激光焊接工藝在白車身制造中的應用

激光焊接工藝在白車身制造中的應用

目前，國內(nèi)外主要國有汽車制造商的白車焊接主要采用電阻焊技術，輔以少量弧焊技術和方法。隨著焊接技術的不斷進步,近年來以激光焊接為代表的新焊接工藝方法已經(jīng)應用于白車身制造領域。本文簡單闡述了白車身焊接領域主要的幾種焊接技術特點、現(xiàn)狀及應用情況。1點焊工藝分析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,主要分為四類即點焊、凸焊、縫焊、對焊。在白車身制造中,通常電阻焊技術在白車身制造領域應用最多的是點焊工藝,其次是凸焊工藝?？p焊很少用于白車身焊接,僅用于燃油箱的焊接。(1)點焊點焊工藝是白車身制造中應用最多的焊接方法,白車身就是由薄板沖壓零件通過裝配焊接而形成的車身殼體。轎車白車身通常有3000~5000個焊點,例如東風標致307三廂白車身的焊點數(shù)是4281個。電阻點焊過程見圖1。在點焊過程中,焊接電流、焊接壓力、焊接時間是焊點形成的3個根本因素。焊點的具體焊接參數(shù)值是由鋼板厚度和裝配狀態(tài)來決定。根據(jù)不同的鋼板裝配、表面狀態(tài)、參考板厚,電流值從8000~13500A不等,焊接壓力從2100~6000N不等,焊接時間值從8~40周波(1周波=0.02s)不等。焊點質(zhì)量水平是衡量白車身質(zhì)量的重要指標,不過影響焊點質(zhì)量的因素比較多,如零件裝配狀態(tài)、鋼板鍍鋅狀況、焊點間距、零件結(jié)構(gòu)、電極對中狀態(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)量問題時應從多方面分析。目前,國內(nèi)汽車廠家生產(chǎn)白車身普遍采用低碳鋼薄板。低碳鋼的焊接性能良好,不需要特殊的焊接工藝就可以得到良好的焊接質(zhì)量。為了提高汽車防腐性能,汽車廠家在白車身制造中都大量使用了鍍鋅鋼板。鍍鋅鋼板的大量使用提高了汽車的防腐性能,不過卻給白車身焊接帶來了不少麻煩,鋅由于熔點(419℃)低,鍍鋅板表面的鋅層容易在焊接過程中與電極粘連,拉彎電極桿,損壞焊接設備。并且,在焊接過程中鋅容易滲入電極端面而形成鋅銅合金化,改變電極端面的材質(zhì),加快電極端面的墩粗速度,大大縮短電極的使用壽命。近幾年隨著車身涂裝技術的進步,電泳車身防腐性能得到明顯提升,為低碳鋼裸板替代鍍鋅鋼板創(chuàng)造了一些條件。如果白車身鋼板全部采用非鍍鋅的裸板,點焊設備的電極帽消耗量可以下降80%,根據(jù)目前神龍汽車公司的產(chǎn)量來測算,每年節(jié)省費用約400萬元。國內(nèi)汽車廠家主要采用鉻鋯銅作為點焊電極材料,它具有較高的力學性能、導電率和較強的抗變形能力,是目前使用最普遍的電極材料。近幾年,國內(nèi)外開發(fā)了一種新的電極材料氧化鋁彌散強化銅,它是通過粉末冶金工藝加工得到的新材料,其常溫和高溫下的硬度、導電率均優(yōu)于鉻鋯銅材料。據(jù)報道,彌散強化銅電極的使用壽命是鉻鋯銅電極的2~4倍。由于氧化鋁彌散強化銅的制造成本高于鉻鋯銅材料,原料需要進口,目前氧化鋁彌散強化銅電極僅在上海通用汽車、神龍汽車公司、上海大眾汽車公司等少數(shù)合資汽車廠家使用。根據(jù)神龍公司的使用效果來看,氧化鋁彌散強化銅電極對降低電極粘連現(xiàn)象效果顯著;但電極帽使用壽命長的特點沒有體現(xiàn)出來。目前,點焊設備的類型主要是50Hz工頻交流焊機,其特點是容量大、功率因數(shù)低,焊機額定功率一般在42~75kVA之間,電能消耗較大。由于點焊機的控制器通常懸掛在空中,所以電阻點焊機也稱為懸點焊機。在20世紀90年代,分體式懸點焊機(阻焊變壓器與鉗體分離,中間采用較長的次級電纜連接)由于造價低,價格僅為一體式懸點焊機的50%~60%,在國內(nèi)汽車廠家應用最為廣泛。目前,國內(nèi)日系汽車合資公司電阻懸點焊機仍然以分體式為主。進入21世紀以后,一體式懸點焊機(阻焊變壓器與鉗體一體,無二次電纜損耗,造價高)由于具有節(jié)能、效率高、易于操作等特點,在國內(nèi)有些汽車公司開始大量采用。神龍汽車公司建廠初期主要采用的是法國西雅基公司(SCIAKY)生產(chǎn)的分體式懸點焊機,數(shù)量有400多臺;最近5年內(nèi)新建的焊裝生產(chǎn)線普遍采用的是法國ARO公司生產(chǎn)的一體式懸點焊機,數(shù)量有1500多臺。懸點焊機無論分體式還是一體式,設備控制器都采用了微處理器技術,可以對焊接電流、焊接壓力、焊接時間、電流遞增臺階、電極修磨記數(shù)等參數(shù)值根據(jù)裝配情況來任意設置;其中一體式焊機的控制器最多可以設置64套焊接參數(shù)程序,利用焊接參數(shù)程序轉(zhuǎn)換開關,1臺懸點焊機可以焊接多種不同裝配的焊點。另外,控制器具有故障自診斷功能,當設備出現(xiàn)故障的時候,控制器會出現(xiàn)故障代碼,大大提高了設備維修的效率。隨著逆變技術的不斷成熟,逆變技術應用已經(jīng)從弧焊領域擴展到阻焊領域?，F(xiàn)在博世公司、梅達電焊機公司開始在國內(nèi)汽車行業(yè)銷售中頻逆變電阻焊機,與傳統(tǒng)的工頻焊機相比,中頻逆變電阻焊機具有焊接電流接近直流、熱效率高、電極使用壽命高、變壓器體積質(zhì)量變小、相同工件焊接電流可降低30%等特點。由于逆變電阻焊機價格較高,約為工頻焊機的2倍,目前在國內(nèi)汽車行業(yè)應用很少。工頻電焊機工作原理與中頻電阻焊機工作原理見圖2。(2)凸焊凸焊在白車身制造領域主要用于焊接螺釘、螺母類零件或小件;通常情況下,白車身螺釘或螺母件的數(shù)量超過200個。凸焊實際上是點焊的一個變形,通常在螺釘或螺母上沖出凸點或凸環(huán),或在小件上沖出凸點。凸焊焊接時由于電流集中,克服了點焊時因零件厚度不同易造成的熔核偏移,零件的厚度比可以超過6∶1,而點焊工藝不同零件的厚度比不超過4∶1。凸焊時,電極要隨著凸點或凸環(huán)的被壓潰而迅速下降,否則會因為壓力不夠而產(chǎn)生噴濺或炸電極,因此凸焊設備的電極隨動性要好。焊接螺釘或螺母類零件的時候,焊接參數(shù)值通常采用大電流、短時間,否則會容易引起螺紋變色和精度下降的問題。在焊接直徑為8mm的螺母或螺釘時,焊接電流需達到3萬A,因此凸焊設備功率要比常用點焊設備功率大許多。神龍公司采用的凸焊設備功率為200kVA和500kVA2個類型。凸焊設備和點焊設備的工作原理相同,同樣以50Hz工頻交流焊機為主流?，F(xiàn)在逆變技術已應用在點焊、凸焊設備上,中頻逆變凸焊機已經(jīng)在少數(shù)合資汽車公司得到使用。2mag焊接與其他常用逆變弧焊由于弧焊工藝在焊接時工件容易變形,尺寸不好控制,另外實現(xiàn)機械化和自動化的難度大,所以不是白車身焊接的主要方式。目前,國內(nèi)汽車生產(chǎn)廠家通常采用的弧焊工藝方法是熔化極氣體保護焊,根據(jù)不同的保護氣體和焊絲,熔化極氣體保護焊分為三類即CO2氣體保護焊、MAG焊(氬氣加少量CO2或O2)和MIG焊(惰性氣體氬氣或氦氣)。其中CO2氣體保護焊、MAG焊應用的比較多,MIG焊由于成本高,在生產(chǎn)中應用的不多。除了熔化極氣體保護焊之外,還有一種特殊的電弧焊工藝即電弧螺柱焊。(1)熔化極氣體保護焊熔化極氣體保護焊是采用連續(xù)等速送進可熔化的焊絲于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。由于CO2氣體保護焊具有焊接速度快、成本低和易與全位置焊接等特點,在大多數(shù)汽車生產(chǎn)廠家應用最廣泛。不過CO2氣體保護焊的缺點也很明顯,即飛濺大、煙塵大、焊縫成型不良、沖擊韌性低。對于飛濺大的問題,國內(nèi)有些廠家使用防飛濺液涂抹在工件表面來避免金屬飛濺顆粒粘附在工件上,焊后用抹布把防飛濺液和金屬飛濺顆粒一起擦去。神龍公司沒有采用CO2氣體保護焊,主要使用MAG和MIG焊。MAG焊與CO2氣體保護焊相比,其電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺小、焊縫成型美觀、沖擊韌性好,同時還克服了純氬氣保護時的表面張力大、液體金屬粘稠等問題。由于保護氣體成分主要是氬氣,MAG焊的使用成本比CO2氣體保護焊的使用成本要高。MAG焊和CO2氣體保護焊的焊絲通常采用H08Mn2SiA,低碳鋼中添加了硅、錳元素以補償電弧燃燒時引起的焊縫合金元素的燒損。另外,為防止焊絲生銹,同時減少送絲軟管的送絲阻力,焊絲表面被鍍上一層很薄的銅。白車身的工件厚度通常在0.67~3.0mm之間,對于厚度小于1.0mm的工件而言,使用MAG焊容易引起工件燒穿現(xiàn)象。為了避免工件發(fā)生燒穿,神龍公司在厚度小于1.0mm的工件上使用的焊接方法是MIG焊。焊絲成分為鋁青銅合金,保護氣體為純氬氣。MIG焊與MAG焊不同,MAG焊是熔焊,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焊對于焊接厚度小于1.00mm的工件,避免了工件易燒穿現(xiàn)象。不過使用MIG焊接低碳鋼工件,成本比較高,另外釬焊焊接接頭強度不如熔焊接頭。對于熔化極氣體保護焊來說,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來調(diào)節(jié)焊接過程中電流、電壓,其動態(tài)響應速度慢;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,其動態(tài)響應速度很快,可以實時控制熔滴過渡過程,最大限度地避免飛濺現(xiàn)象。目前,很多國外電焊機廠家(如伊薩、林肯、米勒等焊機公司)開發(fā)出了各具特色、性能優(yōu)異的逆變弧焊機。國內(nèi)一些有實力的電焊機生產(chǎn)廠家也掌握了逆變焊機制造技術,推出了數(shù)字化逆變弧焊機。神龍公司在X7項目中采購了18臺北京時代公司生產(chǎn)的MAG/MIG逆變弧焊機,從現(xiàn)場使用情況來看,焊接效果可滿足生產(chǎn)要求。(2)螺柱焊螺柱焊接具有快速、可靠、操作簡單等優(yōu)點,可以替代鉚接、鉆孔等工藝。目前,螺柱在白車身制造中的使用量越來越多,神龍公司愛麗舍車型的螺柱使用量是50多個,標致307車型的螺柱使用量已經(jīng)超過了100個。螺柱焊主要有儲能式(電容放電)和拉弧式2種方式。儲能式螺柱焊的焊接時間、焊接電流不可調(diào),熔深很淺,在汽車行業(yè)的應用很少。目前,汽車行業(yè)應用最多的是拉弧式螺柱焊:在螺柱接觸工件后,扣動焊槍開關,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,設備斷電,熔池冷卻形成焊接接頭,焊接完畢。螺柱焊接時間非常短,通常在20~40ms之間,所以汽車行業(yè)采用的這種螺柱焊接工藝也稱為短周期螺柱焊,焊接過程見圖3。螺柱焊設備焊接電源現(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)從氣動發(fā)展到電動,由通過彈簧的伸縮來控制螺柱的提升、下降過程,發(fā)展到伺服電機控制螺柱的運動,精確控制螺柱的運動行程,提高了螺柱焊接質(zhì)量?，F(xiàn)在螺柱焊接技術發(fā)展快,自動化程度高,廣泛采用了計算機技術、模糊系統(tǒng)、專家系統(tǒng)程序等智能控制系統(tǒng)技術。螺柱焊設備不僅能精確設置和記錄、儲存焊接參數(shù),而且能對焊接過程進行實時檢測,具有故障自我診斷專家系統(tǒng),并能自動調(diào)節(jié)焊接參數(shù),以保證焊接質(zhì)量;另外,1臺焊接主機可以最多帶5把焊槍工作,大大提高了焊接主機的利用率。目前,國內(nèi)汽車行業(yè)的螺柱焊機主要依靠進口,存在價格高、維修成本高的問題。通過國內(nèi)焊接技術人員的不斷攻關,深圳和天津已經(jīng)有焊機設備廠家研制出可用于汽車行業(yè)使用的螺柱焊接設備,不過焊機整體性能與國外先進焊機還有一定的差距,設備的穩(wěn)定性有待驗證。3汽車用激光焊接設備激光焊接的特點是能量密度高、被焊工件變形小、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄。激光焊接對零件和工裝的精度要求很高,由于國內(nèi)汽車零件的精度低、重復精度差,激光焊接工藝只在國內(nèi)汽車的少數(shù)合資企業(yè)有所使用,如一汽大眾、神龍公司、上海大眾等。激光焊接技術在白車身的主要應用是在可視的外圍接合件上,如行李箱上下兩部分的接合、頂蓋與左右側(cè)圍的接合、汽車C柱上下兩段的接合等。頂蓋與側(cè)圍的結(jié)合使用激光焊接,可以提高車身強度、使車身更美觀、便于車身結(jié)構(gòu)設計。上海大眾帕薩特、一汽大眾奧迪A6、高爾夫等車型上均用到了此項技術。行李箱的設計由上下兩部分組成,采用普通的電阻焊和MIG/MAG焊接方法,難以滿足密封性、強度、外觀等要求,使用激光焊接工藝可以有效地解決這些問題。一汽大眾、上海大眾、神龍公司等廠家的行李箱均使用了此項技術。見圖4。激光焊接技術除了用于白車身焊接之外,另外一個重要應用方向是汽車零件的切割和拼焊。為了提高汽車的安全性,近幾年高強度鋼板和超高強度鋼在白車身制造方面的應用越來越多。據(jù)報道,2006年日本本田汽車公司在本土生產(chǎn)的思域牌轎車,高強度鋼和超高強度鋼占鋼板使用量的50%。高強度鋼材料的硬度高,其加工難度大,而激光切割效率高且材料的熱影響區(qū)很小,幾乎不產(chǎn)生零件變形,可以解決這個難題。激光拼焊板把2個或2個以上相同或不同厚度、不同材質(zhì)、不同涂層的鋼質(zhì)材料沿直線或曲線焊接在一起,可以減少零件數(shù)量、減輕車身質(zhì)量、降低成本、提高安全性。蒂森克虜伯公司和大眾汽車合作,將此項技術最早應用于奧迪100的底板拼焊,目前已廣泛應用在汽車車身的各個部位上,如行李箱加強板、行李箱內(nèi)板、減振器支座、后輪罩、側(cè)圍內(nèi)板、門內(nèi)板、前地板、前縱梁、保險杠、橫梁、輪罩、B柱連接件、中立柱等。激光拼焊板在汽車制造中已獲得普遍應用,國內(nèi)汽車廠家如一汽大眾奧迪A6的前地板、上海通用的某車型前門內(nèi)板、東風標致307的中立柱、前縱梁等零部件都在制造中使用了激光拼焊板技術。應用在汽車工業(yè)上的激光焊接設備最早是CO2氣體激光器,由于激光器有體積大、光波無法用光纖傳送、操作難度大等缺點,近幾年已經(jīng)被固體激光器替代。固體激光器具有激光聚焦性好、光束細小、波長短、可用光纖傳送、易于操作等優(yōu)點。目前,國內(nèi)汽車廠家使用的激光器都是國外進口,其價格高。國內(nèi)激光器廠家基本上不具備生產(chǎn)大功率固體激光器的能力。4車載合裝線機器人焊接機器人是本體獨立、動作自由度多、程序變更靈活、自動化程序高、生產(chǎn)效率高的焊接設備,它突破了傳統(tǒng)剛性的自動化方式,可以進行多品種車型混流的柔性化生產(chǎn)。目前,國內(nèi)外應用在汽車行業(yè)的絕大多數(shù)機器人是示教再現(xiàn)型機器人,它在示教過程中自動記錄每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)、工藝參數(shù)等,示教完成后,只需給機器人一個啟動命令,它就可以十分精確的重復示教內(nèi)容。汽車行業(yè)點焊機器人數(shù)量占焊接機器人總量的80%左右,由機器人本體、點焊焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成。機器人本體應用最多的是全關節(jié)6軸機器人。機器人控制系統(tǒng)由焊接控制部分和機器人本體控制部分組成;焊接控制部分實現(xiàn)控制電極加壓、通電焊接、程序轉(zhuǎn)換等功能;本體控制系統(tǒng)實現(xiàn)示教再現(xiàn)、焊點位置和精度控制。點焊焊接系統(tǒng)由焊接控制器,焊鉗(含阻焊變壓器),水、電、氣等輔助部分組成。機器人在國內(nèi)外汽車公司應用極為普遍,其應用領域除點焊工藝之外,還擴展到了涂膠、包邊、搬運、螺