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汽车制造中的焊接科学与技术

2018-09-11 23:04:00
陆启蒙
原创
1694

中国的汽车工业诞生于1953年。毛泽东主席写下“第一 汽车制造厂奠基纪念”的题词至今已走过了50年的历程。历经了几代人的艰苦奋斗,中国汽车工业从无到有、从小到大,从货车时代到轿车时代,从“公车”到“私车”,其创建、成长的每一步都记载着中国的巨变,成为中国制造业发展与开拓的见证。

如今,汽车工业已成为我国的支柱产业之一,在国民经济发展中占有重要的地位。

汽车工业是用高新技术牵动国民经济整体水平的典型产业。基础工业的水平与汽车制造技术具有密切的联系。汽车重量的65%以上是采用钢材、铝合金、铸铁等材料并通过铸造、锻压、焊接等加工方法完成的。其中,焊接加工是汽车车体与零部件制造链中的一个关键环节,与冲压、涂装和成车装配等构成了汽车制造的四大主要生产部门。同时,汽车产品的车型众多、成形结构复杂、零部件生产专业化、标准化以及汽车制造在质量、效率、成本等方面的综合要求,都决定了汽车制造中的焊接加工是一个多学科、跨领域、技术集成性强的生产过程。因此,汽车制造业的需求对焊接科学技术的巨大牵动以及焊接科学技术对汽车这一支柱产业的重要支撑作用构成了基础制造技术与相关产业之间依存与互动的发展史和不断进步的动力。

1 汽车制造中的 焊接技术的特点

焊接是汽车制造链中的一项重要的加工环节。汽车的 发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢等六大总成都离不开焊接技术的应用。各种 焊接方法“覆盖”了从白车身、车架、底盘到悬挂系统、制动系统、转向器、离合器、变速器直至车轮轮圈等部件的成形加工。各类已有的焊接单元技术和工艺方法,如电阻焊、 气体保护焊螺柱焊、钎焊、摩擦焊、高能束焊等都得到应用[1]。例如,在一辆Passat车身上有电阻焊焊点5892个;螺栓焊206个;MIG焊焊缝累计2397mm等。图1是汽车主要部件焊接加工方法应用的一个简要的描述。

图1 汽车主要部件焊接加工的示意图

在以“钢结构”为主的 汽车车身及主要支撑部件的焊接加工中,形成了汽车制造与焊接技术特有的结合点:

(1)对焊接产品有高的尺寸要求。为了保证产品的装配精度和尺寸稳定性,要求尽可能减少薄板冲压组合部件在焊后的热应力与变形。

(2)对焊缝接头有高的性能要求。不仅要满足静态和动态的力学性能指标,而且有苛刻的低周疲劳性能要求。

(3)批量化焊接生产有高品质的要求。以 机器人为核心的自动化焊接生产方式代替手工焊接操作方式,以确保焊接产品的一致性。

(4)对焊接生产过程高节拍、高效率的要求。提出了高效化焊接方法与工艺的应用,同时也进一步提高了焊接接头的质量。

(5)对“零缺陷”、“零次品”的质量控制与保证,提出了自动化焊接过程的监测与信息化管理的要求。促进了以计算机、信息技术为平台的焊接制造过程质量控制系统的应用。

(6)对汽车的车身及零部件在结构与功能上的要求,使汽车用新材料及其相应的焊接新方法、新工艺与新的 焊接材料成为当前汽车业与制造业多学科交叉与攻关的热点。

(7)我国的汽车产业通过合资或引进国外先进的产品技术和制造技术,大大缩短了汽车国产化率的周期,也大大加快了先进的焊接技术在汽车制造中的应用。尤其是近10年以来,汽车工业在焊接新技术的应用与推广方面起了积极的示范作用。具有以高新技术提高竞争力、促进传统生产方式改造与更新的明显特征。

2 汽车制造中的先进焊接技术

针对汽车产品“更轻、更安全、性能更好且成本更低”的发展目标,当前的 汽车焊接技术正从传统的材料连接概念与方法的基础上迅速地延伸和拓展,并向先进的“精量化焊接制造”的方向前进。

2.1 汽车制造中 焊接机器人技术的应用

汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求,使机器人生产方式在汽车焊接中获得了大量应用。据2001年的统计,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占全部焊接机器人的76%,成为 工业机器人的最主要用户。

早在70年代末,上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制出4轴直角坐标焊接机械手,成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。在我国的汽车制造企业中,最早引进焊接机器人的是长春“一汽”,自1984年起从KUKA公司先后引进了三台 点焊机器人,曾用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。20世纪90年代以后,焊接机器人的数量增加很快,如一汽的“捷达”车身焊装车间,13条生产线的自动化率达80%以上,在焊接中应用了R30型极坐标机器人和G60型关节式机器人共61台;上海“汇众”自1993年至今已使用的焊接机器人共143台,其中弧焊机器人120余台,以 机器人焊接为主的生产线有11条,机器人焊接工作站73个。机器人MIG/MAG焊接工作量占75%以上,为上海大众、上海通用汽车公司提供后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件。

与目前国际上的工业化国家相比,如机器人应用较普遍的日本,在1988-1997年的10年间,汽车制造中的焊接机器人已达50,022台。其中弧焊和点焊机器人的数量分别为28,235台和21,787台[3]。在美国、德国等汽车行业,机器人焊接及自动化率均已超过了钢结构行业、建筑行业和造船行业等其他行业。以此亦反映出汽车焊接生产所具有的柔性化、集成化的制造特征。

2.2 汽车制造中 激光等高能束加工技术的应用

汽车工业是激光加工技术应用最多的领域之一。 激光焊接具有热影响区小,变形小、成形好、生产率高等诸多优点。在汽车制造中激光技术最早是应用于Audil00的底板焊接,对板厚为0.9mm,长为1950mm的焊缝仅用20s时间完成[4]。如今已作为一项成熟的工艺广泛地应用于白车身、车顶、车门等的焊接加工。其中,较为典型的应用是激光“裁焊拼板”(Tailor-welded blanks)工艺,即在单一部件上实现板材厚度的优化和板材性能的组合。不仅提高了材料的利用率,减少模具的数量,同时满足车身的轻量化、设计的灵活性和安全性等多个方面的需求。图3是对车门坯料的激光“裁焊拼板”的一个实例。

车门坯料(5合1)的激光“裁焊拼板”

以激光为代表的高能束以其综合的技术优势对传统的白车身 电阻点焊提出了挑战。移动式 激光焊接工作站(RLW—Remote Laser Welding)已能够在一个相当大的空间进行焊接操作,聚焦距离可达lm以上,每秒可焊5个焊点,移动的速度可达每秒2m[4,6]。美国的三大汽车公司已将50%的车身部件点焊生产用激光焊接代替,使制造成本与传统的点焊工艺相比降低了约30%。全铝结构的AudiA2车身部件由50种型材、20种铸件和168块板件构成,在该车体的制造中,由激光完成的焊缝达30m,MIG焊缝20m,并采用1700个自穿孔铆钉,成功地替代了传统的电阻点焊工艺,显著地提高了车身成形的质量[7]。表1给出了激光点焊(LSW)、等离子点焊(PSW)与传统的电阻点焊(RSW)在工艺性方面的比较[8,9]。另外,激光钎焊工艺以最小的热输入量用于对镀锌板的焊接,达到最少的表面镀层烧损。该工艺已应用于Audi车的外壳层、后防护板,大众Bora和Golf车的行李箱盖等[4]。

汽车制造工业也是高能束加工之一的电子束焊接的最大用户。我国自1986年以来,用于汽车变速齿轮的电子束焊接 设备已有近30台[10]。目前局部真空和非真空电子束技术的发展,提高了生产过程的适应性和灵活性,并开始应用于汽车铝合金结构件的焊接”[11]。

2.3 汽车制造中高效弧焊技术的应用

脉冲GMAW(P-GMAW)、双丝MIG/MAG焊(Twin-Wire,Tandem-Wire)等代表了当前在汽车制造中应用的高效、高速焊接新工艺。这两种焊接方法与机器人相配合,能充分体现高效化焊接的特点,实现了机器人系统在空间可达性和焊接速度之间的协同和完美组合。

P-GMAW电弧过程具有好的稳定性,能有效地保证焊缝质量的一致性,改善了由于短路过渡焊接过程较低的热输入而造成的熔深不足。P-GMAW的射流过渡方式适用于薄板材料的高速焊接、钢或铝合金的车身框架结构的全位置焊接。在Audi A8全铝合金车身框架结构的管状型材和接合点的焊接中,均大量地采用了P-GMAW的工艺[9]。

双丝MIG/MAG焊有两种基本形式:一种是双丝 焊接工艺(Twin—Wire),两个焊丝都是采用同样的焊接参数:另一种是Tandem-Wire,采用两个独立的喷嘴和两个独立的电源,每个电弧有自己独立的焊接参数。图4显示的是机器人的铝合金脉冲MIG焊接及Tandem的焊接。前者的焊速为60~80cm/min;后者的焊速为180~210cm/min,用于宝马5系列及奔驰(S级和E级)车型的铝合金后轴[12]。

2.4 汽车制造中焊接新材料的应用

从我国8个行业的用钢量的统计结果及调查预测表明,我国的汽车行业用钢已居建筑、机械制造两大行业之后的第三位。其用钢量超过了造船、铁路、石油与天然气三个行业的总和。表2和图4分别给出了汽车及相关行业的用钢和焊丝用量的情况。从这些数据表明,从当前到今后的近十年中,是我国汽车制造业的大发展时期,对于汽车用钢的焊接加工亦预示了相当大的发展空间。同时,图5的数据进一步表明,自动化焊接工艺在汽车焊接中始终具有主导的地位。

图4 铝合金后轴的焊接

近年来,汽车产品在轻量化、安全性以及防腐耐蚀方面的需求,促进了高强钢板、镀层钢板等新型材料的研制,亦对焊材品种及其相关工艺不断提出了新的课题。例如,为满足机器人焊接高效率的需求,从提高送丝性能和引弧成功率、减少飞溅、改善电弧稳定性等方面考虑,开展了不镀铜型MAG焊实芯焊丝的研制;新开发的脉冲MAG焊接用的实芯焊丝,通过改变成分,降低熔滴的粘度和表面张力,焊丝经过表面处理,促进了电弧喷射过渡,与普通的焊丝相比较,焊接速度达到1.5倍左右;针对焊接管板、轻型钢架等镀锌钢材的专用药芯焊丝,能明显减少镀锌钢材焊接时的飞溅量和气孔数量,获得优良的焊接性能(见图6)。另外,低尘低飞溅型药芯焊丝、极薄板的MAG焊焊丝等都在迅速地发展中[13,14]。同时,根据汽车焊接加工的特点和汽车用钢的焊接材料专业性,正逐步形成从焊接对象、焊接材料、焊接方法三者匹配的总体工艺思路[13]。

图6 镀锌钢板用药芯焊丝焊缝成形的对比

3 新一代汽车制造中的焊接科学与技术的进展

新一代汽车正迅速地向节能、环保、更高的安全性和舒适性的目标发展。由此对汽车的设计、材料的选择及其焊接加工等关键技术提出了全新的概念和对新技术的紧迫需求。以轻量化为目标,表现为轻金属材料、复合材料等对汽车钢制部件的替代;以液压成形的管状型材车体框架对传统的无梁式钢板结构的替代(见图7)[15]。新技术的开发应用并对传统技术的提升和替代,己成为近年来国际汽车行业技术进展的显著特点。

图7 液压成形的管状型材车体框架示意图

3.1 汽车制造中焊接新技术的进展

如前所述,以激光焊接为代表的精量化焊接生产方式用一种新的技术理念促进和加快了汽车焊接制造的进步和创新。此外一些新的连接方法也率先在汽车制造中获得应用。如变极性MIG/MAG焊接方法、激光-电弧复合焊接方法、磁脉冲焊接方法、胶接和机械连接方法等都已开始成功地应用在各类新车车型的制造中。表3列举了当前先进的焊接连接技术的特点及应用。

在BMW7系列车型的车身凸缘的连接加工中,采用胶接技术的已达到150m,占凸缘总长的80%,而消耗粘结剂仅1.5kg;在Daimler Chrysler公司最新生产的Mercedes Benz CL车身结构中,大量采用了纤维增强型热固塑料、薄壁铝合金压铸件结构,采用胶接方法对该异种材料的连接接头有71m。此外,为了满足复合材料和异种材料车体的连接,大量发展了各种机械连接或机械连接与粘结复合的连接方式,如咬接、实心或空心铆接、折叠连接、自穿孔铆接等,具有不受材料类型的限制、避免加热引起的材料性能变化和变形等独特的优势。

3.2 计算机与信息技术在汽车焊接中的应用

传统的焊接技术正经历着由经验性工艺向材料加工科学的变革。随着计算机与信息技术的工业应用,促进了传统的焊接生产向“精量化”的先进制造方式转变,并逐步与汽车制造加工链在产品生命全周期的有机集成。在当前汽车制造的焊接生产中,具体表现在对以减少消耗和提高综合效益为目标的信息化制造的迫切需求。

基于虚拟现实建模(Virtual reality modeling)的机器人焊接过程仿真技术提供了关于工件、夹具和机器人 焊枪姿态的三维信息,已大量地应用于焊接过程规划、工艺参数的优化以及焊接夹具的设计等各个制造环节。对加快机器人焊接程序的编制、节约现场调试时间以及焊接过程位置信息的准确获取具有重要应用价值。图8分别给出由清华大学研制的“轿车车身机器人装焊生产线”实体模型(a)和“奔驰”公司对卡车车身机器人点焊过程的仿真(b)。

目前的仿真技术已有能力进行焊接工艺参数对焊缝质量的影响的评估,以及对焊后的应力与变形作出预测。新型车型的车身材料将从镀层钢板、铝合金、高分子聚合物、复合材料等进行选择、优化和组合,因此在设计阶段就需要对多种材料的连接方式及其应达到的性能,尤其是疲劳性能、冲击性能等进行综合考虑,通过对接头的仿真作出适用性评价。

为确保汽车焊接自动化生产高效、高质量地进行,实现“零次品”、“零缺陷”的产品管理目标,基于过程参数的焊缝质量实时监测和缺陷检出以及焊接生产过程及其产品质量信息的在线反馈均在实施中。在美国、德国汽车制造业的质量管理体系中,都明确规定了对生产过程中的每个部件产品质量的可记录性和可追溯性。如由美国Chrysler,Ford,GM三大汽车公司制定的基于QS-9000的统计过程控制(SPC)以及由德国汽车工业联合会制定的基于DIN EN ISO9001和DIN EN IS09004-1的汽车工业质量管理体系审核(VDA 6)等,对生产过程要素如工序能力、设备能力、产品质量受控能力等都作了明确的定义。因此,以计算机和信息技术为平台的焊接生产过程信息系统为汽车焊接生产过程的质量状况分析与优化、以及企业的管理与决策提供准确的依据。

图9 基于过程参数的汽车部件

焊缝质量实时监测和缺陷检出

4 结束语

汽车作为20世纪最显著的人文标志之一,己成为人类社会的科技与文明进步的一个象征。从50年代开始的中国汽车制造业,以手工焊和电阻点焊作为主要加工手段跨出了汽车制造的第一步,如今已进入了世界汽车生产大国的行列。我国汽车制造业在高速增长的同时,对基础制造技术上的认识深化和自主开发的需要已越来越迫切。从一个“支柱产业”对基础制造技术的强大牵动作用及其对传统制造方式的巨大挑战,充分反映了发展制造业的极其重要性和技术创新的紧迫性。中国与发达国家的汽车工业还存在巨大的差距,汽车工业是世界性的产业,面对国际竞争的全球化、国内竞争的国际化的形势,为使我国的汽车工业能快速跨越到全球经济的高度,在世界汽车工业的发展中占有一席之地,唯有依靠包括焊接科学与技术在内的基础制造技术的进步和创新能力的提高,才能实现具有中国特色的汽车工业自主发展的目标。


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