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焊接技术在汽车制造中的应用
[ 编辑:admin | 时间:2016-06-17 04:46:41 | 浏览:1743次 | 来源: | 作者: ]
汽车工业中,焊接是汽车零部件与车身制造中的一个关键环节,起着承上启下的特殊作用,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、效率和成本等方面的综合要求,都决定了汽车焊接加工是一个多学科、跨领域和技术集成性强的生产过程。近些年国外汽车工业广泛应用各类机器人,尤其点焊机器人,采用了点焊钳转换装置;同时又发展了逆变控制技术;多点焊机也采用了柔性化设计,国外汽车工业焊接技术与设备已实现了高度自动化、柔性化,并朝着更高的自动化、柔性化方向发展。
1汽车制造离不开焊接技术
        焊接是汽车制造链中的一项重要的加工环节。汽车发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术应用。有些构件在某些特定的部位它的材质有特殊的强度要求,比如大型齿轮的轮缘部分必须要用高强度的耐磨优质合金钢,这样才能长时间的使用,保证它的质量,但这种钢材很贵,这就会大大的提高成本,所以其它部分为了节省材料可用一般钢材来制造,这样既提高了齿轮的使用性能,使它结实耐磨,又节省了优质钢材降低了成本,这就用到了拼焊的方法,比如堆焊和摩擦焊,把工件分别加工后再拼接在一起,形成一个很完美的整体,可见这一点也是很有优势的。汽车零部件制造中,点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等各种焊接方法中,点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量大,自动化程度高,高速、低耗、焊接变形小、易操作等特点,对汽车车身薄板覆盖零部件特别适合,在汽车生产中应用最多。投资费用中点焊约占75%,其他焊接方法只占25%。在目前汽车零部件及白车身的制造中,主要的焊接方法有电阻点焊、CO2气体保护焊和激光焊,另外也有采用氩弧焊、电子束焊等。在以“钢结构”为主的汽车车身的焊接加工中,汽车焊接又有不同于其他产品焊接的要求:对焊接件的尺寸精度要求高。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件在焊前的精度偏差和焊后的热应力与变形;对焊缝接头的性能要求高。焊接接头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;对批量焊接生产品质高且一致性好的要求;对焊接生产过程高节拍、高效率的要求;对“零缺陷”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。车身的焊装质量直接决定着后面工序的质量,车身的装配质量不良,不仅影响整车外观,还会导致漏雨、风噪、路噪和车门关闭障碍的发生,所以,焊接技术应该引起足够重视。
       焊接作为一种传统技术又面临着21世纪的挑战。一方面,材料作为21世纪的支柱产业已显示出几个方面的变化趋势,即从黑色金属向有色金属变化;从金属材料向非金属材料变化,从结构材料向功能材料变化,从多维材料向低维材料变化;从单一材料向复合材料变化,新材料连接必然要对焊接技术提出更高的要求。另一方面,先进制造技术的蓬勃发展,正从集成化等方面对焊接技术的发展提出了越来越高的要求。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 焊接技术在轿车生产中的应用
       电阻焊是一个牵涉到电学、传热学、冶金学和力学的复杂过程,其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。要得到一个高质量的焊接接头必须要控制这些因素。传统的电阻焊工艺及参数制定方法是通过一系列工艺试验和经验数据得到的。然而从发展来看,随着计算机技术的发展,数值模拟的方法将起越来越重要的作用。例如,用新的高强钢等材料制造新的工程结构,尤其是对于一些航空航天重要结构,没有多少经验可以凭借,如果只依靠实验方法积累数据要花很长的时间和经费,而且任何尝试和失败,都将造成重大经济损失。此时数值方法将发挥其独特的能力和优点。只要通过少量验证试验证明数值方法在处理某一问题上的适用性,那么大量的筛选工作便可由计算机进行,而不必在车间和实验室里进行大量的试验工作。这就大大节约了人力、物力和时间,具有很大的经济效益。近年来随着汽车工业的飞速发展,相应的工业产品在其材料、结构及应用领域上不断更新和发展,对产品的加工质量要求不断提高,作为汽车工业产品制造中的一种广泛使用的材料加工工艺——电阻焊也受到了很大的挑战。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟,人们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。此外,数值模拟还广泛地用于分析点焊接头强度和性能等方面。
       随着工业的迅猛发展,对工业产品(特别是汽车)外壳用材的性能提出了更高的要求,并促进了产品用材的更新换代。例如,为了改善汽车外壳的抗腐蚀性能,提高汽车的使用寿命,在汽车车身制造中大量采用镀锌钢板代替普通冷轧钢板;为了减轻车身总体重量,节省能源消耗,世界各大汽车公司正在开发铝合金或高强钢车身的汽车。由于在汽车车身等薄板结构的装配制造中,大量采用电阻点焊方法,为保证焊接质量,研究铝合金、镀锌钢板高强钢等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。近年来,各国焊接工作者就此方面做了大量的理论及实际研究工作,并取得了一定的成绩。由于电阻焊工艺运用的广泛性、重要性和具有代表性,保证焊接质量已成为电阻焊研究的主要目标,点焊质量控制始终是国内外焊接界学者致力研究的重要课题之一。日本焊接协会专门成立了点焊质量监控及检测研究小组,美国也为解决汽车工业中的电阻点焊开展了2mm研究工程。目前,焊接工艺控制工程师面临的一个主要问题是探索出一种可靠、低成本、非破坏性的技术,用以区分焊点的质量和实时预测焊点强度。
       电弧焊至今仍是焊接的主要方法,而电弧焊技术的进步主要是由电源的发展带动的。国外企业非常重视焊接电源的开发,而且将电源的开发与电弧物理和焊接工艺技术相结合。每当出现一种新型焊接电源都同时推出新的控制方法。例如当出现晶闸管整流焊接电源就推出波形控制减少飞溅的CO2焊接电源和方波交流焊接电源;当逆变电源出现后就推出变极性电源、STT短路过渡焊接电源等;而当全数字化电源出现后又出现焊接电流和电压与送丝速度同步协调控制的双脉冲铝合金焊接电源和CMT“冷金属过渡”焊接电源等。这说明焊接电源的发展并不只是电路的设计,它关系到电气技术、微电子技术、控制技术、计算机技术、电弧物理、工艺技术等工程技术人员的联合与合作,需要一个多学科的团队共同研发。国内电焊机行业缺乏龙头企业,缺乏这样的团队,是造成国内电焊机发展速度慢、小企业只能在低端产品的生产中挣扎生存的主要原因。一种新开发的用于等离子弧焊的焊炬系统,采用反极性电极和选用100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件,焊接质量很好。经对各种铝镁合金的焊接试验表明:在焊接2~8mm的板材时,可以使用熔入和锁孔式焊接技术。目前电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源,容量大、功率因数低。发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机(已在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机中应用)和IGBT逆变电阻焊机,可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。同时还可进一步节约电能,利于实现参数的微机控制,可更好地适用于铝合金、不锈钢及其他难焊金属的焊接,另外还可进一步减轻设备重量。
 
3车身制造中的电阻点焊技术
       电阻点焊具有的采用内部热源、热量集中、热影响区小、产品变形小能获得较好的表面加工质量、易操作、不使用外加焊接耗材等特点,使其成为焊接质量稳定、生产效率高、易于实现自动化大规模生产的目前最常用的焊接方法之一,广泛应用于汽车制造领域。
电阻焊质量控制一般通过焊前预测、焊接过程监控及焊后检验来保证。目前工厂生产中,用得较多的是焊前预测并打试片、焊后随机抽样破坏性检验和无损检测等方法。但这存在一定的局限性和随机性。因此,焊接过程监控是最理想的点焊质量控制方法。尤其是随着电阻焊不断用于批量生产、生产自动化程度日益提高、点焊质量实时监控方法的研究,已成了各国学者注重发展的方向。据报道,日本已开发了采用数值计算的熔核直径在线自适应控制技术的点焊质量控制方法。根据温度变化情况确定点焊部位的发热情况,由此推算是否可以获得确保点焊质量的熔核直径,使焊点质量稳定可靠且焊接飞溅减少,电极寿命延长。
       轿车白车身,多数为承载式全焊接结构,一般是由20 多个大总成,数百个薄板冲压件经焊接而成的复杂结构件,具有刚性好、自重轻、车内可利用空间大、密封性好、安全、省油、舒适等特点。轿车白车身的焊接方法有:电阻点焊、(富氩+二氧化碳)混合气体保护焊(MAG 焊)、螺柱焊等,主要采用电阻点焊工艺。保证电阻点焊焊接质量是轿车白车身焊接质量保证的关键。汽车厂家需要建立完善的车身点焊质量保证体系,包括前期焊接质量策划和后期焊接质量保证两个阶段。前期焊接质量策划阶段主要包括焊接设备选定、焊接工艺方法的评定和检测项目的确定。后期焊接质量保证阶段主要包括焊点强度质量保证和焊点外观质量保证。焊点质量(焊点强度质量和焊点外观质量)采用当今世界先进水平的技术标准。针对白车身工艺特点强化焊接质量的前期策划是十分重要的。其主要策划内容有焊接设备选型、焊接工艺方法评定和检测项目的确定等。为保证焊接设备焊接电压的稳定性,焊装分厂装有可靠的电源稳压装置。电网的电压变化应限制在 10V 以内,才能保证焊接设备正常工作。焊接设备的能力要求:首先是要选购的焊接设备的机械性能、物理性能、电气性能都具有良好的稳定性;其次是要使焊设备达到其特殊的焊接工艺要求;最后是要使焊接设备满足大批量、高效率的生产目标。焊接设备还应具有适应多品种车体的焊接能力和多种生产节拍连线生产的调整能力。焊接设备的主要技术参数应从输入电源、额定焊接电流、工作电压调节范围、额定负载持续率等几方面综合考虑,实现白车身焊接生产线的整体平衡要求。焊接工艺方法的评定是批量生产,实现车身质量稳定的前提。其目的是根据车体结构和零件材料按车体焊接质量要求对焊接设备参数和焊接工艺参数进行确定。焊接工艺方法评定的主要内容是在明确的焊接环境要求、零件材料和质量检验方法的前提下,确定最佳的焊接工艺方法和焊接顺序,并选择最合理的焊接电极更换频次、焊接设备参数(输入电源、额定电流、工作电压、额定负载持续率)和焊接工艺参数(焊接电压、焊接电流、焊接时间和电极压力)。为保证焊接工艺方法评定的准确与可靠,工艺方法评定要严格按照规定的程序要求进行。合理的选择检测手段,保证检测手段的检测时间和检测频次满足生产节拍和每班产量要求。
       汽车制造业是焊接应用面最广的行业之一,所用的焊接方法也种类繁多,其应用情况大致如下:主要用于车身总成、车身底板、车身零部件等。电阻焊用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘等;用于钢圈、排进气阀杆、刀具等;用于车箱、后桥、车架、减震器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、液压缸和千斤顶等;机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊;用于厚板零部件如支架、备胎架、车架等;用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等;用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等;用于齿轮、后桥等;用于车身底板、齿轮、零件下料及修边等。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。
       汽车工业中应用最多的是悬挂式点焊机,一个车间往往几十或上百台,并在汽车薄板的焊接中得到了广泛的应用。近年来,专用电阻焊机在电阻焊机中的比例也在逐步增大,并可把合理的焊接工艺与电阻焊本身所具有的易于机械化、自动化等特点有机地结合起来,以提高焊接质量和劳动生产率。美、日等工业发达国家,各种电阻点焊机达到很高比例。目前,电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源,容量大、功率因数低。开发高效节能三相均衡的电阻焊电源,可以解决电网不平衡、提高功率因数、节约电能,还可实现参数的微机控制。
 
4 焊接机器人在轿车生产中的应用
       汽车制造业是全球化竞争中最为典型的产业,随着全球经济和科学技术的不断发展、创新,各个领域的先进技术成果被广泛地应用于汽车产业。众所周知,焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平;另一方面,焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接,减轻焊工的劳动强度,同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。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。从机器人技术发展趋势看,焊接机器人不断向智能化方向发展,完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制,从而达到更高的可靠性和安全性。
       近年来,国外部分生产汽车批量大的企业已将中频点焊机器人和伺服技术点焊机器人应用于轿车白车身装焊线。尤其在欧洲,中频点焊机器人使用量已占40%,并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业。中频点焊机器人在轿车生产中有如下优点:汽车制造厂95%的电阻焊机是交流的,交流点焊机与电力网接通依靠晶闸管导通,因此存在空缺区,热量不集中且焊接质量不稳定。而中频点焊机三相负载平衡、低输入、没有电网过度过程、功率因数高,并且节约电能。在轿车白车身的装焊中,经常使用的是160kVA交流悬挂式点焊机,但假如使用中频点焊钳只需44kVA就够了。按点焊规定,在稳定的焊接范围内的焊核直径为4(t为板厚)。经试验,在单相交流焊机点焊100焊点情况下,单相整流焊机为129焊点,中频点焊机为241焊点;同样对镀层钢板,单相交流焊机为110焊点,中频点焊机为355个焊点。可见,中频点焊机稳定的焊接范围较大。对于汽车装焊合件,在保证焊核直径为4 时,焊接电流为计算电流的1.5倍。焊接电流小、电极发热量小、延长了电极使用时间,是中频点焊的最大特点。中频点焊机器人系统焊钳和整流焊接变压器一体化,中频整流焊接变压器的质量为单相交流式的1/3~1/5,而焊钳质量减小1/2~1/3。近年来国外点焊机器人与整流焊接变压器一体化的X/C型焊钳在设计方面有了很大改进,采用高强度铝板组装成板式钳体结构来代替铸铜整体结构,从而进一步减小了焊钳质量。同时,铝板式钳体结构在CNC机床加工中心制造提高了制造精度。另外,X/C型焊钳结构设计具有高共用相似性,可以减少库存备件。由于焊钳的质量减小,点焊机器人的机械装置所支撑的质量也随之减小,从而使驱动电动机功率下降。点焊作业时,在加速、制动以及在点焊过程中的磨损也相应减少。即使在点焊机器人高速旋转时,对极限点焊区也能实现驱动接近。中频点焊具有焊接电流波形的广泛设置。直流极性的效果和良好的热效率使电流焊接热效率比交流点焊高,并且可以用低电流焊接。因此,中频点焊具有焊接钢、带镀层钢板、不锈钢、铝及对不同导热材料进行组合焊接的特性(例如铝和钢的点焊)。随着焊接技术的不断进步、有关汽车厂新车型的投产以及生产纲领的扩大,中频点焊在我国汽车产业的应用必将会进一步发展。
       由于机器人控制速度和精度的提高,尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用,使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决,机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性化,即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序,因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快,采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。随着汽车轻量化制造技术的推广,一些高强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决,必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此,机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。和机器人电弧焊相比,机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。根据一般的要求,机器人电弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内,在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。但对激光焊而言,焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内,远小于焊丝直径(通常大于1.0),而激光焊接时通常又不加填充焊丝,因此,激光焊接中若光斑位置稍有偏差,便会造成偏焊、漏焊。
 
5焊接技术的应用发展趋势
       机器人焊接目前已广泛应用在汽车制造业,汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接,尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量,因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业,在短距离内的运动时间也大为缩短。应用机器人焊接后,大大提高了焊接件的外观和内在质量,并保证了质量的稳定性和降低劳动强度,改善了劳动环境。
       发展自动化柔性生产系统,而工业机器人因集自动化生产和灵活性生产特点于一身,故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接方面,主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。焊接生产线要高度自动化,广泛采用 6 自由度的机器人,且机器人具有焊钳储存库,可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更, 自动从储存库抓换所需焊钳,传输装置则已发展为采用无人驾驶的更具柔性化的感应导向小车。
       目前,电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源,容量大、功率因数低。发展三相中频电阻焊机、三相次级整流接触焊机和IGBT逆变电阻焊机,可以解决电网不平衡和提高功率因数的问题。在标准焊接电流的条件下中频点焊机按设置的焊接电流无飞溅。焊接电流小、电极发热量小,延长了电极使用时间,同时可进一步节约电能,利于实现参数的微机控制。由于焊接回路小型轻量化还可进一步减轻设备重量。气体保护焊接技术,表面张力过渡波形控制技术用2个电流脉冲完成1个熔滴过渡,第1个脉冲形成熔滴直至熔滴与工件短路;第2个脉冲是1个短时窄脉冲并不断检测di/dt,同时控制电流脉冲值,以产生适当的电磁收缩力,使熔滴颈部收缩,靠熔池表面张力拉断,完成1个熔滴过渡而不产生飞溅。利用逆变电源良好的动特性和可控性,采用波形控制,在短路阶段初期抑制电流上升,以减少大颗粒飞溅,并利于熔滴在熔池铺开;当熔滴在熔池铺开后,使电流迅速上升,以加速形成缩颈,使小桥爆断时飞溅减少。氩弧焊有非熔化极和熔化极两种,均用于汽车工业有色金属和高合金钢焊接中。为改善CO2气体保护焊的成形和减少飞溅,采用加入80%Ar或20%Ar的混合气体保护焊。由于激光焊接成本较高,因此以激光为核心的复合热源焊接技术孕育而生。现在研究最多、应用最广的是激光-电弧复合热源焊接技术,主要目的是有效利用电弧热源,在较小的激光功率条件下获得较大熔深,同时提高激光焊接对焊缝间隙的适应性,实现高效率、高质量的焊接过程。
      随着汽车工业的发展,汽车车身焊装生产线也逐渐向全自动化方向发展。将现代化的管理手段与先进的信息技术应用于焊装生产线,对企业的管理和决策有着非常重要的意义。为了满足汽车工业自动化的发展,新型智能电阻焊机集中控制联网系统将现代化的管理手段与先进的信息技术应用于生产中,有效地提高了现场管理功能。新型智能电阻焊机集中控制联网系统利用CAN总线技术,可完成大型点焊机焊接生产线自由组网,控制多点焊机互锁以防止电力系统过载跳闸及控制三相电力的功率平衡,实现网络系统管控一体化,解决了网络系统消息通信的实时性、确定性和可靠性问题,实现了对离散群控焊机的多点实时监控,将数据库与网络通信技术应用于该系统,实现数据采集、信息传输、参数查询和参数编程等功能。
       汽车车身是一个复杂型面的壳体,是由数百个薄板冲压件装焊加工而成的。对车身装焊过程的大量离散质量数据进行有效的组织和自动化管理,实时而准确地反映(白)车身生产的质量状况,为技术和管理人员提供分析质量问题的手段,可以有效缩短故障响应时间,增强质量管理的科学性。国际焊接学会(IIW)根据软件的用途提出了焊接工程应用软件及分类方法。焊接工程应用软件包括两种不同类型:一种是和焊接或切割设备直接有关的、基于微处理器的控制类应用软件;另一种是独立于焊接与切割设备的、基于微型计算机的各种信息和文档处理类应用软件。在焊接应用软件中,焊接专家系统、焊接CAPP系统、焊接数据库系统是其典型的代表性应用,相关开发技术和方法对于其它类型焊接软件的开发具有借鉴作用,并且专家系统技术和数据库技术在各种类型的焊接软件中都有不同程度的体现和应用。为了使众多的焊接工程应用软件更合理地进行分门别类,日本焊接学会(JWS)和日本焊接工程协会(JWES),提出了一种分类方法,能反映焊接软件的多样性和特殊性,由此可以看出焊接软件应用范围的广泛性,并且可以深入了解焊接工程应用软件的发展方向。
 
6 结束语
       综上所述,国外主要工业发达国家的政府很重视焊接技术的发展,他们希望用先进的焊接技术来提高产品的生产质量、提高效率、降低成本,以此来与劳力成本相对低廉的发展中国家进行市场竞争,这是一种战略手段。焊接技术作为机械制造业中必不可少的加工工艺,同样也经受信息化的巨大冲击。大力应用计算机信息技术,对加快焊接程序的编制、缩短现场调试时间及焊接过程焊机信息的准确获取具有重要应用价值,极大地提高我国汽车制造业信息化水平,创造较高的社会效益。同时对企业管理实现信息化、集成化、柔性化产生积极的作用。
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