浅析轿车白车身焊接技术

Ａ　Ｔ＆Ｍ飙　界　浅析轿车白车身焊接技术　目前。国内外各大轿车生产厂家的白车身焊接都是以电阻焊工艺为主，辅以少量的弧焊工艺　方法。随着焊接技术的不断进步，近年来以激光焊接为代表的新焊接工艺方法已经应用于白车身　制造领域。本文简单阐述了白车身焊接领域主要的几种焊接技术特点、现状及应用情况。　■　神龙汽车公司王广勇　是焊点形成的３个根本因素。焊点的具体焊接参数值　１电阻焊技术　是由钢板厚度和装配状态来决定。根据不同的钢板装　电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，通以　配、表面状态、参考板厚，电流值从８　０００￣１３　５００　Ａ　电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域生产的电　不等，焊接压力从２　１　００—６　０００　Ｎ不等，焊接时间值　阻热将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合　从８～４０周波（１周波＝０．０２　ｓ）不等。焊点质量水平　的焊接方法，主要分为四类即点焊、凸焊、缝焊、对　是衡量白车身质量的重要指标，不过影响焊点质量的　焊。在白车身制造中，通常电阻焊技术在白车身制造　因素比较多，如零件装配状态、钢板镀锌状况、焊点　领域应用最多的是点焊工艺，其次是凸焊工艺。缝焊　间距、零件结构、电极对中状态、焊钳冷却状态、电　很少用于白车身焊接，仅用于燃油箱的焊接。　极帽修磨状态、夹具是否分流、程序转换开关是否失　（１）点焊　效、焊接参数值是否合理等。在出现焊接质量问题时　点焊工艺是白车身制造中应用最多的焊接方法，　应从多方面分析。　白车身就是由薄板冲压零件通过装配焊接而形成的车　目前，国内汽车厂家生产白车身普遍采用低碳　身壳体。轿车白车身通常有３　０００—５　０００个焊点，例　钢薄板。低碳钢的焊接性能良好，不需要特殊的焊接　如东风标致３０７－－厢白车身的焊点数是４　２８１个。电　工艺就可以得到良好的焊接质量。为了提高汽车防腐　阻点焊过程见图１。　性能，汽车厂家在白车身制造中都大量使用了镀锌钢　在点焊过程中，焊接电流、焊接压力、焊接时间　板。镀锌钢板的大量使用提高了汽车的防腐性能，　不过却给白车身焊接带来了不少麻烦，锌由于熔点　（４１　９。Ｃ）低，镀锌板表面的锌层容易在焊接过程中　与电极粘连，拉弯电极杆，损坏焊接设备。并且，在　焊接过程中锌容易渗入电极端面而形成锌铜合金化，　改变电极端面的材质，加快电极端面的墩粗速度，大　大缩短电极的使用寿命。近几年随着车身涂装技术的　进步，电泳车身防腐性能得到明显提升，为低碳钢裸　板替代镀锌钢板创造了一些条件。如果白车身钢板全　部采用非镀锌的裸板，点焊设备的电极帽消耗量可以　电极力　图１电阻点焊过程　下降８０％，根据目前神龙汽车公司的产量来测算，每　２０１　０年第３期　汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　５　ＡＴ＆Ｍ碘界　年节省费用约４００万元。　国内汽车厂家主要采用铬锆铜作为点焊电极材　多种不同装配的焊点。另外，控制器具有故障自诊断　功能，当设备出现故障的时候，控制器会出现故障代　料，它具有较高的力学性能、导电率和较强的抗变形　能力，是目前使用最普遍的电极材料。近几年，国内　外开发了一种新的电极材料氧化铝弥散强化铜，它是　码，大大提高了设备维修的效率。　随着逆变技术的不断成熟，逆变技术应用已经从　弧焊领域扩展到阻焊领域。现在博世公司、梅达电焊　通过粉末冶金工艺加工得到的新材料，其常温和高温　机公司开始在国内汽车行业销售中频逆变电阻焊机，　下的硬度、导电率均优于铬锆铜材料。据报道，弥散　与传统的工频焊机相比，中频逆变电阻焊机具有焊接　强化铜电极的使用寿命是铬锆铜电极的２～４倍。由于　电流接近直流、热效率高、电极使用寿命高、变压器　氧化铝弥散强化铜的制造成本高于铬锆铜材料，原料　体积质量变小、相同工件焊接电流可降＇ｒＥ３０％等特　需要进口，目前氧化铝弥散强化铜电极仅在上海通用　点。由于逆变电阻焊机价格较高，约为工频焊机的２　汽车、神龙汽车公司、上海大众汽车公司等少数合资　倍，目前在国内汽车行业应用很少。工频电焊机工作　汽车厂家使用。根据神龙公司的使用效果来看，氧化　原理与中频电阻焊机工作原理见图２。　铝弥散强化铜电极对降低电极粘连现象效果显著；但　初级　电压　电极帽使用寿命长的特点没有体现出来。　单相　目前，点焊设备的类型主要是５０　Ｈｚ＿Ｔ＿频交流　焊机，其特点是容量大、功率因数低，焊机额定功　率一般在４２—７５　ｋＶＡ之间，电能消耗较大。由于点　焊机的控制器通常悬挂在空中，所以电阻点焊机也　三相　一　直变质无压量流电．磁器都　体小感积应了　、　称为悬点焊机。在２０世纪９０年代，分体式悬点焊机　图２工频电焊机、中频电阻焊机工作原理　（阻焊变压器与钳体分离，中间采用较长的次级电　（２）凸焊　缆连接）由于造价低，价格仅为一体式悬点焊机的　凸焊在白车身制造领域主要用于焊接螺钉、螺　５０％～６０％，在国内汽车厂家应用最为广泛。目前，　母类零件或小件：通常情况下，白车身螺钉或螺母件　国内日系汽车合资公司电阻悬点焊机仍然以分体式为　的数量超过２００个。凸焊实际上是点焊的一个变形，　主。进入２１世纪以后，一体式悬点焊机（阻焊变压　通常在螺钉或螺母上冲出凸点或凸环，或在，』、件上冲　器与钳体一体，无二次电缆损耗，造价高）由于具有　出凸点。凸焊焊接时由于电流集中，克服了点焊时　节能、效率高、易于操作等特点，在国内有些汽车公　因零件厚度不同易造成的熔核偏移，零件的厚度比可　司开始大量采用。神龙汽车公司建厂初期主要采用　以超过６：１，而点焊工艺不同零件的厚度比不超过　的是法国西雅基公司（ＳＣｌＡＫＹ）生产的分体式悬点　４：１。凸焊时，电极要随着凸点或凸环的被压溃而迅　焊机，数量有４００多台；最近５年内新建的焊装生产　速下降，否则会因为压力不够而产生喷溅或炸电极，　线普遍采用的是法国ＡＲＯ公司生产的一体式悬点焊　因此凸焊设备的电极随动性要好。　机，数量有１　５００多台。悬点焊机无论分体式还是一　焊接螺钉或螺母类零件的时候，焊接参数值通　体式，设备控制器都采用了微处理器技术，可以对焊　常采用大电流、短时间，否则会容易引起螺纹变色和　接电流、焊接压力、焊接时间、电流递增台阶、电极　精度下降的问题。在焊接直径为８　ｍｍ的螺母或螺钉　修磨记数等参数值根据装配情况来任意设置；其中一　时，焊接电流需达到３万Ａ，因此凸焊设备功率要比　体式焊机的控制器最多可以设置６４套焊接参数程序，　常用点焊设备功率大许多。神龙公司采用的凸焊设备　利用焊接参数程序转换开关，１台悬点焊机可以焊接　功率为２００　ｋＶＡｇｕ５００　ｋＶＡ　２个类型。　６　Ｉ汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　２０１　０年第３期　ＡＴ＆／１４＇碘界　凸焊设备和点焊设备的工作原理相同，同样以　防止焊丝生锈，同时减少送丝软管的送丝阻力，焊丝　５０　Ｈｚ＂Ｆ频交流焊机为主流。现在逆变技术已应用在　表面被镀上一层很薄的铜。　点焊、凸焊设备上，中频逆变凸焊机已经在少数合资　白车身的工件厚度通常在０．６７－３．０　ｍｍ之间，对　汽车公司得到使用。　于厚度小于１．０　ｍｍ的工件而言，使用ＭＡＧ焊容易引　起工件烧穿现象。为了避免工件发生烧穿，神龙公司　２弧焊技术　在厚度小于１．０　ｍｍ的工件上使用的焊接方法是ＭｌＧ　由于弧焊工艺在焊接时工件容易变形，尺寸不好　焊。焊丝成分为铝青铜合金，保护气体为纯氢气。　控制，另外实现机械化和自动化的难度大，所以不是　ＭｌＧ焊与ＭＡＧ焊不同，ＭＡＧ焊是熔焊，ＭＩＧ焊是高　白车身焊接的主要方式。目前，国内汽车生产厂家通　温钎焊。在焊接过程中，通常工件（低碳钢）不熔　常采用的弧焊工艺方法是熔化极气体保护焊，根据不　化，铝青铜焊丝熔化滴到工件接口，熔化的金属液体　同的保护气体和焊丝，熔化极气体保护焊分为三类即　填充到工件缝隙中。从使用的效果来看，ＭＩＧ焊对于　ＣＯ。气体保护焊、ＭＡＧ焊（氢气加少量ＣＯ　或Ｏ　）　焊接厚度小于１．Ｏ０　ｍｍ的工件，避免了工件易烧穿现　和ＭＩＧ焊（惰性气体氩气或氦气）。其中ＣＯ　气体保　象。不过使用ＭＩＧ焊接低碳钢工件，成本比较高，另　护焊、ＭＡＧ焊应用的比较多，ＭｌＧ焊由于成本高，　外钎焊焊接接头强度不如熔焊接头。　在生产中应用的不多。　对于熔化极气体保护焊来说，如何精确控制熔滴　除了熔化极气体保护焊之外，还有一种特殊的电　过渡，减少或避免飞溅问题，一直是广大焊接工作者　弧焊工艺即电弧螺柱焊。　关心和研究的问题。随着焊接电源从电磁控制式发展　（１）熔化极气体保护焊　到逆变式，这个问题得到了很大的改善。电磁控制式　熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的　焊接电源是利用电感效应来调节焊接过程中电流、电　焊丝于被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母　压，其动态响应速度慢；逆变电源是利用电子电容器　材金属，形成熔池和焊缝的焊接方法。由于ＣＯ　气体　来控制焊接过程中电流、电压的变化，其动态响应速　保护焊具有焊接速度快、成本低和易与全位置焊接等　度很快，可以实时控制熔滴过渡过程，最大限度地避　特点，在大多数汽车生产厂家应用最广泛。不过ＣＯ，　免飞溅现象。目前，很多国外电焊机厂家（如伊萨、　气体保护焊的缺点也很明显，即飞溅大、烟尘大、焊　林肯、米勒等焊机公司）开发出了各具特色、性能优　缝成型不良、冲击韧性低。对于飞溅大的问题，国内　异的逆变弧焊机。国内一些有实力的电焊机生产厂家　有些厂家使用防飞溅液涂抹在工件表面来避免金属飞　也掌握了逆变焊机制造技术，推出了数字化逆变弧　溅颗粒粘附在工件上，焊后用抹布把防飞溅液和金属　焊机。神龙公司在Ｘ７项目中采购了１８台北京时代公　飞溅颗粒一起擦去。神龙公司没有采用ＣＯ，气体保护　司生产的ＭＡＧ／ＭｌＧ逆变弧焊机，从现场使用情况来　焊，主要使用ＭＡＧ和ＭＩＧ焊。ＭＡＧ焊与ＣＯ，气体保　看，焊接效果可满足生产要求。　护焊相比，其电弧燃烧稳定、飞溅小、焊缝成型美　（２）螺柱焊　观、冲击韧性好，同时还克服了纯氩气保护时的表面　螺柱焊接具有快速、可靠、操作简单等优点，　张力大、液体金属粘稠等问题。由于保护气体成分主　可以替代铆接、钻孔等工艺。目前，螺柱在白车身制　要是氢气，ＭＡＧ焊的使用成本Ｉ：：Ｉ：ＣＯ，气体保护焊的使　造中的使用量越来越多，神龙公司爱丽舍车型的螺柱　用成本要高。ＭＡＧ焊和ＣＯ，气体保护焊的焊丝通常　使用量是５０多个，标致３０７车型的螺柱使用量已经超　采用Ｈ０８Ｍｎ２ＳｉＡ，低碳钢中添加了硅、锰元素以补　过了１　Ｏ０个。螺柱焊主要有储能式（电容放电）和拉　偿电弧燃烧时引起的焊缝合金元素的烧损。另外，为　弧式２种方式。储能式螺柱焊的焊接时间、焊接电流　２０１　０年第３期　汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　１　７　Ａ　Ｔ＆Ｍ碗界　不可调，熔深很浅，在汽车行业的应用很少。目前，　汽车行业应用最多的是拉弧式螺柱焊：在螺柱接触工　件后，扣动焊枪开关，螺柱被拉起，离开工件；然后　工件与螺柱之间产生电弧，电弧产生的热量熔化螺柱　顶部法兰和工件表面；随后螺柱下降浸入工件表面形　成的熔池里，设备断电，熔池冷却形成焊接接头，焊　差，激光焊接工艺只在国内汽车的少数合资企业有所使　用，如一汽大众、神龙公司、上海大众等。　激光焊接技术在白车身的主要应用是在可视的　外围接合件上，如行李箱上下两部分的接合、顶盖与　左右侧围的接合、汽车Ｃ柱上下两段的接合等。顶盖　与侧围的结合使用激光焊接，可以提高车身强度、使　接完毕。螺柱焊接时间非常短，通常在２０～４０　ｍｓ之　车身更美观、便于车身结构设计。上海大众帕萨特、　间，所以汽车行业采用的这种螺柱焊接工艺也称为短　一汽大众奥迪Ａ６、高尔夫等车型上均用到了此项技　周期螺柱焊，焊接过程见图３。　术。行李箱的设计由上下两部分组成，采用普通的　电阻焊和ＭＩＧ／ＭＡＧ焊接方法，难以满足密封性、强　旦旦且丑　度、外观等要求，使用激光焊接工艺可以有效地解决　这些问题。一汽大众、上海大众、神龙公司等厂家的　图３短周期螺柱焊接过程　行李箱均使用了此项技术。见图４。　螺柱焊设备焊接电源现在以逆变式电源为主，　已经基本替代了晶闸管控制弧焊整流器电源。螺柱焊　枪已经从气动发展到电动，由通过弹簧的伸缩来控制　螺柱的提升、下降过程，发展到伺服电机控制螺柱的　运动，精确控制螺柱的运动行程，提高了螺柱焊接质　量。现在螺柱焊接技术发展快，自动化程度高，广泛　采用了计算机技术、模糊系统、专家系统程序等智能　图４雪铁龙Ｃ５行李箱激光钎焊焊缝　控制系统技术。螺柱焊设备不仅能精确设置和记录、　激光焊接技术除了用于白车身焊接之外，另外一　储存焊接参数，而且能对焊接过程进行实时检测，具　个重要应用方向是汽车零件的切割和拼焊。为了提高汽　有故障自我诊断专家系统，并能自动调节焊接参数，　车的安全性，近几年高强度钢板和超高强度钢在白车身　以保证焊接质量；另外，１台焊接主机可以最多带５把　制造方面的应用越来越多。据报道，２００６年日本本田汽　焊枪工作，大大提高了焊接主机的利用率。　车公司在本土生产的思域牌轿车，高强度钢和超高强度　目前，国内汽车行业的螺柱焊机主要依靠进口，　钢占钢板使用量的５０％。高强度钢材料的硬度高，其加　存在价格高、维修成本高的问题。通过国内焊接技术　工难度大，而激光切割效率高且材料的热影响区很小，　人员的不断攻关，深圳和天津已经有焊机设备厂家研　几乎不产生零件变形，可以解决这个难题。激光拼焊板　制出可用于汽车行业使用的螺柱焊接设备，不过焊机　Ｊ：：Ｂ２个或２个以上相同或不同厚度、不同材质、不同涂　整体性能与国外先进焊机还有一定的差距，设备的稳　层的钢质材料沿直线或曲线焊接在一起，可以减少零件　定性有待验证。　数量、减轻车身质量、降低成本、提高安全性。蒂森克　虏伯公司和大众汽车合作，将此项技术最早应用于奥迪　３激光焊接技术　１００的底板拼焊，目前已广泛应用在汽车车身的各个部　激光焊接的特点是能量密度高、被焊工件变形小、　位上，如行李箱加强板、行李箱内板、减振器支座、后　焊缝深宽比大、热影响区窄。激光焊接对零件和工装的　轮罩、侧围内板、门内板、前地板、前纵梁、保险杠、　精度要求很高，由于国内汽车零件的精度低、重复精度　横梁、轮罩、Ｂ柱连接件、中立柱等。激光拼焊板在汽　８　ｌ汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　　Ｉ２０１　０年第３期　Ａ　Ｔ＆／１４禳　界　车制造中已获得普遍应用，国内汽车厂家如一汽大众奥　人。神龙汽车公司生产自动化水平一向比较高，焊装　迪Ａ６的前地板、上海通用的某车型前门内板、东风标致　３０７的中立柱、前纵梁等零部件都在制造中使用了激光　拼焊板技术。　车间机器人数量已经达到了２５０多台：其中侧围线、　地板合装线采用了点焊机器人；车门线、尾门线采用　了包边机器人和涂胶机器人　车身合装线采用了点焊　机器人和搬运机器人。以２号平台车身合装线为例，　焊接机器人３７台，机器人焊点数７００多个，并可以进　行４个车型的柔性化焊接生产。车身合装线机器人岛　见图５。　应用在汽车工业上的激光焊接设备最早是ＣＯ　气体　激光器，由于激光器有体积大、光波无法用光纤传送、　操作难度大等缺点，近几年已经被固体激光器替代。固　体激光器具有激光聚焦性好、光束细小、波长短、可用　光纤传送、易于操作等优点。目前，国内汽车厂家使用　的激光器都是国外进口，其价格高。国内激光器厂家基　本上不具备生产大功率固体激光器的能力。　４焊接机器人技术　焊接机器人是本体独立、动作自由度多、程序变　更灵活、自动化程序高、生产效率高的焊接设备，它　突破了传统刚性的自动化方式，可以进行多品种车型　混流的柔性化生产。目前，国内外应用在汽车行业的　绝大多数机器人是示教再现型机器人，它在示教过程　图５车身合装线机器人岛　现在焊接机器人都是国外进口产品，主要有ＡＢＢ　机器人，ＫＵＫＡ机器人，ＭＯＴＯＭＡＮ机器人等品牌。　神龙汽车公司焊装车间使用的机器人，ＡＢ８品牌占绝　大多数，另外有少量的ＫＵＫＡ、ＭＯＴＯＭＡＮ机器人。　中自动记录每个动作的位置、姿态、运动参数、工艺　参数等，示教完成后，只需给机器人一个启动命令，　它就可以十分精确的重复示教内容。　汽车行业点焊机器人数量占焊接机器人总量的　５结束语　目前，国内外汽车生产厂家的白车身焊接技术主　要以电阻焊工艺为主，辅以熔化极气体保护焊和激光　焊接。白车身电阻焊焊接工艺与弧焊技术工艺没有发　生实质的变化，不过焊接设备制造技术近年来发展很　８０％左右，由机器人本体、点焊焊接系统、控制系统　三大部分组成。机器人本体应用最多的是全关节６轴　机器人。机器人控制系统由焊接控制部分和机器人本　体控制部分组成；焊接控制部分实现控制电极加压、　通电焊接、程序转换等功能；本体控制系统实现示教　再现、焊点位置和精度控制。点焊焊接系统由焊接控　快，随着电子电力技术、计算机技术、自动化技术的　不断进步，焊接设备可以存储各种焊接参数值，具备　焊接专家系统，能够实时监控焊接过程，可以自我诊　制器，焊钳（含阻焊变压器），水、电、气等辅助部　分组成。　断设备故障；另外，逆变技术不断成熟，这也是焊接　设备在核心元件上的重大进步，它使设备更节能、性　能更完善、焊接质量更好。不过，目前国内的焊接专　用设备制造水平与国外的先进水平相比还有较大的差　机器人在国内外汽车公司应用极为普遍，其应　用领域除点焊工艺之外，还扩展到了涂胶、包边、搬　运、螺柱焊接等领域。近年来，国内主流合资汽车公　司的焊装车间都大量采用了焊接机器人ｉ民营汽车企　业吉利汽车公司和刚刚进入轿车生产领域的江淮汽　距。对于中频逆变电阻焊机、大功率固体激光器、焊　接机器人等设备，国内设备厂家尚没有推出可以满足　车，最近两年在建成的焊装线都大量使用了焊接机器　２０１　０年第３期　大规模焊装生产的产品。圈　汽车Ｔ艺与材料ＡＴ＆Ｍ　ｌｌ　　９