車身焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

摘要：介紹了車身制造常用的焊接技術(shù)如電阻焊、電弧焊、激光焊，以及焊接機(jī)器人技術(shù)，并分別對(duì)電阻焊、電弧焊、激光焊接技術(shù)的具體分類、應(yīng)用設(shè)備及發(fā)展前景進(jìn)行研究，對(duì)比分析其工作原理及技術(shù)特點(diǎn)，以及各焊接技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用。

1 前言

目前國內(nèi)汽車廠家采用的車身焊接技術(shù)主要是電阻焊、電弧焊、激光焊。在車身制造中應(yīng)用最多的為電阻焊接技術(shù)，通過電阻點(diǎn)焊技術(shù)將數(shù)目眾多的薄板零件連接起來形成白車身總成。由于汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有些部位難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊，或由于零件裝配問題，厚度相差太大等因素，為了完成不同零件之間的連接，少數(shù)位置采用了電弧焊接技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在車身制造領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間比較短，但由于其優(yōu)點(diǎn)較多，目前已經(jīng)在國外汽車公司得到大量應(yīng)用，國內(nèi)有些主流汽車廠家也在逐步采用。

2 電阻焊技術(shù)

電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，通以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域生產(chǎn)的電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的焊接方法。電阻焊主要分為點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、對(duì)焊。在車身制造領(lǐng)域應(yīng)用最多的電阻焊技術(shù)是點(diǎn)焊，其次是凸焊，在車身制造中沒有應(yīng)用縫焊及對(duì)焊技術(shù)。

2.1 點(diǎn)焊技術(shù)

點(diǎn)焊（圖1）由于生產(chǎn)效率高、操作簡單、焊接變形小、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在車身制造中應(yīng)用最為廣泛；目前點(diǎn)焊工藝依然是國內(nèi)外各大轎車廠家車身焊接方法中最重要的方法。通常一個(gè)轎車車身有3 000～5 000個(gè)焊點(diǎn)。焊點(diǎn)的裝配關(guān)系主要有兩種：兩層鋼板和三層鋼板；四層鋼板焊接在少數(shù)情況也可以獲得合格的焊點(diǎn)，但其對(duì)鋼板強(qiáng)度、鋼板厚度及裝配關(guān)系的要求很高，且焊接時(shí)飛濺大，焊點(diǎn)壓痕深，焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度有所下降，因此四層鋼板點(diǎn)焊需要謹(jǐn)慎使用。

圖1 點(diǎn)焊

電阻焊是電能轉(zhuǎn)化為熱能的焊接方法，計(jì)算公式如下。

Q=I 2 RT 式中，Q為產(chǎn)生的熱量；I為焊接電流；R為焊接電阻；T為焊接時(shí)間。

焊接電阻包括電極與工件之間的接觸電阻、工件與工件之間的接觸電阻、以及工件本身的電阻。其中接觸電阻與焊接壓力有直接的關(guān)系，要獲得合格的焊點(diǎn)，需要合適的焊接壓力。形成一個(gè)合格焊點(diǎn)需要三個(gè)主要因素，即焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力。每個(gè)焊點(diǎn)的具體焊接參數(shù)值由鋼板厚度、鋼板強(qiáng)度、鋼板鍍層情況及鋼板裝配狀態(tài)等因素綜合決定。焊點(diǎn)質(zhì)量水平是衡量車身質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素較多，即零件裝配狀態(tài)、鋼板鍍鋅層厚度、焊點(diǎn)間距、零件結(jié)構(gòu)、電極對(duì)中狀態(tài)、焊鉗冷卻狀態(tài)、電
極帽修磨狀態(tài)、夾具是否分流、程序轉(zhuǎn)換開關(guān)是否失效、焊接參數(shù)值是否合理等，在出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題時(shí)，應(yīng)需從多方面進(jìn)行分析 [1] 。

2.2 點(diǎn)焊設(shè)備

目前，點(diǎn)焊的設(shè)備類型主要分為兩大類：手工焊鉗和機(jī)器人焊鉗。

手工焊鉗（圖2）的主要元件包括阻焊變壓器、焊鉗控制器、氣缸、鉗體、鉗臂、水電氣管等。手工
焊鉗分為分體式手工焊鉗和一體式手工焊鉗。分體式手工焊鉗，其阻焊變壓器與鉗體分離，中間采用較長的次級(jí)電纜相連接，能耗比較高，價(jià)格便宜，前些年在國內(nèi)汽車廠家應(yīng)用十分廣泛；由于不符合節(jié)能環(huán)保的要求，能耗高，次級(jí)電纜容易損壞，近些年逐步被淘汰。一體式手工焊鉗，其阻焊變壓器與鉗體直接連接，無次級(jí)電纜損耗，價(jià)格稍高，但由于其節(jié)能、效率高、易于操作等特點(diǎn)，最近幾年已經(jīng)在國內(nèi)主流汽車廠家得到大量采用。手工焊鉗無論分體式還是一體式，焊鉗控制器都采用了微處理器技術(shù)，根據(jù)鋼板零件裝配情況可以對(duì)焊接電流、焊接壓力、焊接時(shí)間、電流遞增臺(tái)階、電極修磨記數(shù)等參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置；其中一體式焊鉗的控制器最多可以設(shè)置64套焊接參數(shù)程序，利用焊接參數(shù)程序轉(zhuǎn)換開關(guān)，一把焊鉗可以焊接多種不同裝配的焊點(diǎn)；且控制器具有故障自診斷功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制器會(huì)出現(xiàn)故障代碼，極大地提高了設(shè)備維修效率。

圖2 手工焊鉗

機(jī)器人焊鉗也分為兩類：氣動(dòng)機(jī)器人焊鉗和伺服電機(jī)機(jī)器人焊鉗。氣動(dòng)機(jī)器人焊鉗由氣缸、鉗體、阻鉗變壓器、具有補(bǔ)償功能的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下電極組件及電極等部件組成。通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)而帶動(dòng)焊鉗上下電極夾緊至預(yù)先設(shè)定壓力以完成焊接動(dòng)作。由于氣動(dòng)焊鉗在焊接加壓時(shí)無法精確控制電極移動(dòng)速度，對(duì)工件沖擊較大，容易使工件產(chǎn)生變形、焊接飛濺、焊接時(shí)噪音較大等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步被伺服電機(jī)機(jī)器人焊鉗（圖3）所取代。伺服電機(jī)焊鉗與氣動(dòng)焊鉗主要區(qū)別在于伺服焊鉗焊接壓力采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用伺服電機(jī)代替氣動(dòng)焊鉗中的氣缸。伺服電機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)化為焊鉗電極的上下運(yùn)行。在伺服焊鉗機(jī)械結(jié)構(gòu)中滾珠絲杠是最重要的機(jī)械元件，由絲杠、螺母、滾珠等零件組成，具有驅(qū)
動(dòng)力矩小、精度高、可實(shí)現(xiàn)低速進(jìn)給及高速進(jìn)給、剛性高、可逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，保證了伺服焊鉗功能的實(shí)現(xiàn)。.

圖3 機(jī)器人焊鉗

2.3 凸焊技術(shù)

在車身制造領(lǐng)域中凸焊技術(shù)主要應(yīng)用于焊接螺釘，螺母類零件或小件；通常情況下，單個(gè)車身使用的螺釘或螺母件數(shù)量超過兩百個(gè)。凸焊實(shí)際上是點(diǎn)焊的一個(gè)變形，通常在螺釘或螺母上沖出凸點(diǎn)或凸環(huán)，或在小件上沖出凸點(diǎn)。凸焊焊接時(shí)由于電流集中，克服了點(diǎn)焊時(shí)因零件厚度不同而造成的熔核偏移，零件的厚度比可以超過6∶1，而點(diǎn)焊工藝不同零件的厚度比通常不超過4∶1。凸焊時(shí)，電極要隨著凸點(diǎn)或凸環(huán)被壓潰而迅速下降，否則會(huì)因?yàn)閴毫ι仙徛a(chǎn)生噴濺或炸電極，因此凸焊設(shè)備的電極隨動(dòng)性要好。在對(duì)螺釘或螺母類零件進(jìn)行焊接時(shí)，焊接參數(shù)值通常采用大電流，焊接時(shí)間短，否則會(huì)容易導(dǎo)致螺紋變色，精度下降等問題。在焊接直徑為8 mm的凸環(huán)螺釘時(shí)，焊接電流需達(dá)到30 000 A，凸焊設(shè)備功率要比常用點(diǎn)焊
設(shè)備功率大的多。

2.4 電阻焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)—中頻電阻焊

目前汽車車身的發(fā)展方向是“輕量、安全、節(jié)能”，為此鍍鋅鋼板、高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金
等新材料越來越廣泛地應(yīng)用在車身制造中。傳統(tǒng)的工頻電阻焊技術(shù)已經(jīng)難以滿足新材料的焊接要求。使用傳統(tǒng)的工頻電阻焊設(shè)備焊接鍍鋅鋼板和高強(qiáng)度鋼板，容易造成焊接飛濺，電極粘連，焊接毛刺等缺陷。中頻電阻焊由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、焊接電流脈動(dòng)小、加熱集中、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好滿足鍍鋅鋼板和高強(qiáng)度鋼板焊接的技術(shù)要求，正在逐步應(yīng)用在車身制造中。

中頻電阻焊機(jī)工作原理，由三相交流電（380 V/50 Hz）經(jīng)整流電路和濾波電容轉(zhuǎn)換成 500 V 左右脈動(dòng)直流電，再經(jīng)由功率開關(guān)器件組成的逆變電路轉(zhuǎn)換成中頻方波（1 000 Hz），然后輸入變壓器降壓后，經(jīng)大功率二極管整流成直流電供給電極對(duì)工件進(jìn)行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調(diào)制（PWM）獲得穩(wěn)定的恒電流輸出。中頻直流電阻焊機(jī)工作原理見圖4。

a.與工頻交流電流相比，由于中頻逆變直流電流沒有明顯的峰值電流，電流波形平直，減少了焊接飛濺，提高了焊接質(zhì)量。

b.三相負(fù)荷均衡，不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，即使在網(wǎng)壓波動(dòng)+15%情況下，仍可將焊接電流精度控制在2%以下，且功率因素高。

c.中頻變壓器體積小、質(zhì)量輕，輸入熱量低，便于使用一體化焊鉗。尤其運(yùn)用于機(jī)器人點(diǎn)焊操作時(shí)，可減輕機(jī)器人的負(fù)荷，而使用工頻焊接控制器時(shí)則需要載荷能力更大的機(jī)器人。

d.中頻焊接控制器的調(diào)節(jié)反饋控制周期為千分之一秒，響應(yīng)速度是工頻焊接控制器的20倍，能瞬時(shí)分析及調(diào)整焊接參數(shù)，焊接質(zhì)量控制更精確 [2] 。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，中頻電阻焊的焊接質(zhì)量得到提高，焊接飛濺有大幅度的下降；不過能耗降低及電極帽壽命延長的優(yōu)點(diǎn)并沒有能夠體現(xiàn)出來。

3 電弧焊技術(shù)

電弧焊在車身制造應(yīng)用時(shí)工件容易變形，尺寸不易控制，通常只有在難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊工藝的時(shí)候，才使用電弧焊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)零件的連接。目前國內(nèi)大多的汽車整車廠采用電弧焊工藝熔化極氣體保護(hù)焊，它包括 CO 2 氣體保護(hù)焊、MAG 焊、MIG焊。

除了熔化極氣體保護(hù)焊之外，還有一種特殊的電弧焊工藝，即電弧螺柱焊。

3.1 熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊是采用連續(xù)等速送進(jìn)可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法。根據(jù)不同的保護(hù)氣體和焊絲，熔化極氣體保護(hù)焊分為CO 2 氣體保護(hù)焊、MAG焊（保護(hù)氣體為氬氣加少量 CO 2 或 O 2 ），及 MIG 焊（保護(hù)氣體為氬氣或氦氣）。

由于CO 2 氣體保護(hù)焊具有焊接速度快，成本低及易與全位置焊接等特點(diǎn)，在大多數(shù)汽車廠家應(yīng)用最廣泛，其缺點(diǎn)為飛濺大、煙塵大、焊縫成型不良、沖擊韌性低。與CO 2 氣體保護(hù)焊相比，MAG焊電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成型美觀，沖擊韌性好；同時(shí)還克服了純氬氣保護(hù)時(shí)的表面張力大，液體金屬粘稠等問題。由于保護(hù)氣體成分主要是氬氣，MAG 焊的使用成本比 CO 2 氣體保護(hù)焊的使用成本要高。MAG焊和CO 2 氣體保護(hù)焊的焊絲通常采用 H08Mn2SiA，低碳鋼中填加了硅錳元素以補(bǔ)償電弧燃燒時(shí)引起的焊縫合金元素的燒損。轎車車身零件厚度通常在 0.67～3.0 mm 之間，對(duì)于厚度小于1.0 mm的工件來言，使用MAG焊容易引起工件燒穿現(xiàn)象；為了減少工件燒穿現(xiàn)象的發(fā)生，一些汽車廠家在厚度小于 1.0 mm 的工件上采用了MIG焊。MIG焊的焊絲成分為銅鋁合金，保護(hù)氣體為純氬氣。MIG 焊和 MAG 焊不同點(diǎn)為 MAG 焊是熔焊，而MIG焊是高溫釬焊，在焊接過程中，通常工件（低碳鋼）不熔化，鋁青銅焊絲熔化滴到工件接口，熔化的金屬液體填充到工件縫隙中。從使用的效果來看，MIG 焊在焊接厚度小于 1.0 mm 的工件時(shí)，避免了工件易燒穿現(xiàn)象。使用 MIG 焊接工件，成本比較高，且釬焊焊接接頭強(qiáng)度不如熔焊接頭。

對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊來說，如何精確控制熔滴過渡，減少或避免飛濺問題，一直是廣大焊接工作者關(guān)心和研究的問題。隨著焊接電源從電磁控制式發(fā)展到逆變式，這個(gè)問題得到了很大的改善。電磁控制式焊接電源是利用電感效應(yīng)來調(diào)節(jié)焊接過程中電流、電壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；逆變電源是利用電子電容器來控制焊接過程中電流、電壓的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，可以實(shí)時(shí)控制熔滴過渡過程，最大限度地避免飛濺現(xiàn)象。目前國內(nèi)外電焊機(jī)廠家開發(fā)出了各具特色，性能優(yōu)異的逆變弧焊機(jī)。

3.2 螺柱焊

螺柱焊接具有快速，可靠、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以替代鉚接、鉆孔等工藝。國內(nèi)某汽車廠家的一個(gè)車身，螺柱使用量達(dá)到200個(gè)。螺柱焊主要有儲(chǔ)能式（電容放電）和拉弧式兩種方式。儲(chǔ)能式螺柱焊，焊接時(shí)間、焊接電流不可調(diào)，熔深很淺，在汽車行業(yè)的應(yīng)用很少。目前汽車行業(yè)應(yīng)用最多的是拉弧式螺柱焊，螺柱接觸工件后，扣動(dòng)焊槍開關(guān)，螺柱被拉起，離開工件，然后工件與螺柱之間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的熱量熔化螺柱頂部法蘭和工件表面，隨后螺柱下降浸入工件表面形成的熔池里，設(shè)備斷電，熔池冷卻形成焊接接頭，焊接完畢。焊接過程見圖5。螺柱焊接時(shí)間非常短，以 ms 為單位，通常在20～40 ms之間，汽車行業(yè)采用的這種螺柱焊接工藝也稱為短周期螺柱焊。

螺柱焊設(shè)備焊接電源現(xiàn)在以逆變式電源為主，已經(jīng)基本替代了晶閘管控制弧焊整流器電源。螺柱焊槍已經(jīng)從氣動(dòng)發(fā)展到電動(dòng)，可通過彈簧的伸縮來控制螺柱的提升、下降過程，發(fā)展到伺服電機(jī)控制螺柱的運(yùn)動(dòng)，精確控制螺柱的運(yùn)動(dòng)行程，提高了螺柱焊接質(zhì)量。現(xiàn)在螺柱焊接技術(shù)發(fā)展較快，自動(dòng)化程度高，廣泛采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、模糊系統(tǒng)、專家系統(tǒng)程序等智能控制系統(tǒng)技術(shù)。螺柱焊設(shè)備不僅能精確設(shè)置和記錄、儲(chǔ)存焊接參數(shù)，而且能對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有故障自我診斷專家系統(tǒng)，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量；且1臺(tái)焊接主機(jī)可以最多帶5把焊槍工作，極大地提高了焊接主機(jī)的利用率 [3] 。

國內(nèi)汽車行業(yè)的螺柱焊機(jī)主要依靠進(jìn)口，存在價(jià)格高、維修成本高的問題。目前通過國內(nèi)焊接技術(shù)人員的不斷攻關(guān)，深圳和天津已經(jīng)有焊機(jī)設(shè)備廠家研制出可用于汽車行業(yè)使用的螺柱焊接設(shè)備，螺柱焊接質(zhì)量可以滿足生產(chǎn)要求；填補(bǔ)了國內(nèi)螺柱焊設(shè)備制造領(lǐng)域的空白。

4 激光焊接

由于激光焊接具有能量密度高、工件變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)成為金屬材料加工與制造的重要手段。越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。

汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造的重要焊接方法。激光焊接在汽車車身制造中的應(yīng)用主要包括激光拼焊板、激光釬焊、激光熔焊。

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板技術(shù)根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇強(qiáng)度等級(jí)相同或不同，厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊在一起，然后再?zèng)_壓成車身零件。激光拼焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為減少了零件及模具的數(shù)量、縮短設(shè)計(jì)及開發(fā)周期、減少材料浪費(fèi)；合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性 [4] 。

蒂森克虜伯公司與大眾公司合作，最早把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件如行李箱加強(qiáng)板、行李箱內(nèi)板、減震器支座、后輪罩、側(cè)圍內(nèi)板、前地板、前縱梁、保險(xiǎn)杠、橫梁、輪罩、車門內(nèi)板、中立柱等 [5] 。圖6所示為車身某些部位的激光拼焊板。

圖6 激光拼焊板零件

4.2 激光釬焊

激光釬焊也稱激光填絲釬焊，其基本原理為激光發(fā)生器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（工件未熔化）成高溫液態(tài)金屬浸潤工件連接處，填充接頭間隙與工件結(jié)合，液態(tài)金屬冷卻后，形成焊縫，見圖7 [6] 。通常采用的焊絲為直徑1.2 mm的CuSi 3 焊絲，其熔點(diǎn)950 ℃左右，被焊工件為低碳鋼鍍鋅板（鋼板熔點(diǎn) 1 400 ℃以上），在焊絲熔化的情況下，工件不熔化。

激光釬焊目前主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等車身的可視工件焊接中。很多主流汽車廠家在中高檔車型中都應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)，國內(nèi)某車型激光釬焊應(yīng)用見圖8。以頂蓋的激光釬焊為例，與電阻點(diǎn)焊相比的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

a.搭接凹槽長度由 40 mm 減少到 5 mm 以內(nèi)，減輕了車身質(zhì)量，可以節(jié)能降耗。

b.頂蓋單側(cè)的激光釬焊縫通常在1.5 m左右，是連續(xù)的金屬連接，提高了車身的連接強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)了車身安全性。

c.點(diǎn)焊需要涂膠工藝，激光釬焊不需要涂膠工藝，在減少工藝內(nèi)容的同時(shí)降低了制造成本。

d.搭接凹槽無須使用裝飾條，減少了零件數(shù)量，降低了制造成本，提高了車身的美觀度。

e.由于是局部加熱，工件熱影響區(qū)小，提高了車身安全。

f.正離焦方式加熱，加熱帶寬，無飛濺，填充劑熔化后自然浸潤，焊縫外觀質(zhì)量良好。