汽車制造中的焊接科學(xué)與技術(shù)

中國的汽車工業(yè)誕生于1953年。毛澤東主席寫下“第一汽車制造廠奠基紀(jì)念”的題詞至今已走過了50年的歷程。歷經(jīng)了幾代人的艱苦奮斗，中國汽車工業(yè)從無到有、從小到大，從貨車時代到轎車時代，從“公車”到“私車”，其創(chuàng)建、成長的每一步都記載著中國的巨變，成為中國制造業(yè)發(fā)展與開拓的見證。

如今，汽車工業(yè)已成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位。

汽車工業(yè)是用高新技術(shù)牽動國民經(jīng)濟(jì)整體水平的典型產(chǎn)業(yè)。基礎(chǔ)工業(yè)的水平與汽車制造技術(shù)具有密切的聯(lián)系。汽車重量的65％以上是采用鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料并通過鑄造、鍛壓、焊接等加工方法完成的。其中，焊接加工是汽車車體與零部件制造鏈中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與沖壓、涂裝和成車裝配等構(gòu)成了汽車制造的四大主要生產(chǎn)部門。同時，汽車產(chǎn)品的車型眾多、成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及汽車制造在質(zhì)量、效率、成本等方面的綜合要求，都決定了汽車制造中的焊接加工是一個多學(xué)科、跨領(lǐng)域、技術(shù)集成性強(qiáng)的生產(chǎn)過程。因此，汽車制造業(yè)的需求對焊接科學(xué)技術(shù)的巨大牽動以及焊接科學(xué)技術(shù)對汽車這一支柱產(chǎn)業(yè)的重要支撐作用構(gòu)成了基礎(chǔ)制造技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間依存與互動的發(fā)展史和不斷進(jìn)步的動力。

1 汽車制造中的焊接技術(shù)的特點

焊接是汽車制造鏈中的一項重要的加工環(huán)節(jié)。汽車的發(fā)動機(jī)、變速箱、車橋、車架、車身、車廂等六大總成都離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用。各種焊接方法“覆蓋”了從白車身、車架、底盤到懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器、離合器、變速器直至車輪輪圈等部件的成形加工。各類已有的焊接單元技術(shù)和工藝方法，如電阻焊、氣體保護(hù)焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等都得到應(yīng)用[1]。例如，在一輛Passat車身上有電阻焊焊點5892個；螺栓焊206個；MIG焊焊縫累計2397mm等。圖1是汽車主要部件焊接加工方法應(yīng)用的一個簡要的描述。

圖1 汽車主要部件焊接加工的示意圖

在以“鋼結(jié)構(gòu)”為主的汽車車身及主要支撐部件的焊接加工中，形成了汽車制造與焊接技術(shù)特有的結(jié)合點：

（1）對焊接產(chǎn)品有高的尺寸要求。為了保證產(chǎn)品的裝配精度和尺寸穩(wěn)定性，要求盡可能減少薄板沖壓組合部件在焊后的熱應(yīng)力與變形。

（2）對焊縫接頭有高的性能要求。不僅要滿足靜態(tài)和動態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)，而且有苛刻的低周疲勞性能要求。

（3）批量化焊接生產(chǎn)有高品質(zhì)的要求。以機(jī)器人為核心的自動化焊接生產(chǎn)方式代替手工焊接操作方式，以確保焊接產(chǎn)品的一致性。

（4）對焊接生產(chǎn)過程高節(jié)拍、高效率的要求。提出了高效化焊接方法與工藝的應(yīng)用，同時也進(jìn)一步提高了焊接接頭的質(zhì)量。

（5）對“零缺陷”、“零次品”的質(zhì)量控制與保證，提出了自動化焊接過程的監(jiān)測與信息化管理的要求。促進(jìn)了以計算機(jī)、信息技術(shù)為平臺的焊接制造過程質(zhì)量控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

（6）對汽車的車身及零部件在結(jié)構(gòu)與功能上的要求，使汽車用新材料及其相應(yīng)的焊接新方法、新工藝與新的焊接材料成為當(dāng)前汽車業(yè)與制造業(yè)多學(xué)科交叉與攻關(guān)的熱點。

（7）我國的汽車產(chǎn)業(yè)通過合資或引進(jìn)國外先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)和制造技術(shù)，大大縮短了汽車國產(chǎn)化率的周期，也大大加快了先進(jìn)的焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。尤其是近10年以來，汽車工業(yè)在焊接新技術(shù)的應(yīng)用與推廣方面起了積極的示范作用。具有以高新技術(shù)提高競爭力、促進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式改造與更新的明顯特征。

2 汽車制造中的先進(jìn)焊接技術(shù)

針對汽車產(chǎn)品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發(fā)展目標(biāo)，當(dāng)前的汽車焊接技術(shù)正從傳統(tǒng)的材料連接概念與方法的基礎(chǔ)上迅速地延伸和拓展，并向先進(jìn)的“精量化焊接制造”的方向前進(jìn)。

2．1 汽車制造中焊接機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用

汽車制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使機(jī)器人生產(chǎn)方式在汽車焊接中獲得了大量應(yīng)用。據(jù)2001年的統(tǒng)計，全國共有各類焊接機(jī)器人1040臺，而汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76％，成為工業(yè)機(jī)器人的最主要用戶。

早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動工具研究所合作研制出4軸直角坐標(biāo)焊接機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。在我國的汽車制造企業(yè)中，最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的是長春“一汽”，自1984年起從KUKA公司先后引進(jìn)了三臺點焊機(jī)器人，曾用于當(dāng)時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。20世紀(jì)90年代以后，焊接機(jī)器人的數(shù)量增加很快，如一汽的“捷達(dá)”車身焊裝車間，13條生產(chǎn)線的自動化率達(dá)80％以上，在焊接中應(yīng)用了R30型極坐標(biāo)機(jī)器人和G60型關(guān)節(jié)式機(jī)器人共61臺；上?！皡R眾”自1993年至今已使用的焊接機(jī)器人共143臺，其中弧焊機(jī)器人120余臺，以機(jī)器人焊接為主的生產(chǎn)線有11條，機(jī)器人焊接工作站73個。機(jī)器人MIG/MAG焊接工作量占75％以上，為上海大眾、上海通用汽車公司提供后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件。

與目前國際上的工業(yè)化國家相比，如機(jī)器人應(yīng)用較普遍的日本，在1988-1997年的10年間，汽車制造中的焊接機(jī)器人已達(dá)50,022臺。其中弧焊和點焊機(jī)器人的數(shù)量分別為28,235臺和21,787臺[3]。在美國、德國等汽車行業(yè)，機(jī)器人焊接及自動化率均已超過了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)、建筑行業(yè)和造船行業(yè)等其他行業(yè)。以此亦反映出汽車焊接生產(chǎn)所具有的柔性化、集成化的制造特征。

2.2 汽車制造中激光等高能束加工技術(shù)的應(yīng)用

汽車工業(yè)是激光加工技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。激光焊接具有熱影響區(qū)小，變形小、成形好、生產(chǎn)率高等諸多優(yōu)點。在汽車制造中激光技術(shù)最早是應(yīng)用于Audil00的底板焊接，對板厚為0.9mm，長為1950mm的焊縫僅用20s時間完成[4]。如今已作為一項成熟的工藝廣泛地應(yīng)用于白車身、車頂、車門等的焊接加工。其中，較為典型的應(yīng)用是激光“裁焊拼板”(Tailor-welded blanks)工藝，即在單一部件上實現(xiàn)板材厚度的優(yōu)化和板材性能的組合。不僅提高了材料的利用率，減少模具的數(shù)量，同時滿足車身的輕量化、設(shè)計的靈活性和安全性等多個方面的需求。圖3是對車門坯料的激光“裁焊拼板”的一個實例。

車門坯料(5合1)的激光“裁焊拼板”

以激光為代表的高能束以其綜合的技術(shù)優(yōu)勢對傳統(tǒng)的白車身電阻點焊提出了挑戰(zhàn)。移動式激光焊接工作站(RLW—Remote Laser Welding)已能夠在一個相當(dāng)大的空間進(jìn)行焊接操作，聚焦距離可達(dá)lm以上，每秒可焊5個焊點，移動的速度可達(dá)每秒2m[4，6]。美國的三大汽車公司已將50％的車身部件點焊生產(chǎn)用激光焊接代替，使制造成本與傳統(tǒng)的點焊工藝相比降低了約30％。全鋁結(jié)構(gòu)的AudiA2車身部件由50種型材、20種鑄件和168塊板件構(gòu)成，在該車體的制造中，由激光完成的焊縫達(dá)30m，MIG焊縫20m，并采用1700個自穿孔鉚釘，成功地替代了傳統(tǒng)的電阻點焊工藝，顯著地提高了車身成形的質(zhì)量[7]。表1給出了激光點焊(LSW)、等離子點焊(PSW)與傳統(tǒng)的電阻點焊(RSW)在工藝性方面的比較[8,9]。另外，激光釬焊工藝以最小的熱輸入量用于對鍍鋅板的焊接，達(dá)到最少的表面鍍層燒損。該工藝已應(yīng)用于Audi車的外殼層、后防護(hù)板，大眾Bora和Golf車的行李箱蓋等[4]。

汽車制造工業(yè)也是高能束加工之一的電子束焊接的最大用戶。我國自1986年以來，用于汽車變速齒輪的電子束焊接設(shè)備已有近30臺[10]。目前局部真空和非真空電子束技術(shù)的發(fā)展，提高了生產(chǎn)過程的適應(yīng)性和靈活性，并開始應(yīng)用于汽車鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接”[11]。

2.3 汽車制造中高效弧焊技術(shù)的應(yīng)用

脈沖GMAW(P-GMAW)、雙絲MIG/MAG焊(Twin-Wire，Tandem-Wire)等代表了當(dāng)前在汽車制造中應(yīng)用的高效、高速焊接新工藝。這兩種焊接方法與機(jī)器人相配合，能充分體現(xiàn)高效化焊接的特點，實現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)在空間可達(dá)性和焊接速度之間的協(xié)同和完美組合。

P-GMAW電弧過程具有好的穩(wěn)定性，能有效地保證焊縫質(zhì)量的一致性，改善了由于短路過渡焊接過程較低的熱輸入而造成的熔深不足。P-GMAW的射流過渡方式適用于薄板材料的高速焊接、鋼或鋁合金的車身框架結(jié)構(gòu)的全位置焊接。在Audi A8全鋁合金車身框架結(jié)構(gòu)的管狀型材和接合點的焊接中，均大量地采用了P-GMAW的工藝[9]。

雙絲MIG/MAG焊有兩種基本形式：一種是雙絲焊接工藝(Twin—Wire)，兩個焊絲都是采用同樣的焊接參數(shù)：另一種是Tandem-Wire，采用兩個獨(dú)立的噴嘴和兩個獨(dú)立的電源，每個電弧有自己獨(dú)立的焊接參數(shù)。圖4顯示的是機(jī)器人的鋁合金脈沖MIG焊接及Tandem的焊接。前者的焊速為60～80cm/min；后者的焊速為180～210cm/min，用于寶馬5系列及奔馳(S級和E級)車型的鋁合金后軸[12]。

2.4 汽車制造中焊接新材料的應(yīng)用

從我國8個行業(yè)的用鋼量的統(tǒng)計結(jié)果及調(diào)查預(yù)測表明，我國的汽車行業(yè)用鋼已居建筑、機(jī)械制造兩大行業(yè)之后的第三位。其用鋼量超過了造船、鐵路、石油與天然氣三個行業(yè)的總和。表2和圖4分別給出了汽車及相關(guān)行業(yè)的用鋼和焊絲用量的情況。從這些數(shù)據(jù)表明，從當(dāng)前到今后的近十年中，是我國汽車制造業(yè)的大發(fā)展時期，對于汽車用鋼的焊接加工亦預(yù)示了相當(dāng)大的發(fā)展空間。同時，圖5的數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，自動化焊接工藝在汽車焊接中始終具有主導(dǎo)的地位。

圖4 鋁合金后軸的焊接

近年來，汽車產(chǎn)品在輕量化、安全性以及防腐耐蝕方面的需求，促進(jìn)了高強(qiáng)鋼板、鍍層鋼板等新型材料的研制，亦對焊材品種及其相關(guān)工藝不斷提出了新的課題。例如，為滿足機(jī)器人焊接高效率的需求，從提高送絲性能和引弧成功率、減少飛濺、改善電弧穩(wěn)定性等方面考慮，開展了不鍍銅型MAG焊實芯焊絲的研制；新開發(fā)的脈沖MAG焊接用的實芯焊絲，通過改變成分，降低熔滴的粘度和表面張力，焊絲經(jīng)過表面處理，促進(jìn)了電弧噴射過渡，與普通的焊絲相比較，焊接速度達(dá)到1.5倍左右；針對焊接管板、輕型鋼架等鍍鋅鋼材的專用藥芯焊絲，能明顯減少鍍鋅鋼材焊接時的飛濺量和氣孔數(shù)量，獲得優(yōu)良的焊接性能(見圖6)。另外，低塵低飛濺型藥芯焊絲、極薄板的MAG焊焊絲等都在迅速地發(fā)展中[13,14]。同時，根據(jù)汽車焊接加工的特點和汽車用鋼的焊接材料專業(yè)性，正逐步形成從焊接對象、焊接材料、焊接方法三者匹配的總體工藝思路[13]。

圖6 鍍鋅鋼板用藥芯焊絲焊縫成形的對比

3 新一代汽車制造中的焊接科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展

新一代汽車正迅速地向節(jié)能、環(huán)保、更高的安全性和舒適性的目標(biāo)發(fā)展。由此對汽車的設(shè)計、材料的選擇及其焊接加工等關(guān)鍵技術(shù)提出了全新的概念和對新技術(shù)的緊迫需求。以輕量化為目標(biāo)，表現(xiàn)為輕金屬材料、復(fù)合材料等對汽車鋼制部件的替代；以液壓成形的管狀型材車體框架對傳統(tǒng)的無梁式鋼板結(jié)構(gòu)的替代(見圖7)[15]。新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用并對傳統(tǒng)技術(shù)的提升和替代，己成為近年來國際汽車行業(yè)技術(shù)進(jìn)展的顯著特點。

圖7 液壓成形的管狀型材車體框架示意圖

3.1 汽車制造中焊接新技術(shù)的進(jìn)展

如前所述，以激光焊接為代表的精量化焊接生產(chǎn)方式用一種新的技術(shù)理念促進(jìn)和加快了汽車焊接制造的進(jìn)步和創(chuàng)新。此外一些新的連接方法也率先在汽車制造中獲得應(yīng)用。如變極性MIG／MAG焊接方法、激光-電弧復(fù)合焊接方法、磁脈沖焊接方法、膠接和機(jī)械連接方法等都已開始成功地應(yīng)用在各類新車車型的制造中。表3列舉了當(dāng)前先進(jìn)的焊接連接技術(shù)的特點及應(yīng)用。

在BMW7系列車型的車身凸緣的連接加工中，采用膠接技術(shù)的已達(dá)到150m，占凸緣總長的80％，而消耗粘結(jié)劑僅1.5kg；在Daimler Chrysler公司最新生產(chǎn)的Mercedes Benz CL車身結(jié)構(gòu)中，大量采用了纖維增強(qiáng)型熱固塑料、薄壁鋁合金壓鑄件結(jié)構(gòu)，采用膠接方法對該異種材料的連接接頭有71m。此外，為了滿足復(fù)合材料和異種材料車體的連接，大量發(fā)展了各種機(jī)械連接或機(jī)械連接與粘結(jié)復(fù)合的連接方式，如咬接、實心或空心鉚接、折疊連接、自穿孔鉚接等，具有不受材料類型的限制、避免加熱引起的材料性能變化和變形等獨(dú)特的優(yōu)勢。

3.2 計算機(jī)與信息技術(shù)在汽車焊接中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的焊接技術(shù)正經(jīng)歷著由經(jīng)驗性工藝向材料加工科學(xué)的變革。隨著計算機(jī)與信息技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)了傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)向“精量化”的先進(jìn)制造方式轉(zhuǎn)變，并逐步與汽車制造加工鏈在產(chǎn)品生命全周期的有機(jī)集成。在當(dāng)前汽車制造的焊接生產(chǎn)中，具體表現(xiàn)在對以減少消耗和提高綜合效益為目標(biāo)的信息化制造的迫切需求。

基于虛擬現(xiàn)實建模(Virtual reality modeling)的機(jī)器人焊接過程仿真技術(shù)提供了關(guān)于工件、夾具和機(jī)器人焊槍姿態(tài)的三維信息，已大量地應(yīng)用于焊接過程規(guī)劃、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及焊接夾具的設(shè)計等各個制造環(huán)節(jié)。對加快機(jī)器人焊接程序的編制、節(jié)約現(xiàn)場調(diào)試時間以及焊接過程位置信息的準(zhǔn)確獲取具有重要應(yīng)用價值。圖8分別給出由清華大學(xué)研制的“轎車車身機(jī)器人裝焊生產(chǎn)線”實體模型(a)和“奔馳”公司對卡車車身機(jī)器人點焊過程的仿真(b)。

目前的仿真技術(shù)已有能力進(jìn)行焊接工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響的評估，以及對焊后的應(yīng)力與變形作出預(yù)測。新型車型的車身材料將從鍍層鋼板、鋁合金、高分子聚合物、復(fù)合材料等進(jìn)行選擇、優(yōu)化和組合，因此在設(shè)計階段就需要對多種材料的連接方式及其應(yīng)達(dá)到的性能，尤其是疲勞性能、沖擊性能等進(jìn)行綜合考慮，通過對接頭的仿真作出適用性評價。

為確保汽車焊接自動化生產(chǎn)高效、高質(zhì)量地進(jìn)行，實現(xiàn)“零次品”、“零缺陷”的產(chǎn)品管理目標(biāo)，基于過程參數(shù)的焊縫質(zhì)量實時監(jiān)測和缺陷檢出以及焊接生產(chǎn)過程及其產(chǎn)品質(zhì)量信息的在線反饋均在實施中。在美國、德國汽車制造業(yè)的質(zhì)量管理體系中，都明確規(guī)定了對生產(chǎn)過程中的每個部件產(chǎn)品質(zhì)量的可記錄性和可追溯性。如由美國Chrysler,Ford，GM三大汽車公司制定的基于QS-9000的統(tǒng)計過程控制(SPC)以及由德國汽車工業(yè)聯(lián)合會制定的基于DIN EN ISO9001和DIN EN IS09004-1的汽車工業(yè)質(zhì)量管理體系審核(VDA 6)等，對生產(chǎn)過程要素如工序能力、設(shè)備能力、產(chǎn)品質(zhì)量受控能力等都作了明確的定義。因此，以計算機(jī)和信息技術(shù)為平臺的焊接生產(chǎn)過程信息系統(tǒng)為汽車焊接生產(chǎn)過程的質(zhì)量狀況分析與優(yōu)化、以及企業(yè)的管理與決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖9 基于過程參數(shù)的汽車部件

焊縫質(zhì)量實時監(jiān)測和缺陷檢出

4 結(jié)束語

汽車作為20世紀(jì)最顯著的人文標(biāo)志之一，己成為人類社會的科技與文明進(jìn)步的一個象征。從50年代開始的中國汽車制造業(yè)，以手工焊和電阻點焊作為主要加工手段跨出了汽車制造的第一步，如今已進(jìn)入了世界汽車生產(chǎn)大國的行列。我國汽車制造業(yè)在高速增長的同時，對基礎(chǔ)制造技術(shù)上的認(rèn)識深化和自主開發(fā)的需要已越來越迫切。從一個“支柱產(chǎn)業(yè)”對基礎(chǔ)制造技術(shù)的強(qiáng)大牽動作用及其對傳統(tǒng)制造方式的巨大挑戰(zhàn)，充分反映了發(fā)展制造業(yè)的極其重要性和技術(shù)創(chuàng)新的緊迫性。中國與發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)還存在巨大的差距，汽車工業(yè)是世界性的產(chǎn)業(yè)，面對國際競爭的全球化、國內(nèi)競爭的國際化的形勢，為使我國的汽車工業(yè)能快速跨越到全球經(jīng)濟(jì)的高度，在世界汽車工業(yè)的發(fā)展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接科學(xué)與技術(shù)在內(nèi)的基礎(chǔ)制造技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新能力的提高，才能實現(xiàn)具有中國特色的汽車工業(yè)自主發(fā)展的目標(biāo)。