汽車制造焊接新技術應用與總體發展趨勢

  焊接是現代機械制造業中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應用。汽車的發動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術的應用。本文詳細介紹了汽車制造中焊接新技術的應用情況與總體發展趨勢。  
    焊接是現代機械制造業中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應用。汽車的發動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術的應用。在汽車零部件的制造中，點焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、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，由于點焊、氣體保護焊、釬焊具有生產量大，自動化程度高，高速、低耗、焊接變形小、易操作的特點，所以對汽車車身薄板覆蓋零部件特別適合，因此，在汽車生產中應用最多。在投資費用中點焊約占75%，其他焊接方法只占25%。  
    隨著汽車工業的發展，汽車車身焊裝生產線也在逐漸向全自動化方向發展，為了趕上國際水平，在提高產量的同時，要求努力提高汽車制造質量。眾所周知，實現自動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，故要求焊接技術越來越高。我國面臨加入WTO的機遇和挑戰，焊接方面新技術的推廣應用對汽車工業的品牌提升有著極其重要的作用。  
一、汽車工業所用的焊接方法及零部件的應用情況  
    汽車制造業是焊接應用面最廣的行業之一，所用的焊接方法也種類繁多，其應用情況如下：  
    1.電阻焊  
    (1)點焊 主要用于車身總成、地板、車門、側圍、后圍、前橋和小零部件等。  
    (2)多點焊 用于車身底板、載貨車車廂、車門、發動機蓋和行李箱蓋等。  
    (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、消聲器和機油盤等。  
    2.電弧焊  
    (1)CO2保護焊 用于車箱、后橋、車架、減震器閥桿、橫梁、后橋殼管、傳動軸、液壓缸和千斤頂等的焊接。  
    (2)氬弧焊 用于機油盤、鋁合金零部件的焊接和補焊。  
    (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  
    用于車身總成的補焊。  
    5.釬焊  
    用于散熱器、銅和鋼件、硬質合金的焊接。  
二、汽車工業中焊接新技術的應用  
    現今，汽車工業中的先進焊接技術很多，這里只列舉出與車身焊接相關的焊接新技術。  
    1.電阻焊的節能及控制技術  
    (1)聯體懸掛式點焊機  
    汽車工業中應用最多的是懸掛式點焊機，一個車間往往是幾十或上百臺，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用。  
    (2)電阻焊機 目前電阻焊機大量使用交流50Hz的單相交流電源，容量大、功率因數低 。發展三相低頻電阻焊機、三相次級整流接觸焊機(已在普通型點焊機、縫焊機、凸焊機中   應用)和IGBT逆變電阻焊機，可以解決電網不平衡和提高功率因數(可達09以上)的問題。  同時還可進一步節約電能，利于實現參數的微機控制，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。另外還可進一步減輕設備重量。  
    (3)電阻焊的控制  
    西南交通大學針對一工廠鋁合金車圈對焊研制成車圈焊接PLC(可編程控制器)智能控制器，對原機進行了改造，解決了鋁合金車圈的焊接質量問題，提高了焊接生產率。后又同一工廠研制了PLC縫焊控制器，解決了對一般清理要求制件的縫焊問題。通過這兩項控制器的研制，證明了PLC比單片微機控制器抗干擾能力強，可靠性高；比工控機控制器體積小、成本低，使用通用的單相工頻交流電阻焊機完成了高難度的對焊及縫焊工作。  
    2.氣體保護焊接技術  
    (1)表面張力過渡的波形控制法  
    方法的關鍵是用2個電流脈沖完成1個熔滴過渡，第1個電流脈沖形成熔滴并使之長大，直至熔滴與工件短路；第2個電流脈沖是1個短時窄脈沖并不斷檢測其di/dt，同時控制電流脈沖值，以產生適當的電磁收縮力，使熔滴頸部收縮變細，最后靠熔池表面張力拉斷，完成1個熔滴過渡而不產生飛濺。  
    (2)逆變電源波形控制  
    利用逆變電源良好的動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熔滴過渡的阻礙和爆斷，減少大顆粒飛濺，并利于熔滴在熔池攤開；當熔滴在熔池攤開后，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，使小橋爆斷時飛濺減少。  
    (3)氬弧焊新技術  
    氬弧焊有非熔化極(TIG)和熔化極(MIG)兩種，均用于汽車工業有色金屬和高合金鋼焊接中。為了改善CO2氣體保護焊的成形和減少飛濺，采用加入80%或20%Ar的混合氣體保護焊。  
    3.高能束熱源焊接及加工技術  
    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)，在汽車工業中均有應用，目前國外發展的新技術有：  
    (1)激光和電弧復合加熱焊接  
    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，會大大提高焊接效率。激光和電弧復合加熱焊接的焊炬設計特別重要，兩熱源的夾角要盡可能小，焊炬也設計成激光+雙電弧電源。該方法已在4～8mm厚的鋼結構中使用，正擬用于更薄的汽車部件生產和鋁合金焊接中。激光除了在焊接及精密切割中應用外，還在摩擦面形成儲油細花紋或重熔復合層，以提高耐磨性方面應用。  
    (2)等離子體的應用  
    氬氣保護的等離子焊接切割早已在各行業應用，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用于一般鋼鐵和有色金屬的切割，國內鐵路客車廠引進了水下等離子切割，以減少變形和提高精度。發動機氣閥體早已采用填充圈等離子焊接。近十幾年來粉末等離子堆焊有很大發展，可進行小熔合比的薄層料精細堆焊，能堆焊各種特種合金表面。  
三、汽車工業中焊接新材料的發展趨勢  
    隨著轎車發展的日趨緊湊小型化、輕量化、新材料的應用使轎車材料構成發生了明顯改變，未來轎車車身材料仍以鋼板為主，為使鋼板厚度減薄，將廣泛采用高強度鋼板。同時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中大量應用了鍍鋅鋼板。另外，還使用鋁合金、塑料及陶瓷等材料。據有關專家預測，到本世紀末并不會在大批量轎車生產中出現全鋁車身或全塑車身。  
    1.鍍鋅鋼板  
    在美國焊接學會分會的會議上討論汽車工業中應用的金屬板焊接問題時，有關專家指出，焊接鍍鋅鋼板最有前途的方法是激光焊接。但是由于該過程現在自動化程度還不夠，必須完善汽車工業中廣泛應用的接觸點焊方法。這種方法的主要缺點是在焊件與電極接觸中鋅的大量過渡而使電極燒損較快。故建議使用Al2O3彌散微粒強化的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.高強度鋼板  
    為了實現汽車的輕量化，提高汽車安全性能，高強度鋼板在汽車中的應用正在逐年增加，現今出現了新一代的高強度鋼板材料——超細晶粒鋼。該鋼種主要指在經濟指標進一步提高的基礎上，鋼鐵材料的強度、韌性比現有的鋼材提高一倍。新一代超細晶粒鋼在組織結構上具有超細晶粒、高潔凈度、高均勻度的特性。當前用于研究的新一代超細晶粒鋼主要有400MPa級和800MPa級兩種。  
    在對新一代鋼鐵的研究上，我國與國際水平并沒有什么差距，幾乎是同時起步，同日、韓兩國共處世界的領先地位。但是由于出現的時間較短，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機械系為主。在對超細晶粒鋼的焊接技術進行一定的研究后，取得了一些先進成果。  
    3.鋁合金  
    鋁合金具有重量輕、強度高及抗腐蝕等優點，是優良的建筑材料，汽車工業中也逐漸在使用鋁合金材料的零部件。鋁合金焊接有五個主要的特點：  
    (1)鋁合金表面有一層致密的氧化薄膜(熔點約2050℃)，焊接時如未能將其清除，將會影響基本金屬的熔化質量，形成夾雜等質量問題。  
    (2)熱導率大(約為鋼的4倍)，導電性好，焊接時若要達到與鋼相同的焊速，則焊接熱輸入要比焊鋼時大2～4倍。  
    (3)線膨脹系數大，焊件有產生較大的熱應力、變形及裂紋的傾向。  
    (4)易出現氣孔。  
    (5)鋁合金焊接接頭的強度降低。  
    鋁合金焊接的這些特點，正是我們在研制焊接設備和焊接工藝時應認真對待的問題，只有這樣才能開發出適合鋁合金焊接的設備、材料和焊接工藝。  
    四、汽車工業焊接的總體發展趨勢  
    1發展自動化柔性生產系統  
     縱觀整個汽車工業的焊接現狀，不難分析出汽車工業的焊接發展趨勢為：發展自動化柔性生產系統。而工業機器人，因集自動化生產和靈活性生產特點于一身，故轎車生產近年來大規模、迅速地使用了機器人。在焊接方面，主要使用的是點焊機器人和弧焊機器人。 焊接生產線要高度自動化，廣泛采用6自由度的機器人，且機器人具有焊鉗儲存庫，可根據焊裝部位的不同要求或焊裝產品的變更，自動從儲存庫抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發展為采用無人駕駛的更具柔性化的感應導向小車。  
    2發展輕便組合式智能自動焊機  
    國內汽車焊接水平與國外相比差距很大。近年來，國內的汽車制造廠都非常重視焊接的自動化。如一汽引進的捷達車身焊裝車間的13條生產線的自動化率達80%以上。各條線都由計算機(可編程控制器PLC-3)控制，自動完成工件的傳送和焊接。焊接由R30型極坐標式機器人和G60肘節式機器人61臺進行，機器人驅動由微機控制，數字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入和輸出程序。機器人的動作采用點到點的序步軌跡，具有很高的焊接自動化水平，既改善了工作條件，提高了產品質量和生產率，又降低材料消耗。類似的高水平的生產線，在上海、武漢等 地都有合資及引進，包括了德國、美國、法國和日本的先進汽車制造技術。但這些畢竟還遠不能適應我國民族汽車工業迅速發展的需要，我們必須堅持技術創新，大力加速發展高效節能的焊接新材料、新工藝和新設備，發展應用機器人技術，發展輕便靈巧的智能設備，建立高效經濟的焊接自動化系統，必須用計算機及信息技術改造傳統產業，提高檔次。  
    相信，在不久的將來，通過我們的共同努力，國內汽車行業的焊接技術會逐步縮短與國外先進焊裝技術水平的差距，迎接WTO帶給汽車工業的機遇和挑戰。