汽车焊接新技术

主要内容汽车焊接技术概述电阻焊、电弧焊和特种焊焊接机器人、焊接数值模拟、车身焊装工艺的虚拟设计及焊接新材料汽车制造中的焊接新技术高效节能的电阻焊、气体保护焊、激光焊接、激光-电弧复合焊接等汽车制造业中焊接的发展趋势第一节汽车焊接技术概述电阻焊(resistancewelding)电阻焊(又称压力焊)是一种常用的焊接方法,它是利用电流直接流过工件本身及工件间的接触面所产生的电阻热,使工件局部加热到高塑性或熔化状态,同时加压而完成的焊接过程电阻焊主要特点：（1）电压低,电流大(几千~几万A),完成一个焊接接头时间极短(0.01~几秒),所以生产率很高汽车焊接技术概述电阻焊的焊接(按接头形状不同)（1）点焊（2）缝焊(滚焊)（3）凸焊（4）对焊（2）焊接时加热、加压同时进行,接头在压力下焊合（3）焊接时不需要填充金属及焊药点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊主要用于薄板焊接。点焊在汽车制造中应用：汽车车身焊装,包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装。据统计,每辆汽车车身上约有5000多个电阻点焊焊点。汽车焊接技术概述点焊过程点焊机汽车焊接技术概述点焊的工艺过程：（1）预压，保证工件接触良好（2）通电，使焊接处形成熔核及塑性环（3）断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。汽车焊接技术概述缝焊缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。在汽车生产中主要用于密封性焊接或缝点焊工件。如油箱、机油盘、消声器、减震器封头、车身顶盖雨檐等汽车焊接技术概述凸焊凸焊是点焊的一种特殊形式，其利用零件原有的型面倒角、底面或者预制的凸点作为上下两工件的接触面，施加压力并通电流，达到在凸点处焊合的一种电阻焊方法。凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。在汽车生产中主要用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄等。汽车焊接技术概述对焊电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。汽车焊接技术概述闪光对焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。闪光对焊常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。在汽车中对焊主要用于钢圈、排进气阀杆等对焊过程示意图汽车焊接技术概述（1）熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简单。（2）加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和热处理工序。（3）不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，焊接成本低。（4）操作简单，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。（5）生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。电阻焊的优点：汽车焊接技术概述电阻焊的缺点：（1）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠各种监控技术来保证。（2）点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。（3）设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。汽车焊接技术概述电弧焊（CO2气体保护焊、氩弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊等）（1）CO2气体保护电弧焊—车身蒙皮、车箱、后桥、车架、横梁后桥壳管、传动轴、液压缸等。（2）氩弧焊—用于机油盘、铝合金零部件。（3）焊条电弧焊—支架、车架、备胎架等厚板零部件。（4）埋弧焊—半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等。在汽车制造中的应用汽车焊接技术概述特种焊（摩擦焊、电子束焊、激光焊、氧乙炔焊和钎焊）摩擦焊传统定义：利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。现代定义：在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。汽车焊接技术概述摩擦焊通常由如下四个步骤构成：a、机械能转化为热能；b、材料塑性变形；c、热塑性下的锻压力；d、分子间扩散再结晶。摩擦焊相较传统熔焊最大的不同点在于整个焊接过程中，待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点，即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。汽车焊接技术概述相对传统熔焊，摩擦焊优势：（1）焊接接头质量高——能达到焊缝强度与基体材料等强度；（2）焊接效率高、质量稳定、一致性好；（3）可实现异种材料焊接等。摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种类：包括惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等。汽车焊接技术概述搅拌摩擦焊（FSW）:1991年英国焊接研究所发明,是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法如图，带特殊轴肩和针凸的柱形搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。汽车焊接技术概述FSW的优点（1）适合于自动化和机器人操作（2）适用于有色金属材料(如铝、铜、镁、锌等)的连接，接头性能优异（3）高效、节能、环保（4）对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金、不锈钢、钛合金以及铝基复合材料等材料的连接也合适（5）可以较容易实现异种材料的连接（6）可焊接材料的厚度范围较广，0.4~180mm汽车焊接技术概述FSW的局限性（1）焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）；（2）焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；（3）与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；（4）不能实现添丝焊接。摩擦焊在汽车制造中的应用：汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆等汽车焊接技术概述电子束焊电子束焊：利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空环境中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。（1）高能量的电子束，束流直径小，能够形成一个深而窄的穿透焊缝，因此工件变形小，焊缝的热影响区窄电子束焊较其它熔焊，优点是：汽车焊接技术概述（2）加热集中，热效率高，可焊接一般熔化焊方法难于焊接的特种难熔金属、热敏感性强的金属以及异种金属材；（3）电子束焊接参数能够被精确控制，焊接时参数的重复性及稳定性好；（4）真空电子束焊接是排除了大气中有害气体(氢和氧)对熔化金属的影响，因此，熔化金属化学成分纯净，提高了焊缝质量，十分有利于活性金属材料和真空熔炼的高纯度金属的焊接。电子束焊主要用于汽车的齿轮组合体、传动箱体的焊接汽车焊接技术概述激光焊激光焊主要用于车身框架结构的焊接,如顶盖与侧面车身焊接,变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。氧乙炔焊氧乙炔焊由于加热面积大,以及金属材料本身的热导性能,焊后变形大,所以在车身焊接中应用较少,一般用于车身总成的补焊。钎焊钎焊用于铝散热器汽车焊接技术概述第二节机器人焊接、焊接数值模拟、车身焊装工艺的虚拟设计及焊接新材料（一）机器人焊接高效率一致的产品质量批量化汽车制造要求焊接机器人获得了广泛应用焊接机器人焊接机器人的特点：（1）本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度极高（2）多用途、重复精度高、焊接质量高、抓取质量大、运动速度快、动作稳定可靠机器人的国内应用：截止2001年，全国共有各类焊接机器人1040台，而汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人约790台，其占全部焊接机器人的76%（3）提高了生产效率，降低劳动强度目前，机器人焊接已广泛应用在汽车制造业的汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接中，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。（1）东风商用车车身厂第六焊装车间总装线采用了6台点焊机器人，3台自动焊机；（2）一汽车身厂10万辆新品驾驶室主焊线采用了21台点焊机器人，点焊自动化率达95%；国内应用举例：焊接机器人最近发展了一种低高度的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部和下部进行焊接，从而缩短了整个焊接生产线长度。汽车业焊接机器人的发展：（3）东风车身厂6万辆新品驾驶室总装线采用了10台点焊机器人，1台自动焊机，点焊自动化率不足60%。焊接机器人焊接机器人焊装生产线焊接机器人综合焊接机器人国内焊接机器人应用中的缺陷：（1）点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳，焊接时冲击力较大（2）由于工件的重复精度较差，电极处于凸缘边缘时，焊钳易滑出，严重时会损坏被焊工件（3）电极磨损量的监控反馈精度较差，影响焊接质量。在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，焊接时冲击小，并能实现精确控制，提高焊接质量。焊接机器人伺服焊钳是机器人电阻焊领域的最新应用技术，其核心是既可采用传统的气（液）压缸也可采用交直流伺服电机作为焊钳驱动装置。伺服焊钳优点：（1）可省去压缩空以气节约能源（3）自动补偿电极磨损（2）提高焊钳开合速度和电极压力稳定（4）提高焊点质量和生产效率，延长电极寿命焊接机器人（二）焊接数值模拟焊缝接头焊接缺陷应力集中，且应力分布复杂承载能力下降焊接变形分析焊接应力分布预测焊接变形数值模拟控制焊接总成质量因此焊接数值模拟的优点：焊接数值模拟举例说明（客车车架焊接变形的控制）目前只能通过反复试验获得相对合理的焊接工艺，其试验存在着盲目性，且试验周期长、投入大。若采用数值模拟技术，可以经济、快速地模拟出正确的工艺方案。在国内，高校对焊接结构的数值模拟技术研究得较多，并且已有一些成功的应用案例。焊接数值模拟软件的开发：常用软件：ANSYS和SYSWELD等2000年，大阪大学结合科学研究所提出了耗资20亿日元（2000万美元）的国家课题，即“高效与安全焊接技术的开发”。其目的是开发一个用户界面友好的高效与安全焊接的计算机系统，同时给出3个精密模拟程序，即焊接过程模拟程序、被焊区域组织预测程序和变形预测程序英国焊接研究所开发了一个“结构变形预测系统”(SDPS)，可以用来预测复杂结构的焊接变形。焊接数值模拟软件特点:（1）可以在设计初期规划阶段对焊接当中普遍出现的变形进行评价和控制（2）可以大大减少制造的时间，并节省生产成本最新的WELDPLANNER软件开发公司和推出时间：法国ESI集团2009年1月12日（3）高度简单化。应用WELDPLANNER方案，可以使不懂有限元模拟，或者对该技术知之甚少的人更好地了解由焊接所导致的变形，而且全部操作只需要一天的培训，便可以熟练地使用该方案焊接数值模拟（4）高效。包括快速产生或自动寻找部件间的焊缝；自动并方便地定义焊接顺序；具有典型的工业夹具条件；多种结果变形的显示。（5）节约成本。可以在不到一天的时间里，对复杂的焊接中出现的变形进行控制，因此能在试验周期和变形修补方面大大节约成本。可以潜在地节省一到两个试验周期，也就是每个零件大约可以节约一万到两万欧元WELDPLANNER软件已经开始上市销售焊接数值模拟（三）车身焊装工艺的虚拟设计车身焊装工艺设计的关键：对产品的工艺分块车身焊装工艺设计水平取决于设计师的经验无法科学地判断设计方案的优劣通过计算机模拟技术来进行虚拟工厂设计优化焊装车间平面布置和工作单元