光焊接代替电子束焊接，因为前者焊缝热影响区小。

    4.非金属及对电磁性有要求的汽车零件的焊接

    Volvo和大众公司用激光焊接塑料燃油箱；许多厂家利用激光精细焊接发动机上的传感器。

    焊接机器人技术的应用

    焊装生产线是由焊接设备、工装夹具、传输系统和自动控制等部分组成。因此，生产线的整体柔性程度由各组成部分的柔性程度所决定。其中，焊接设备的柔性是决定焊装生产线柔性程度的关键，而工装夹具是决定焊接生产线柔性程度的主要因素。

    ●车身焊装线上的焊接设备主要有手工焊设备、自动焊专机及焊接机器人3类。

    ●手工焊接设备主要包括悬挂式点焊机、半自动CO2气体保护焊机等，它们均属于通用标准设备。通过人工操作完成焊接工作，其独立性较强，便于安装、调整及维修，且价格低廉，所以在生产发展的各个时代都得到了广泛地应用。

    ●自动焊专机包括多点焊机、台式自动焊机及各种焊接机械手。

    这些专机结构复杂、动作简单、程序基本固定、制造成本及维修费用高，只适用于某一种产品焊接，柔性程度低，所以只有在单一品种、大批量生产的焊装生产线上采用。以前，一般在年生产纲领为6万辆以上的生产线上采用，现在只有年生产量更大的生产线才予以考虑。

    ●焊接机器人是本体独立，动作自由度多，程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度极高的焊接设备。具有多用途功能、重复精度高、焊接质量高、抓取质量大、运动速度快、动作稳定可靠等特点。焊接机器人是焊接设备柔性化的最佳选择。焊接设备作为焊装生产线的重要组成部分，是否采用焊接机器人是焊装生产线柔性程度的重要标志之一。

    汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。据2001年的统计，全国共有各类焊接机器人1040台，而汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%，成为工业机器人的最主要用户。东风商用车车身厂第六焊装车间总装线采用了6台点焊机器人，3台自动焊机。一汽车身厂十万辆新品驾驶室主焊线采用了21台点焊机器人，点焊自动化率达95%。东风车身厂六万辆新品驾驶室总装线采用了10台点焊机器人，1台自动焊机，点焊自动化率不足60%。与发达国家相比差距较大。

    在国外，法国雷诺汽车公司与日本日产汽车公司都采用了全机器人的驾驶室焊装线，驾驶室的装配、涂胶、点焊全部由机器人完成。

    在国内，点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳，焊接时冲击力较大。同时，由于工件的重复精度较差，电极处于凸缘边缘时，焊钳易滑出，严重时会损坏被焊工件。另外，电极磨损量的监控反馈精度较差，影响焊接质量。在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，焊接时冲击小，并能实现精确控制，提高焊接质量。

    铜散热器硬钎焊技术的应用

    20世纪50年代，汽车散热器的制造主要采用铜材料锡焊工艺。20世纪60年代末到70年代初，因铜材料成本是铝材料的2～3倍，为了降低成本和自重，开始采用铝制散热器的钎焊工艺技术，采用半自动化和自动化生产加工作业，但铝散热器的工艺过程复杂，并污染环境。90年代以后，新型铜硬钎焊散热器比铝散热器的制造成本更低。铜硬钎焊散热器具有铝制散热器不可替代的优点如下。

    ●钎焊速度快，可降低加工成本。

    ●铜的导热性好，强度和刚度大，可使材料的厚度减薄，为硬钎焊散热器小型化设计奠定了基础。

    ●材料的回收和再生产利用率高。

    但是，钎焊炉的温升率较高，冷却速度必须严格控制，即对钎焊炉的精确控制要求较严。目前，东风公司铜散热器的焊接采用了软钎焊工艺，其焊缝的高温强度较低，特别是在重型车上，焊缝的密封性较差。据报道，一汽将在新型载货汽车上试用铜硬钎焊散热器。

    经世界许多知名企业的实践证明，铜硬钎焊工艺技术能在客车、载货车和工程机械的散热器、暖风机、机油冷却器、冷凝器、蒸发器及中冷器等产品生产中发挥巨大的优势。

    目前，AstroAir公司生产的铜硬钎焊散热器系统已经在公共汽车、载货车和其他工程设备中得到应用。日本NAJICO公司从2000年10月开始全面生产管带式铜硬钎焊散热器。

    焊接数值模拟技术的应用

    在许多焊接结构件中，由于焊接工艺本身的特点，焊缝接头(特别是弧焊接头)存在着各种焊接缺陷和应力集中，焊接应力分布复杂，引起承载能力下降和焊接变形。采用常规的手段无法分析焊接应力分布和预测焊接变形，很难控制焊接总成的质量，因此采用数值模拟技术进行焊接应力和焊接变形方面的研究很有必要。通过焊接数值模拟，可以模拟出焊接过程中的应力和应变的变化及分布情况，为制定合理的焊接工艺提供理论依据。例如，客车车架焊接变形的控制，目前只能通过反复试验获得相对合理的焊接工艺，其试验存在着盲目性，且试验周期长、投入大。若采用数值模拟技术，可以经济、快速地模拟出正确的工艺方案。在国内，高校对焊接结构的数值模拟技术研究的较多，并且已有一些成功的应用案例。

    关于数值模拟软件很多，如ANSYS和SYSWELD等各类模拟软件。在2000年，日本大阪大学结合科学研究所提出了一个5年完成耗资20亿日元(2000万美元)的国家课题，即“高效与安全焊接技术的开发”。它是一个焊接虚拟工程研究，其目的是开发一个用户界面友好的高效与安全焊接的计算机系统，同时给出3个精密模拟程序，即焊接过程模拟程序、被焊区域组织预测程序和变形预测程序。近来，英国焊接研究所开发了一个“结构变形预测系统”(SDPS)，可以用来预测复杂结构的焊接变形。

    车身焊装工艺的虚拟设计

    在车身焊装工艺设计时，对产品的工艺分块是工艺设计的关键。目前，车身焊接工艺的设计水平主要取决于设计师的经验，无法科学地判断某个设计方案的优劣。为了提高工艺设计水平，必须采用计算机模拟技术来进行虚拟工厂设计。通过计算机模拟技术与设计者的经验相结合，可以优化焊装车间平面布置和工作单元布局、预研工艺对产品的影响和各工序间的关联、校验所需设备数量和对自动化设备的需求、计算生产面积和所需工人数，而且可对焊装线上的机器人、自动化设备及人体作业进行仿真分析。

    Delmia公司为汽车制造业提供了全面的解决方案，从白车身焊接、油漆、总装的工艺规划到加工仿真等，提供了一系列的软件和整体解决方案。在通用、丰田等汽车企业中，都大量应用了Delmia公司的软件，通用卡车公司把Delmia公司作为唯一的数字制造解决方案供应商。上海交通大学CIMS研究所应用Delmia软件在上海大众汽车有限公司发动机厂生产线技术改造项目中也获得了很好的效益。

    DelmiaBIW是应用于汽车白车身规划与仿真的一套解决方案。用户可以利用BIW并行开发白车身焊接工艺及机器人加工单元仿真。BIW支持整个企业各部门浏览与利用PPR数据库中的各种信息。

    结束语

    从20世纪50年代开始，中国汽车制造业的焊接技术主要以手工焊和电阻点焊为主。随着我国汽车制造业的发展，焊接技术取得了巨大的进步，但是与发达国家的汽车工业相比还存在巨大的差距。汽车工业是世界性的产业，面对国际竞争全球化、国内竞争国际化的形势，为使我国汽车工业能在世界汽车工业的发展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接技术在内的制造技术的进步和创新能力的提高，才能实现中国汽车工业自主发展的目标。