汽車制造中的焊接科學與技術

中國的汽車工業誕生于1953年。毛澤東主席寫下“第一汽車制造廠奠基紀念”的題詞至今已走過了50年的歷程。歷經了幾代人的艱苦奮斗，中國汽車工業從無到有、從小到大，從貨車時代到轎車時代，從“公車”到“私車”，其創建、成長的每一步都記載著中國的巨變，成為中國制造業發展與開拓的見證。

如今，汽車工業已成為我國的支柱產業之一，在國民經濟發展中占有重要的地位。

汽車工業是用高新技術牽動國民經濟整體水平的典型產業。基礎工業的水平與汽車制造技術具有密切的聯系。汽車重量的65％以上是采用鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料并通過鑄造、鍛壓、焊接等加工方法完成的。其中，焊接加工是汽車車體與零部件制造鏈中的一個關鍵環節，與沖壓、涂裝和成車裝配等構成了汽車制造的四大主要生產部門。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、成本等方面的綜合要求，都決定了汽車制造中的焊接加工是一個多學科、跨領域、技術集成性強的生產過程。因此，汽車制造業的需求對焊接科學技術的巨大牽動以及焊接科學技術對汽車這一支柱產業的重要支撐作用構成了基礎制造技術與相關產業之間依存與互動的發展史和不斷進步的動力。

1 汽車制造中的焊接技術的特點

焊接是汽車制造鏈中的一項重要的加工環節。汽車的發動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂等六大總成都離不開焊接技術的應用。各種焊接方法“覆蓋”了從白車身、車架、底盤到懸掛系統、制動系統、轉向器、離合器、變速器直至車輪輪圈等部件的成形加工。各類已有的焊接單元技術和工藝方法，如電阻焊、氣體保護焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等都得到應用[1]。例如，在一輛Passat車身上有電阻焊焊點5892個；螺栓焊206個；MIG焊焊縫累計2397mm等。圖1是汽車主要部件焊接加工方法應用的一個簡要的描述。

圖1 汽車主要部件焊接加工的示意圖

在以“鋼結構”為主的汽車車身及主要支撐部件的焊接加工中，形成了汽車制造與焊接技術特有的結合點：

（1）對焊接產品有高的尺寸要求。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沖壓組合部件在焊后的熱應力與變形。

（2）對焊縫接頭有高的性能要求。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）批量化焊接生產有高品質的要求。以機器人為核心的自動化焊接生產方式代替手工焊接操作方式，以確保焊接產品的一致性。

（4）對焊接生產過程高節拍、高效率的要求。提出了高效化焊接方法與工藝的應用，同時也進一步提高了焊接接頭的質量。

（5）對“零缺陷”、“零次品”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。促進了以計算機、信息技術為平臺的焊接制造過程質量控制系統的應用。

（6）對汽車的車身及零部件在結構與功能上的要求，使汽車用新材料及其相應的焊接新方法、新工藝與新的焊接材料成為當前汽車業與制造業多學科交叉與攻關的熱點。

（7）我國的汽車產業通過合資或引進國外先進的產品技術和制造技術，大大縮短了汽車國產化率的周期，也大大加快了先進的焊接技術在汽車制造中的應用。尤其是近10年以來，汽車工業在焊接新技術的應用與推廣方面起了積極的示范作用。具有以高新技術提高競爭力、促進傳統生產方式改造與更新的明顯特征。

2 汽車制造中的先進焊接技術

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從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”的方向前進。

2．1 汽車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。據2001年的統計，全國共有各類焊接機器人1040臺，而汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76％，成為工業機器人的最主要用戶。

早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所合作研制出4軸直角坐標焊接機械手，成功地應用于上海牌轎車底盤的焊接。在我國的汽車制造企業中，最早引進焊接機器人的是長春“一汽”，自1984年起從KUKA公司先后引進了三臺點焊機器人，曾用于當時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。20世紀90年代以后，焊接機器人的數量增加很快，如一汽的“捷達”車身焊裝車間，13條生產線的自動化率達80％以上，在焊接中應用了R30型極坐標機器人和G60型關節式機器人共61臺；上海“匯眾”自1993年至今已使用的焊接機器人共143臺，其中弧焊機器人120余臺，以機器人焊接為主的生產線有11條，機器人焊接工作站73個。機器人MIG/MAG焊接工作量占75％以上，為上海大眾、上海通用汽車公司提供后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件。

與目前國際上的工業化國家相比，如機器人應用較普遍的日本，在1988-1997年的10年間，汽車制造中的焊接機器人已達50,022臺。其中弧焊和點焊機器人的數量分別為28,235臺和21,787臺[3]。在美國、德國等汽車行業，機器人焊接及自動化率均已超過了鋼結構行業、建筑行業和造船行業等其他行業。以此亦反映出汽車焊接生產所具有的柔性化、集成化的制造特征。

2.2 汽車制造中激光等高能束加工技術的應用

汽車工業是激光加工技術應用最多的領域之一。激光焊接具有熱影響區小，變形小、成形好、生產率高等諸多優點。在汽車制造中激光技術最早是應用于Audil00的底板焊接，對板厚為0.9mm，長為1950mm的焊縫僅用20s時間完成[4]。如今已作為一項成熟的工藝廣泛地應用于白車身、車頂、車門等的焊接加工。其中，較為典型的應用是激光“裁焊拼板”(Tailor-welded blanks)工藝，即在單一部件上實現板材厚度的優化和板材性能的組合。不僅提高了材料的利用率，減少模具的數量，同時滿足車身的輕量化、設計的靈活性和安全性等多個方面的需求。圖3是對車門坯料的激光“裁焊拼板”的一個實例。

車門坯料(5合1)的激光“裁焊拼板”

以激光為代表的高能束以其綜合的技術優勢對傳統的白車身電阻點焊提出了挑戰。移動式激光焊接工作站(RLW—Remote Laser Welding)已能夠在一個相當大的空間進行焊接操作，聚焦距離可達lm以上，每秒可焊5個焊點，移動的速度可達每秒2m[4，6]。美國的三大汽車公司已將50％的車身部件點焊生產用激光焊接代替，使制造成本與傳統的點焊工藝相比降低了約30％。全鋁結構的AudiA2車身部件由50種型材、20種鑄件和168塊板件構成，在該車體的制造中，由激光完成的焊縫達30m，MIG焊縫20m，并采用1700個自穿孔鉚釘，成功地替代了傳統的電阻點焊工藝，顯著地提高了車身成形的質量[7]。表1給出了激光點焊(LSW)、等離子點焊(PSW)與傳統的電阻點焊(RSW)在工藝性方面的比較[8,9]。另外，激光釬焊工藝以最小的熱輸入量用于對鍍鋅板的焊接，達到最少的表面鍍層燒損。該工藝已應用于Audi車的外殼層、后防護板，大眾Bora和Golf車的行李箱蓋等[4]。

汽車制造工業也是高能束加工之一的電子束焊接的最大用戶。我國自1986年以來，用于汽車變速齒輪的電子束焊接設備已有近30臺[10]。目前局部真空和非真空電子束技術的發展，提高了生產過程的適應性和靈活性，并開始應用于汽車鋁合金結構件的焊接”[11]。

2.3 汽車制造中高效弧焊技術的應用

脈沖GMAW(P-GMAW)、雙絲MIG/MAG焊(Twin-Wire，Tandem-Wire)等代表了當前在汽車制造中應用的高效、高速焊接新工藝。這兩種焊接方法與機器人相配合，能充分體現高效化焊接的特點，實現了機器人系統在空間可達性和焊接速度之間的協同和完美組合。

P-GMAW電弧過程具有好的穩定性，能有效地保證焊縫質量的一致性，改善了由于短路過渡焊接過程較低的熱輸入而造成的熔深不足。P-GMAW的射流過渡方式適用于薄板材料的高速焊接、鋼或鋁合金的車身框架結構的全位置焊接。在Audi A8全鋁合金車身框架結構的管狀型材和接合點的焊接中，均大量地采用了P-GMAW的工藝[9]。

雙絲MIG/MAG焊有兩種基本形式：一種是雙絲焊接工藝(Twin—Wire)，兩個焊絲都是采用同樣的焊接參數：另一種是Tandem-Wire，采用兩個獨立的噴嘴和兩個獨立的電源，每個電弧有自己獨立的焊接參數。圖4顯示的是機器人的鋁合金脈沖MIG焊接及Tandem的焊接。前者的焊速為60～80cm/min；后者的焊速為180～210cm/min，用于寶馬5系列及奔馳(S級和E級)車型的鋁合金后軸[12]。

2.4 汽車制造中焊接新材料的應用

從我國8個行業的用鋼量的統計結果及調查預測表明，我國的汽車行業用鋼已居建筑、機械制造兩大行業之后的第三位。其用鋼量超過了造船、鐵路、石油與天然氣三個行業的總和。表2和圖4分別給出了汽車及相關行業的用鋼和焊絲用量的情況。從這些數據表明，從當前到今后的近十年中，是我國汽車制造業的大發展時期，對于汽車用鋼的焊接加工亦預示了相當大的發展空間。同時，圖5的數據進一步表明，自動化焊接工藝在汽車焊接中始終具有主導的地位。

圖4 鋁合金后軸的焊接

近年來，汽車產品在輕量化、安全性以及防腐耐蝕方面的需求，促進了高強鋼板、鍍層鋼板等新型材料的研制，亦對焊材品種及其相關工藝不斷提出了新的課題。例如，為滿足機器人焊接高效率的需求，從提高送絲性能和引弧成功率、減少飛濺、改善電弧穩定性等方面考慮，開展了不鍍銅型MAG焊實芯焊絲的研制；新開發的脈沖MAG焊接用的實芯焊絲，通過改變成分，降低熔滴的粘度和表面張力，焊絲經過表面處理，促進了電弧噴射過渡，與普通的焊絲相比較，焊接速度達到1.5倍左右；針對焊接管板、輕型鋼架等鍍鋅鋼材的專用藥芯焊絲，能明顯減少鍍鋅鋼材焊接時的飛濺量和氣孔數量，獲得優良的焊接性能(見圖6)。另外，低塵低飛濺型藥芯焊絲、極薄板的MAG焊焊絲等都在迅速地發展中[13,14]。同時，根據汽車焊接加工的特點和汽車用鋼的焊接材料專業性，正逐步形成從焊接對象、焊接材料、焊接方法三者匹配的總體工藝思路[13]。

圖6 鍍鋅鋼板用藥芯焊絲焊縫成形的對比

3 新一代汽車制造中的焊接科學與技術的進展

新一代汽車正迅速地向節能、環保、更高的安全性和舒適性的目標發展。由此對汽車的設計、材料的選擇及其焊接加工等關鍵技術提出了全新的概念和對新技術的緊迫需求。以輕量化為目標，表現為輕金屬材料、復合材料等對汽車鋼制部件的替代；以液壓成形的管狀型材車體框架對傳統的無梁式鋼板結構的替代(見圖7)[15]。新技術的開發應用并對傳統技術的提升和替代，己成為近年來國際汽車行業技術進展的顯著特點。

圖7 液壓成形的管狀型材車體框架示意圖

3.1 汽車制造中焊接新技術的進展

如前所述，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和加快了汽車焊接制造的進步和創新。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車型的制造中。表3列舉了當前先進的焊接連接技術的特點及應用。

在BMW7系列車型的車身凸緣的連接加工中，采用膠接技術的已達到150m，占凸緣總長的80％，而消耗粘結劑僅1.5kg；在Daimler Chrysler公司最新生產的Mercedes Benz CL車身結構中，大量采用了纖維增強型熱固塑料、薄壁鋁合金壓鑄件結構，采用膠接方法對該異種材料的連接接頭有71m。此外，為了滿足復合材料和異種材料車體的連接，大量發展了各種機械連接或機械連接與粘結復合的連接方式，如咬接、實心或空心鉚接、折疊連接、自穿孔鉚接等，具有不受材料類型的限制、避免加熱引起的材料性能變化和變形等獨特的優勢。

3.2 計算機與信息技術在汽車焊接中的應用

傳統的焊接技術正經歷著由經驗性工藝向材料加工科學的變革。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”的先進制造方式轉變，并逐步與汽車制造加工鏈在產品生命全周期的有機集成。在當前汽車制造的焊接生產中，具體表現在對以減少消耗和提高綜合效益為目標的信息化制造的迫切需求。

基于虛擬現實建模(Virtual reality modeling)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規劃、工藝參數的優化以及焊接夾具的設計等各個制造環節。對加快機器人焊接程序的編制、節約現場調試時間以及焊接過程位置信息的準確獲取具有重要應用價值。圖8分別給出由清華大學研制的“轎車車身機器人裝焊生產線”實體模型(a)和“奔馳”公司對卡車車身機器人點焊過程的仿真(b)。

目前的仿真技術已有能力進行焊接工藝參數對焊縫質量的影響的評估，以及對焊后的應力與變形作出預測。新型車型的車身材料將從鍍層鋼板、鋁合金、高分子聚合物、復合材料等進行選擇、優化和組合，因此在設計階段就需要對多種材料的連接方式及其應達到的性能，尤其是疲勞性能、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。

為確保汽車焊接自動化生產高效、高質量地進行，實現“零次品”、“零缺陷”的產品管理目標，基于過程參數的焊縫質量實時監測和缺陷檢出以及焊接生產過程及其產品質量信息的在線反饋均在實施中。在美國、德國汽車制造業的質量管理體系中，都明確規定了對生產過程中的每個部件產品質量的可記錄性和可追溯性。如由美國Chrysler,Ford，GM三大汽車公司制定的基于QS-9000的統計過程控制(SPC)以及由德國汽車工業聯合會制定的基于DIN EN ISO9001和DIN EN IS09004-1的汽車工業質量管理體系審核(VDA 6)等，對生產過程要素如工序能力、設備能力、產品質量受控能力等都作了明確的定義。因此，以計算機和信息技術為平臺的焊接生產過程信息系統為汽車焊接生產過程的質量狀況分析與優化、以及企業的管理與決策提供準確的依據。

圖9 基于過程參數的汽車部件

焊縫質量實時監測和缺陷檢出

4 結束語

汽車作為20世紀最顯著的人文標志之一，己成為人類社會的科技與文明進步的一個象征。從50年代開始的中國汽車制造業，以手工焊和電阻點焊作為主要加工手段跨出了汽車制造的第一步，如今已進入了世界汽車生產大國的行列。我國汽車制造業在高速增長的同時，對基礎制造技術上的認識深化和自主開發的需要已越來越迫切。從一個“支柱產業”對基礎制造技術的強大牽動作用及其對傳統制造方式的巨大挑戰，充分反映了發展制造業的極其重要性和技術創新的緊迫性。中國與發達國家的汽車工業還存在巨大的差距，汽車工業是世界性的產業，面對國際競爭的全球化、國內競爭的國際化的形勢，為使我國的汽車工業能快速跨越到全球經濟的高度，在世界汽車工業的發展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接科學與技術在內的基礎制造技術的進步和創新能力的提高，才能實現具有中國特色的汽車工業自主發展的目標。