汽車焊接技術現狀及發展趨勢

車身的焊裝質量直接決定著后面工序的質量，車身的裝配質量不良，不僅影響整車外觀，還會導致漏雨、風噪、路噪和車門關閉障礙的發生，所以，焊接應該引起足夠重視。
汽車工業中，焊接是汽車零部件與車身制造中的一個關鍵環節，起著承上啟下的特殊作用，同時，汽車產品的車型眾多、成形結構復雜、零部件生產專業化、標準化以及汽車制造在質量、效率和成本等方面的綜合要求，都決定了汽車焊接加工是一個多學科、跨領域和技術集成性強的生產過程。在目前汽車零部件及白車身的制造中，主要的焊接方法有電阻點焊、CO2氣體保護焊和激光焊，另外也有采用氬弧焊、電子束焊等。
焊接技術的特點
焊接是汽車制造過程中一項重要的環節。汽車的白車身、發動機和變速箱等都離不開焊接技術的應用。在以“鋼結構”為主的汽車車身的焊接加工中，汽車焊接又有不同于其他產品焊接的要求：
1.對焊接件的尺寸精度要求高
為了保證產品的裝配精度和尺寸穩定性，要求盡可能減少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的熱應力與變形。
2.對焊縫接頭的性能要求高
焊接接頭不僅要滿足靜態和動態的力學性能指標，而且有苛刻的低周疲勞性能要求。
3.對批量焊接生產品質高且一致性好的要求
4.對焊接生產過程高節拍、高效率的要求
5.對“零缺陷”的質量控制與保證，提出了自動化焊接過程的監測與信息化管理的要求
近幾年來，汽車工業在焊接新技術的應用及推廣方面起了積極的推動作用。針對汽車產品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發展目標，當前的汽車焊接技術正在傳統的材料連接概念與方法的基礎上迅速地延伸和拓展，并向先進的“精量化焊接制造”的方向發展。
主要焊接方法
汽車制造業是焊接應用最廣的行業之一，其中主要的焊接方法如下：
1. 電阻焊
電阻焊是工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區域產生的電阻熱進行焊接的方法，目前廣泛應用于汽車制造中。
在點焊過程中，影響焊點質量的因素有：焊接電流、焊接壓力、電極的端面形狀、穿過電極的鐵磁性物質及分流等。特別在阻焊設備較多的焊接車間，同時工作的焊機相互感應，對電網產生影響，導致焊接質量的穩定性和一致性較差。因此，電阻點焊控制技術顯得尤為重要。目前，控制模式已由單模式控制發展為多模式控制，調節參量已由初始的單變量調節發展為多變量調節，在焊接過程中可同時對焊接電流、焊接時間和焊接壓力進行調節。
2. 氣體保護焊
用外加氣體作為電弧介質并保護電弧和焊接區的電弧焊，簡稱氣體保護焊。CO2氣體保護焊作為一種高效的焊接方法，以其焊接變形小和焊接成本低的特點，在我國汽車業獲得了廣泛的運用。但CO2氣體保護焊在實際應用中還存在一些問題：以CO2氣保焊中應用最為廣泛的短路過渡形式為例，電弧電壓、焊接電流或焊接回路電感匹配不當，或焊絲干伸長度不合適，都可能造成焊接電弧不穩定、飛濺以及未焊透等，對焊縫成形、焊縫的機械性能有較大影響。另外，短路過渡焊接時對焊接電源的動特性要求很高。如果選型錯誤，穩定焊接電弧的參數范圍狹窄，會影響焊接的質量。
3.激光焊
激光焊是利用激光器受激產生的激光束，通過聚焦系統并調焦到焊件接頭處，將光能轉換為熱能，使金屬熔化形成接頭。與傳統的點焊相比，激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自動化、輕量化和降低成本等方面都具有無可比擬的優越性。激光焊接被認為是21世紀最有發展前景的制造技術之一。
激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，目前主要有兩大類，一類是固體激光器，主要優點是產生的光束可以通過光纖傳送，適用于柔性制造系統或遠程加工。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，以分子氣體作工作介質，可以連續工作并輸出很高的功率。
汽車工業中，激光技術主要用于車身拼焊和零件焊接，例如頂蓬與側圍的焊接(見圖1)。但激光焊接要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。否則很容易造成焊接缺陷。
焊接材料的應用及發展趨勢
隨著車身向著輕量化方向發展，車身材料的輕量化及車身金屬材料的非金屬化是必然趨勢。未來車身材料仍以鋼板為主，但是一些復合材料將得到廣泛應用。
1. 鍍鋅鋼板
隨著汽車工業發展，為了提高車體使用壽命和增強車體材料的抗腐性能，鍍鋅鋼板得到廣泛使用。由于在目前汽車車身制造中，主要采用電阻點焊方法，與無鍍層鋼板相比，鍍鋅鋼板的點焊過程中還存在一些問題：先于鋼板熔化的鋅層形成鋅環而分流，致使焊接電流密度減小；鋅層表面燒損、污染電極而使電極壽命降低；鋅層電阻率低，接觸電阻小；容易產生焊接飛濺、裂紋及氣孔等缺陷。
2. 高強度鋼板
為了實現汽車輕量化，提高汽車安全性能，高強度鋼板的應用正逐年增加。目前高強度鋼板的品種主要有含磷冷軋鋼板、烘烤硬化冷軋鋼板及冷軋雙相鋼板等。
(1)含磷高強度冷軋鋼板：具有較高強度，良好的強度和塑性平衡，良好的耐腐蝕性及點焊性能；主要用于側圍、車門、頂蓬和行李箱蓋。
(2)烘烤硬化冷軋鋼板：這種簡稱為BH鋼板的烘烤硬化鋼板既薄又有足夠的強度，是車身外板輕量化設計首選材料之一。
(3)冷軋雙相鋼板：主要用于要求拉伸性能好的承力零部件，如車門加強板、保險杠等。
3.鋁合金
與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小、比強度高、耐銹蝕、熱穩定性好、易成形和可回收再生等優點，技術成熟。汽車工業中也逐漸在使用鋁合金材料的零部件。但鋁合金焊接目前還存在線膨脹系數大，產生的熱應力較大，易出現氣孔從而導致鋁合金焊接接頭的強度降低的缺點。
4.鎂合金
鎂的密度僅為鋼材密度的35%。它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，尺寸穩定性好，因此，在汽車工業中得到了廣泛的應用。目前，鎂合金在汽車工業中主要運用于車門鑄造，隨著壓鑄技術的進步，已可以制造出形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件，如前/后擋板、儀表盤和方向盤等。
5.高強度纖維復合材料
20世紀80年代后期，復合材料車身外覆件得到大量的應用和推廣，如發動機罩、翼子板、車門和頂蓬等，甚至出現了全復合材料的轎車車身。用復合材料作為汽車車身外覆件，無論從設計還是生產制造、應用都已成熟，并已從外覆件的使用向內飾件和結構件方向發展。
新材料與新工藝是相輔相成的，汽車工業正在開發新的制造方法并對傳統的工藝進行更新。據有關方面預測，在今后10年中，轎車自身質量還將減輕20%，除了大量采用復合材料和輕質合金外，車身設計方法也將發生重大變化。
以激光焊接為代表的精量化焊接生產方式用一種新的技術理念促進了汽車焊接技術的進步。此外，一些新的連接方法也率先在汽車制造中獲得應用。如變極性MIG／MAG焊接方法、激光-電弧復合焊接方法、磁脈沖焊接方法、膠接和機械連接方法等都已開始成功地應用在各類新車型的制造中。焊接機器人技術的應用
汽車制造的批量化、高效率和對產品質量一致性的要求，使機器人生產方式在汽車焊接中獲得了大量應用。焊接機器人是本體獨立、動作自由度多、程序變更靈活、自動化程度高和柔性程度極高的焊接設備。具有重復精度高、焊接質量好、運動速度快和動作穩定可靠等特點，焊接機器人是焊接設備柔性化的最佳選擇。焊接設備作為焊裝生產線的重要組成部分，是否采用焊接機器人是焊裝生產線柔性程度的重要標志之一。
在國內，點焊機器人上所配備的焊鉗均為氣動焊鉗，焊接時沖擊力較大。當工件的重復精度較差、電極處于板材邊緣時，焊鉗易打滑并損壞被焊工件。而在國外，機器人用焊鉗已逐步采用伺服焊鉗，這種焊鉗的開閉由伺服電機控制，每個焊點的焊接周期可大幅度降低。電極壓緊力可實現無級調節，焊接時可減少碰撞變形和噪音，并能實現精確控制，提高焊接質量。
另外，從兩種焊鉗的時間壓力曲線比較中可以看出：電極壓力由0升高到100%焊接所需壓力值，伺服驅動系統比汽缸驅動系統快5倍。設置好的壓力值在焊接過程中不再變化，從而保證很高的焊接質量。
焊接技術的應用及發展趨勢
1. 電阻焊的節能及控制技術
目前，電阻焊機大量使用交流50Hz的單相交流電源，容量大、功率因數低。發展三相中頻電阻焊機、三相次級整流接觸焊機和IGBT逆變電阻焊機，可以解決電網不平衡和提高功率因數的問題。在標準焊接電流的條件下中頻點焊機按設置的焊接電流無飛濺。焊接電流小、電極發熱量小，延長了電極使用時間，同時可進一步節約電能，利于實現參數的微機控制。由于焊接回路小型輕量化還可進一步減輕設備重量。
2. 氣體保護焊接技術
(1)表面張力過渡波形控制技術：用2個電流脈沖完成1個熔滴過渡，第1個脈沖形成熔滴直至熔滴與工件短路；第2個脈沖是1個短時窄脈沖并不斷檢測di/dt，同時控制電流脈沖值，以產生適當的電磁收縮力，使熔滴頸部收縮，靠熔池表面張力拉斷，完成1個熔滴過渡而不產生飛濺。
(2)逆變電源波形控制技術：利用逆變電源良好的動特性和可控性，采用波形控制，在短路階段初期抑制電流上升，以減少大顆粒飛濺，并利于熔滴在熔池鋪開；當熔滴在熔池鋪開后，使電流迅速上升，以加速形成縮頸，使小橋爆斷時飛濺減少。
(3)氬弧焊新技術：氬弧焊有非熔化極和熔化極兩種，均用于汽車工業有色金屬和高合金鋼焊接中。為改善CO2氣體保護焊的成形和減少飛濺，采用加入80%或20%Ar的混合氣體保護焊。3. 激光和電弧復合熱源焊接
由于激光焊接成本較高，因此以激光為核心的復合熱源焊接技術孕育而生。現在研究最多、應用最廣的是激光-電弧復合熱源焊接技術，主要目的是有效利用電弧熱源，在較小的激光功率條件下獲得較大熔深，同時提高激光焊接對焊縫間隙的適應性，實現高效率、高質量的焊接過程。哈爾濱焊接研究所在該方面的研究做了大量的工作，這一新型焊接技術，目前研究工作主要集中在這種焊接方法的工藝特點上，對于激光+電弧復合熱源焊接時激光與電弧的相互作用機理、焊接熱源的特性等課題有待于從理論上進一步研究。
汽車工業焊接總體發展趨勢
1.發展焊接機器人自動化柔性生產系統
從目前發展來看，自動化柔性生產系統是汽車焊接的發展趨勢，而工業機器人因其自動化和靈活性在轎車生產中得到大規模使用。在焊接方面，主要使用的是六自由度點焊機器人和弧焊機器人。且機器人具有焊鉗儲存庫，可根據焊裝部位的不同要求或焊裝產品的變更，自動從儲存庫抓換所需焊鉗。傳輸裝置則已發展為采用無人駕駛的更具柔性化的感應導向小車。
2.發展輕便組合式智能自動焊機
近年來，國內的汽車制造廠都非常重視焊接的自動化。如一汽引進的捷達車身焊裝車間的13條生產線的自動化率達80%以上。各條線都由計算機(可編程控制器PLC-3)控制，自動完成工件的傳送和焊接。機器人的動作采用點到點的序步軌跡，具有很高的焊接自動化水平，既改善了工作條件，提高了產品質量和生產率，又降低材料消耗。
3.發展計算機與信息技術
隨著計算機與信息技術的工業應用，促進了傳統的焊接生產向“精量化”的制造方式轉變。
基于虛擬現實建模的機器人焊接過程仿真技術提供了關于工件、夾具和機器人焊槍姿態的三維信息，已大量地應用于焊接過程策劃、工藝參數優化以及焊接夾具設計等各個環節。對加快焊接程序的編制、縮短現場調試時間及焊接過程位置信息的準確獲取具有重要應用價值。同時，仿真技術也運用于焊縫質量的評估及焊后的應力與變形預測。在新車型設計階段還可以對多種材料的連接方式及疲勞性能、沖擊性能等進行綜合考慮，通過對接頭的仿真作出適用性評價。
以計算機和信息技術為平臺的焊接生產過程信息系統對汽車焊接生產過程的質量分析與優化、企業的管理與決策有著非常重要的意義。
總之，通過大力開發高效節能的焊接新技術、新材料、新工藝和新設備、應用機器人技術，輕便靈巧的智能設備及計算機和信息技術，汽車工業必將取得更大的進步。