汽車生產(chǎn)中的焊接技術(shù)

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。隨著技術(shù)的進(jìn)步，焊接新工藝、新材料、新方法不斷運(yùn)用在汽車制造中，鍍層鋼板、輕金屬材料的焊接問題，高分子材料、復(fù)合材料、異種材料、特種材料對汽車焊接提出了新的挑戰(zhàn)。而汽車焊接過程中的機(jī)器人與自動化技術(shù)使汽車焊接面貌大為改觀。

汽車焊接新技術(shù)或新用途

激光焊接技術(shù)

激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，如果焦點(diǎn)靠近工件，工仵就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應(yīng)可用于焊接工藝。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd:YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁柘榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd:YAG激光器波長為1.06mm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6mm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2-5千瓦之間。

激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高。但是，如向保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制是一個激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計(jì)算機(jī)處理，針對不同焊接對象和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項(xiàng)目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動化激光焊接。汽車工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。

塑料焊接技術(shù)

超聲波塑焊是將高頻率機(jī)械振動通過工件傳到接口部分，使分子加速運(yùn)動。分子摩擦轉(zhuǎn)換成熱量使接口處塑料溶化，從而使兩個焊件以分子聯(lián)接方式真正結(jié)合為一體。因?yàn)檫@種分子運(yùn)動是在瞬間完成的，所以絕大部分的超聲波塑焊可以0.25～0.5s內(nèi)完成。超聲波塑焊適用于焊接面積較小，結(jié)構(gòu)規(guī)則和熱塑性的塑料件。

振動摩擦塑料焊接技術(shù)是使工件在加壓的狀況下相互摩擦，能量沿熔接部位傳導(dǎo)，并且在特別設(shè)計(jì)的部位使塑膠因摩擦生熱而溶化，溶化時段過后在繼續(xù)加壓的狀態(tài)下冷卻固化，固化后的接口強(qiáng)度與本體塑膠強(qiáng)度相當(dāng)。

Branson塑料焊接技術(shù)已被成功地運(yùn)用于汽車保修杠、儀表板和儀表盤、剎車顯示燈、方向指示器、汽車門板以及其他與發(fā)動機(jī)有關(guān)的零部件制造工業(yè)中。近年來，原先許多傳統(tǒng)使用金屬的零部件也開始用塑料代替，如進(jìn)氣管，儀表指針，散熱器加固，油箱，過濾器等。振動摩擦焊接適用于焊接面積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，而且對塑料類型沒有特殊要求。

電阻焊的節(jié)能及控制技術(shù)

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)的問題。同時還可進(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。

西南交通大學(xué)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(jī)進(jìn)行了改造，解決了鋁合金車圈的焊接質(zhì)量問題，提高了焊接生產(chǎn)率。后又同一工廠研制了PLC縫焊控制器，解決了對一般清理要求制件的縫焊問題。通過這兩項(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)完成了高難度的對焊及縫焊工作。

等離子焊（PAW）

像TIG焊接工藝一樣，PAW焊接機(jī)器人的應(yīng)用是很少的。這種生產(chǎn)是用于汽車燃油箱的焊接，使用的是不同的焊接工藝像TIG-電阻點(diǎn)焊和等離子焊等，等離子的焊接工藝應(yīng)用在油箱的兩個半圓邊緣的焊接。許多行業(yè)對等離子焊接工藝的進(jìn)一步發(fā)展非常感興趣，具體的開發(fā)將會集中在開發(fā)很高的等離子密度和用于等離子焊槍的重新設(shè)計(jì)上。

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)動機(jī)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(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。

TCP自動校零技術(shù)

焊接機(jī)器人的工具中心點(diǎn)就是焊槍的中心點(diǎn)，TCP（toolcenterpoint工具中心點(diǎn)）的零位精度直接影響著焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。但在實(shí)際生產(chǎn)中不可避免會發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預(yù)見性因素導(dǎo)致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動進(jìn)行機(jī)器人TCP校零，但一般全過程需要30分鐘才能完成，影響生產(chǎn)效率。TCP自動校零是用在機(jī)器人焊接中的一項(xiàng)新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過TCP支座時，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到CPU與最初設(shè)定值進(jìn)行比較與計(jì)算。當(dāng)TCP發(fā)生偏離時，機(jī)器人會自動運(yùn)行校零程序，自動對每根軸的角度進(jìn)行調(diào)整，并在最少的時間內(nèi)恢復(fù)TCP零位。目前在波羅后橋及帕薩特副車架的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線上均采用了該技術(shù)，大大方便了設(shè)備調(diào)整，節(jié)約了調(diào)整時間，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

焊縫自動跟蹤技術(shù)

焊接機(jī)器人缺少對工件的自適應(yīng)能力，效果比較好的是用激光視覺傳感器系統(tǒng)，它能夠自動識別焊縫位置，在空間中尋找和跟蹤焊縫、尋找焊縫起、終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊槍跟隨焊縫位置自適應(yīng)控制。但這種方法不太適合轎車底盤零件的焊接，因轎車底盤零件機(jī)器人系統(tǒng)的夾具允許機(jī)器人工作空間范圍很小，根本不允許焊槍頭上再有附帶激光跟蹤頭焊接。為此僅可使用的焊縫自動跟蹤技術(shù)為電弧電壓跟蹤傳感，該系統(tǒng)具有尋找焊縫起始點(diǎn)、終點(diǎn)以及弧長參考點(diǎn)，焊接過程中根據(jù)弧長的變化，用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)控制。這種方法也只能應(yīng)用于角接接頭形式，對于轎車底盤零件大量的薄板搭接焊縫，因無法尋找弧長參考點(diǎn)也無法應(yīng)用。

汽車焊接新材料

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。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(lǐng)先地位。

SMC國際超合金集團(tuán)焊接產(chǎn)品公司開發(fā)的NI-RODㄌ畛浣鶚羰悄?鐵-錳系的填充金屬，它是第一種成功地應(yīng)用于這類異種焊接的耗材，并且它的衍生產(chǎn)品NI-ROD?HT可以適用于日益升高的發(fā)動機(jī)溫度。同時，使用這一類鎳基耗材不但使生產(chǎn)成本降低，并且在降低廢氣泄漏率和排放水平以及降低噪音方面都取得了新的進(jìn)展，因此成為優(yōu)化汽車鑄鐵排氣系統(tǒng)制作的特種焊接材料。直到十九世紀(jì)90年代，NI-ROD(r)填充金屬一直是西歐和北美等國家汽車排氣裝置生產(chǎn)時，鑄鐵和不銹鋼之間焊接所選擇的焊接耗材。

但是，現(xiàn)代汽車為提高燃料燃燒效率而提高了發(fā)動機(jī)工作溫度，結(jié)果使得排氣歧管的溫度超過了750℃，并產(chǎn)生了一種新的熱影響區(qū)開裂方式。由于密集網(wǎng)狀二次石墨沉淀、氧化環(huán)境以及熱循環(huán)導(dǎo)致的循環(huán)應(yīng)力的綜合作用，這種裂紋出現(xiàn)在沿著熱影響區(qū)的熔合線上。這種現(xiàn)象已經(jīng)被定義為應(yīng)力加速的氧化作用（SAO）。當(dāng)排氣歧管裝配到汽車發(fā)動機(jī)上，隨著重復(fù)的發(fā)動機(jī)操作，馬氏體將被回火而且馬氏體和滲碳體都會被溶解并重新作為二次石墨沉淀出來。二次石墨越多產(chǎn)生SAO裂紋的可能性越高。

汽車焊接走向智能化

機(jī)器人焊接

機(jī)器人焊接目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力變矩器等焊接，尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。豐田公司已決定將點(diǎn)焊作為標(biāo)準(zhǔn)來裝備其日本國內(nèi)和海外的所有點(diǎn)焊機(jī)器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，因而甚至試圖用它來代替某些弧焊作業(yè)。在短距離內(nèi)的運(yùn)動時間也大為縮短。該公司最近推出一種高度低的點(diǎn)焊機(jī)器人，用它來焊接車體下部零件。這種矮小的點(diǎn)焊機(jī)器人還可以與較高的機(jī)器人組裝在一起，共同對車體上部進(jìn)行加工，從而縮短了整個焊接生產(chǎn)線長度。

國內(nèi)生產(chǎn)的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件，主要構(gòu)件采用沖壓焊接，板厚平均為1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應(yīng)用機(jī)器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動強(qiáng)度，改善了勞動環(huán)境。

自動化焊接

縱觀整個汽車工業(yè)的焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車工業(yè)的焊接發(fā)展趨勢為：發(fā)展自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機(jī)器人，因集自動化生產(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)線要高度自動化，廣泛采用6自由度的機(jī)器人，且機(jī)器人具有焊鉗儲存庫，可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更，自動從儲存庫抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發(fā)展為采用無人駕駛的更具柔性化的感應(yīng)導(dǎo)向小車。國內(nèi)汽車焊接水平與國外相比差距很大。近年來，國內(nèi)的汽車制造廠都非常重視焊接的自動化。