先進汽車焊接技術先進的車身焊接技術

王廣勇

(神龍汽車公司，湖北 武漢 430056)

0 前言

為了滿足汽車行業“節能環保、安全性、輕量化”的發展趨勢，鍍鋅鋼板、高強度鋼、鋁合金、鎂合金等新材料越來越廣泛地應用在汽車車身制造中。以工頻電阻焊為主，輔以MAG或CO2氣體保護焊的傳統車身焊接技術，已難以滿足新材料的焊接技術需求。為此，各種先進焊接技術越來越多地應用在汽車制造中。

1 中頻電阻焊

目前國內外主流整車廠的汽車車身焊接仍然以電阻點焊為主，隨著鍍鋅鋼板、低合金高強度鋼的大量使用，使用傳統的工頻電阻點焊設備容易造成焊接飛濺、焊接毛刺、工件與電極粘連、電極消耗量大等問題。中頻電阻焊因動態響應速度快、控制精度高、焊接電流脈動小、加熱集中、焊接質量穩定等優點，能夠很好滿足鍍鋅鋼板和低合金高強度鋼板焊接的技術要求，正在逐步應用在車身制造中。

20世紀80年代，中頻逆變電阻焊設備開始出現，經過20多年的發展，中頻電阻焊接技術已經相當成熟；最近幾年，國內外有不少電阻焊設備廠家已經推出性能完善的中頻電阻焊接設備，有資料表明：國外部分汽車廠家40%以上的機器人焊鉗采用了中頻電阻焊接技術[1]。近幾年，國內有些汽車主機廠家也開始把中頻電阻焊接設備應用在車身焊接中。

1.1 中頻電阻焊機工作原理

由三相交流電（380 V/50 Hz）經整流電路和濾波電容轉換成約500 V脈動直流電，再經由功率開關器件組成的逆變電路轉換成中頻方波（1000 Hz），然后輸入變壓器降壓后，經大功率二極管整流成直流電供給電極對工件進行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調制（PWM）獲得穩定的恒電流輸出，如圖1所示[2]。

1.2 中頻電阻焊的優點

（1）中頻逆變直流電流與工頻交流電流相比，由于沒有明顯的峰值電流，電流波形平直，減少了焊接飛濺，提高了焊接質量。（2）三相負荷均衡，不受電網波動的影響，即使在網壓波動+15%情況下，仍可將焊接電流精度控制在2%以下；功率因數高。（3）中頻變壓器體積小、質量輕，輸入熱量低，便于使用一體化焊鉗。尤其運用于機器人點焊操作時，可減輕機器人的負荷，而使用工頻焊接控制器時則需要載荷能力更大的機器人。（4）中頻焊接控制器的調節反饋控制周期為千分之一秒，響應速度是工頻焊接控制器的20倍，能瞬時分析和調整焊接參數，焊接質量控制更精確。

1.3 焊接質量控制技術新進展——中頻自適應控制技術

電阻焊接質量監控方式主要有：恒電壓控制、恒電流控制、超聲波控制、表面溫度與紅外輻射法等。實際生產中應用最廣泛的是恒電流控制方式：將二次回路的電流通過電流傳感器采樣后，作為反饋量送回焊接控制器，焊接控制器再根據所得到的反饋量與設定的電流值進行比較，輸出調節量，以保證次級電流恒定。可以說，對于電阻焊機這種控制是一種全閉環控制。但對于焊點質量來講，它就是一個開環控制，并且控制期間沒有任何直接或間接來自焊接質量的反饋信號，因此不能完全保證焊點質量。而焊接過程中影響質量的干擾因素很多，主要包括焊點間距、鋼板間隙、電極冷卻狀態、工件形狀、電極修磨狀態、電壓波動、鍍層厚度變化等。為了在焊接過程中應對各種干擾因素對焊接質量的影響，焊接技術研究人員開發出了中頻自適應控制技術。

中頻自適應控制技術是在中頻阻焊變壓器二次側直接測量整個焊接過程中的二次電流和二次電壓，依此計算出動態電阻（點焊過程中，上下電極之間的等效電阻），根據動態電阻的變化，調整焊接電流和焊接時間。

目前車身鋼板主要有兩大類：普通低碳鋼板和低合金高強度鋼板。它們在點焊過程中的動態電阻具有顯著特征：先下降，后上升，再下降；呈現的電阻曲線特征如圖2所示。

圖2 低碳鋼點焊過程中的動態電阻曲線

AB段：工件受熱緊密接觸，接觸電阻迅速下降，曲線陡降，動態電阻下降。焊接區域的金屬溫度增加，但未熔化。

BC段：接觸電阻逐漸減小，焊接區域的溫度持續升高，金屬電阻率不斷變大，曲線上升，在C點的時候，動態電阻最終達到最大值。在這個階段后期，金屬開始熔化，熔核開始形成。

CD段：繼續加熱，焊點熔核區域長大，電流密度變小，電阻變小，由最大值持續下降。

中頻自適應控制正是基于動態電阻先下降、后上升、再下降的特征去控制焊接過程參數，從而實現對點焊質量的控制。具體實施過程中：首先根據工件的厚度、層數和鍍層狀態，在焊接參數區間內選擇3～5套焊接參數進行試焊，試焊過程中焊接控制器自動計算次級回路的電阻值，建立起3～5個電阻曲線，保存焊接質量良好的電阻曲線，作為以后焊接中的電阻參考曲線。在以后的焊接中，焊接控制器自動計算次級回路的電阻，與電阻參考曲線進行比較和運算，求出焊接時間和電流的調整量，即時調整焊接過程中的焊接時間和電流，從而達到控制焊接質量的目的。

1.4 中頻電阻焊接技術在汽車行業的應用

最近幾年隨著中頻電阻焊接技術的成熟和完善，相關焊接設備在國內外主流汽車廠家得到越來越多的使用，中頻機器人點焊鉗、中頻手工點焊鉗已經出現在汽車車身的生產線中。據了解，國內主流廠家如神龍汽車、東風乘用車、一汽大眾、北京奔馳、華晨寶馬等已經在有些中高檔車型的生產線中使用了中頻電阻焊設備。

目前中頻電阻焊接設備廠家以歐美品牌為主，經過我國焊接技術人員不斷的科研攻關，國內有些電阻焊設備廠家也已成功推出性能完善的中頻電阻焊接設備。由于中頻電阻設備的采購成本高，目前在市場中所占的比例還比較小。

2 激光焊接

激光焊接具有能量密度高、工件變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動控制、無后續加工的優點，近年來已經成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應用于汽車、航空航天、國防工業、造船、海洋工程、核電設備等工業領域[3]。

汽車制造領域是當前最大規模使用激光焊接技術的行業，從汽車零部件生產到車身制造，激光焊接已經成為汽車制造生產中的重要焊接方法之一。總體上講，激光焊接在汽車車身制造中的應用主要包括三個方面：激光拼焊板、激光釬焊、激光熔焊。

2.1 激光拼焊板

激光拼焊板技術是根據車身不同部位的性能要求，選擇強度等級相同或不同，厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊在一起，然后再沖壓成車身零件。激光拼焊技術具有以下優點：減少零件和模具數量；縮短設計和開發周期；減少材料浪費；合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板，減輕車身質量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結構剛度和安全性[4]。

蒂森克虜伯公司與大眾公司合作，最早把此項技術應用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術，所涉及的汽車結構件如行李箱加強板、行李箱內板、減震器支座、后輪罩、側圍內板、前地板、前縱梁、保險杠、橫梁、輪罩、車門內板、中立柱等[5]。車身某些部位的激光拼焊板如圖3所示。

圖3 車身某些部位的激光拼焊板

2.2 激光釬焊

激光釬焊也稱激光填絲釬焊，基本原理為：激光發生器發出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（工件未熔化）成高溫液態金屬浸潤工件連接處，填充接頭間隙與工件結合，液態金屬冷卻后形成焊縫，如圖4所示[6]。通常采用直徑1.2 mm的CuSi3焊絲，熔點950℃，被焊工件為低碳鋼鍍鋅板（鋼板熔點1400℃以上），在焊絲熔化的情況下，工件不熔化。

圖4 激光釬焊原理

目前激光釬焊主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等車身的可視工件焊接中。很多主流汽車廠家在中、高檔車型中都應用了此項技術，神龍汽車公司在標致508和雪鐵龍C5車型也應用了此項技術，如圖5所示。以頂蓋的激光釬焊為例，與電阻點焊相比的主要優點是：（1）搭接凹槽長度由40 mm減少到5 mm以內，減輕了車身質量，可以節能降耗。（2）頂蓋單側的激光釬焊縫約為1.5 m，是連續的金屬連接，提高了車身的連接強度，進而增強了車身安全性。（3）點焊需要涂膠工藝，激光釬焊不需要涂膠工藝，減少工藝內容，降低了制造成本。（4）搭接凹槽無須使用裝飾條，減少了零件數量，降低了制造成本，提高了車身的美觀度。（5）由于是局部加熱，工件熱影響區小，提高了車身安全。（6）負離焦方式加熱，加熱帶寬，無飛濺，填充劑熔化后自然浸潤，焊縫外觀質量良好。（7）光束容易傳輸和控制，因而容易實現自動化，位置精度高。

圖5 標致508頂蓋激光釬焊及雪鐵龍C5行李箱激光釬焊

激光釬焊系統主要包括：激光器、激光傳輸光纖、激光焊接頭、機器人、工裝夾具、送絲機、自動化控制電柜等。工作過程為：工件在焊裝夾具上就位后，焊接工裝夾緊工件，機器人得到信號指令，運動到起焊位置，然后激光器得到信號發出激光，激光經過傳輸光纖到達激光焊接頭，此時送絲機得到信號進行送絲，由激光焊接頭把激光照射在焊絲和焊接區域，焊絲被加熱熔化浸潤工件連接處，機器人帶著激光焊接頭和送絲機構末端按照設定的軌跡運動，整個焊接工作完成后，送絲機停止送絲，激光器停止工作，機器人返回待機位置，焊裝夾具自動打開，整個工作循環結束。

激光釬焊是一種精度高、自動化高、柔性好的焊接工藝，其焊接質量的控制難度比較高，要實現完美的焊接質量，不僅需要先進的設備，更需要與之匹配的工藝參數，其工作過程中的每個參數公差范圍窄。主要的工藝參數有：送絲角度、光斑直徑、激光功率、焊絲預熱電流、送絲速度和焊接速度等。這些工藝參數需要通過不斷的調試和摸索，合理匹配，才能取得良好的焊接質量。另外工件尺寸的穩定性和焊接夾具的重復精度對焊接質量也有著重要的影響[7]。

2.3 激光熔焊

激光熔焊與激光釬焊不同，工件被快速熔化，通常不需要使用焊絲。基本原理：金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短時間內升高到沸點，金屬發生汽化。金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池表面，產生一個反作用力于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光光束下產生一個凹坑。激光直接射入凹坑底部，形成一個細長的小孔。當金屬蒸汽的反作用力與液態金屬的表面張力和重力平衡后，小孔將不再繼續深入。小孔隨著激光束在焊接方向前進，金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方，重新凝固結晶形成焊縫，如圖6所示[8]。

圖6 激光熔焊原理

目前歐美主流汽車廠家對激光熔焊的使用比較多，在車門內板、前地板、側圍內板等處都有應用。神龍汽車公司最近開發的雪鐵龍C4L和標致3008車型，在車門內板焊接應用了激光熔焊，如圖7所示。激光熔焊基本上可以替代電阻點焊，并且具有很多優勢：（1）熱量集中，焊縫“深寬比”大，熱影響區小，工件變形很小，無需焊后處理。（2）焊縫質量好，強度高，提高了車身強度和安全性。（3）光束易于控制，焊接速度快，適合柔性化生產，生產效率高。（4）可焊材料范圍廣，可以進行異種材料焊接。（5）搭接面寬度小，節省材料，并可以減重降耗。

圖7 東風標致3008車門內板激光熔焊縫

激光熔焊系統主要包括：激光器、激光傳輸光纖、激光焊接頭、機器人、自動化控制電柜等。與激光釬焊相比，不需要焊絲填充，沒有送絲機構。激光熔焊時，工件被快速加熱熔化，焊接質量控制相對激光釬焊來說難度更大，對被焊工件的尺寸穩定性和工裝夾具的定位精度及重復性精度要求特別高。主要的工藝參數有：焊接速度、激光功率、焦距、光斑直徑等。工件通常是鍍鋅鋼板，在焊接過程中，鋅鍍層特別容易汽化，對焊接質量影響比較大；為了使汽化的鋅金屬順利揮發，通常在零件沖壓時會在焊接部位沖壓出一段高度很小的凸臺，這樣工件在搭接時，工件之間就會存在一定的間隙，可以使鋅在焊接過程中順利揮發，減少焊縫氣孔的產生；根據經驗，最佳的間隙量約為0.2 mm。

2.4 激光器的現狀及發展趨勢

對于激光焊接系統來言，核心設備是激光器。目前應用于汽車工業的激光器主要有兩類：第一類是CO2氣體激光器，其為最早應用于車身焊接的激光器，效率較高，光束質量較好，但波長較長（10.6μm），無法通過光纖傳輸，不靈活。第二類是固體（Nd∶YAG）激光器，效率較低，光束質量差一些，輸出功率較小，可滿足車身薄板的釬焊和熔焊，波長1.06μm，可以通過光纖傳輸，與CO2氣體激光器相比可以省去復雜的光束傳送系統，適用于柔性制造系統，近年來已經逐步取代了CO2氣體激光器。國內的車身生產線，引入激光焊接技術的時間比較晚，通常采用的是功率為4 kW的固體（Nd∶YAG）激光器。

最近幾年，科研人員又成功研發了新型固定激光器——光纖激光器和碟片激光器，都是利用摻Yb晶體作為增益介質（Yb∶YAG），不過幾何形狀不同，光釬激光器采用又長又薄的幾何形狀，碟片激光器采用盤狀幾何形狀。與固體（Nd∶YAG）激光器相比，新型激光器的光電轉換效率高，光束質量高，維護成本低。目前光纖激光器和碟片激光器已經成功應用在汽車車身焊裝生產線上，除了激光熔焊和釬焊外，還可以通過與光學掃描系統相結合，實現激光遠程焊接。在車身焊接領域，固體（Nd∶YAG）激光器在不遠的將來會被新型固體（Yb∶YAG）激光器所取代。

3 CMT冷金屬過渡焊

由于焊接時輸入熱量高，薄板容易變形、焊穿等原因，電弧焊在車身焊接的應用比較少，只有點焊工藝無法實施的部位才會考慮使用。通常應用的電弧焊方式是熔化極氣體保護焊：CO2氣體保護焊、MAG焊、MIG焊；這三種焊接方式所使用的焊接設備相同，焊絲和保護氣體有所區別。由于焊縫不美觀，涉及車身外觀的部位幾乎不會考慮熔化極氣體保護焊。為了使熔化極氣體保護焊更好地適用在車身薄板連接工藝上，目前國外有焊接設備廠家開發了一種新的熔化極氣體保護焊方式“CMT——cold metal transfer冷金屬過渡”。冷金屬過渡是設備廠家的說法，更準確的定義應該是低能量的金屬過渡，這種焊接方式是短路過渡，輸入熱量比通常的MAG焊和MIG焊的短路過渡要低。其獨特之處是：特殊的送絲機構能夠和焊接過程的熔滴過渡情況相結合，當熔滴長大后，焊絲可以回抽使熔滴脫落，并通過控制短路電流，避免產生飛濺，從而實現無飛濺的焊接。CMT焊接過程如圖8所示。

目前車身外觀部位的焊縫通常是激光釬焊焊縫，焊接質量很好，外觀光滑均勻，焊后無需處理。但激光焊接設備投資成本高，為了降低投資成本，目前國內有汽車廠家開始嘗試采用CMT焊接技術替代激光釬焊。車身外觀零件的厚度薄，金屬連接采用熔焊，零件變形會很嚴重；使用熔點低的銅合金焊絲實現零件間的金屬連接，工件變形量比較小。圖9是厚度為0.77 mm和0.97 mm兩個鍍鋅薄板的對接焊縫，焊縫表面光滑，無焊接飛濺，工件變形量小，焊縫余高明顯，工件連接處有少許黑色氧化物。車身外觀零件的焊縫，外觀質量要求特別高，CMT焊縫打磨后，符合生產要求，如圖10所示。對于節拍低、短焊縫的工位，考慮使用CMT焊接技術。

圖8 CMT的焊接過程

圖9 CMT焊縫

4 摩擦攪拌點焊

鋁合金、鎂合金的金屬密度比較低，是汽車輕量化的好材料。目前在汽車制造中鋁合金的用量越來越多，通常以鑄件或鍛壓件的應用在發動機、變速箱等零部件上；在車身制造中的應用主要集中在機罩和車門。鋁合金具有導電性優良、散熱快的物理特性，電阻焊接效果不佳。針對鋁合金的塑性流動性好的特點，研發人員開發了摩擦攪拌點焊技術。具體焊接過程有三個步驟，如圖11所示：（1）壓入過程。摩擦攪拌頭不斷旋轉，通過施加頂鍛壓力插入工件之中，在壓力作用下工件與攪拌頭之間產生摩擦熱，軟化周圍材料，攪拌頭進一步壓入工件。（2）連接過程。攪拌頭完全進入工件之中，保持壓力并使攪拌頭軸肩接觸工件表面，繼續旋轉一定時間。（3）回撤過程。完成連接后攪拌頭從工件退出，過程完畢。

圖10 打磨后CMT焊縫

摩擦攪拌點焊的連接機理是攪拌頭周圍高溫摩擦熱和材料塑性流動互相作用的結果，冶金連接產生在攪拌頭周圍形成的圓環狀攪拌區域與材料發生重結晶的區域中。與傳統的電阻點焊和鉚接技術相比，具有接頭強度高、質量好、性能穩定、節能等優點[9]。

圖11 摩擦攪拌點焊示意

5 結論

以工頻電阻焊為主，輔少量的熔化極氣體保護焊的傳統車身焊接技術已不能適合車身焊接“高效、安全、節能”的發展要求，各種先進的焊接技術正在逐步應用在車身焊接生產線中，并取得了顯著的效益。但是我國焊接設備的制造水平還不能滿足國內汽車行業的發展需要，大功率固體激光器、CMT焊機、中頻電阻焊機等先進設備都依賴國外進口。國內焊接設備廠家應該加快研發步伐，早日推出與國外先進水平相媲美的產品。

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