【行业资讯】新技术和新趋势-汽车车身焊接
汽车工业正朝着环保低碳､节省能源､安全性､舒适性和车身轻量化方向发展.汽车车身采用高强度比例越来越高;铝合金等新材料已应用于高端车身｡
焊接技术是汽车制造业中的重要环节,随着许多焊接技术可靠性､经济性和耐久性的提高,带有智能化､数字化､逆变技术的焊机将更广泛地应用到生产中｡
激光拼焊板技术､激光复合焊技术､机器人应用技术､中频电阻点焊技术､恒热控制电阻点焊技术､磁脉冲焊接技术､汽车薄板MAG焊技术､压铆连接技术和胶接技术将在汽车车身制造中得到更广泛的应用。
为提高车身装焊精度而建立的尺寸控制工程,成为车身制造的重要环节,为实现车身裝焊多车型柔性化和自动换化生产,开发了车身总成成型､地面空中传输相结合的多种解决方案。
工业机器人广泛应用于车身裝焊生产的多个工艺过程｡能够适应多种车型､经济性好的混流柔性焊装线技术将越来越受到青睐。
一、汽车车身焊接的新技术
激光拼焊板技术
拼焊板是将几块不同材质､不同厚度､不同涂层的钢材焊接成一块整体板,再冲压设备落料､拉延､冲孔､整形而形成冲压件,从而达到不同承载不同板厚的设计要求｡
拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务,尤其在车身零部件生产､制造和设计方面,采用激光拼焊板可以给汽车制造业带来巨大的经济效益｡
如车身装配中的大量点焊,焊钳在工件边缘上进行焊接,搭接宽度需要16mm,而激光拼焊板无需搭接,点焊改为激光拼焊技术可以节省钢材｡
激光- MIG 复合焊技术
激光焊与电弧焊是两种不同的焊接工艺,激光焊是通过光纤将能量传输到工件上,而电弧焊则是通过弧柱传输能量｡
激光焊的热影响区非常窄,焊缝的深宽比很高,具有较高的焊接速度｡但由于焦点直径很小,所以焊缝“搭桥”能力很差｡
激光复合焊技术是将这两种焊接技术有机结合起来,激光束和电弧同时作用于焊接区,互相影响和支持,从而获得优良的综合性能,在改善焊接质量和生产工艺性的同时,也提高了效率成本比,为铝车身的焊接提供一种全新的焊接工艺｡
激光热丝钎焊可以减少车身焊点数目､优化材料用量､降低零件重量､提高尺寸精度,既降低了板材使用量也提高了车体的刚度,同时降低车身重量,符合汽车轻量化的发展趋势,但是激光焊接系统的高昂价格制约了它的应用｡
机器人应用技术
机器人按照在焊装车间的用途可以分为:点焊机器人､弧焊机器人､涂胶机器人､螺柱焊机器人､装配及持件机器人和激光焊接机器人｡
点焊机器人是由机器人操纵各种点焊焊钳,实施点焊焊接｡机器人可以操纵大型焊钳,对地板等零件进行点焊｡
焊点质量高,焊接速度快,而且质量稳定｡弧焊机器人是由机器人操纵弧焊焊炬,可以很方便地进行仰焊､立焊等各种位置的焊接｡
但是机器人弧焊对零件匹配要求较高,当零件间隙不均匀或者不平整时,就会产生焊接缺陷｡
涂胶机器人是由机器人操纵涂胶枪,在车顶天窗､地板､侧围､四门两盖和总拼调整工位涂敷点焊胶､折边胶､密封胶及减振胶,可以精确地控制胶的流量,进行各种复杂的形状和空间位置的涂敷,涂敷速度快且质量好｡
中频点焊技术
中频点焊技术是近两年才发展起来的最新的焊接技术｡它是利用逆变技术将工频电转化为1000Hz的频电;焊钳采用一体化焊钳,变压器为中频变压器｡
它具有以下特点:能够满足焊接铝､不锈钢和带镀层的钢板,在降低生产成本的同时对加工设备和焊接质量及其稳定性都提出了更高要求。
中频技术的经济性体现在提供对称的电网负载,因而降低了电网成本;优化功率系统,节省能源消耗;由于缩短了焊接时间和降低了电流负荷,因此提高了电极使用寿命｡
脉冲G M A W (P - G M A W )焊技术
脉冲GMAW 焊是国外近几年发展起来的一种新型高效､高速焊接新工艺,容易与机器人配合,能充体现高效化焊接的特点,实现机器人系统在空间可达性和焊接速度之间的协同和完美组合｡
P - GMAW 电弧过程具有好的稳定性,能有效保证焊缝质量的一致性,改善了由于短路过渡焊接过程较低的热输入而造成的熔深不足｡
P - GMAW的射流过渡方式适用于薄板材料的高速焊接､钢或铝合金的车身框架的全位置焊接｡
TOX 板件冲压连接技术
TOX板件冲压连接技术是基于表面镀层材料的广泛应用及异种材料的连接而研制开发的一种新的连接技术｡
它利用一个简单的原型凸模,在TOX气液增压器式冲压设备上,通过一个冲压过程,即可将被连接的板件挤压进相应的凹模,在进一步的挤压作用下,凸模侧的板件材料挤压凹模侧的板件材料,使其在凹模内“流动”变形,如此即可产生一个既无棱边,又无毛刺的铆接点,可实现多层板的连接｡原有漆层或镀层也随之“流动”变形,不会损坏,不影响板件的抗腐蚀性｡
焊装线的虚拟设计技术
汽车焊装线是将各车身冲压零件装配焊接成白车身的焊接生产线,后围､地板和顶盖等焊接分总成及白车身总成线｡
为了减少实际制造过程中的失误率及劳动强度,降低制造成本,虚拟设计技术孕育而生｡
虚拟设计的内容包括:工艺整体规划(土建､公用､机械化､工艺分析)､工厂整体及局部的物流分析､运动轨迹分析､生产单元布局设计仿真､焊接过程仿真､装配工艺过程仿真､机器人生产线仿真､干涉模拟和人机工程分析等｡工厂整体及局部的物流分析能够促使车间物流更加趋于合理,节约资源｡
二、汽车车身焊接的发展趋势
目前,焊接结构生产正从传统的单一焊接工序自动化向产品设计､工艺设计､焊接过程､检测､传输､管理等全系统自动化发展,从单台稳定焊接参数控制向多台焊接质量闭环控制和带有智能的系统自动控制发展｡
其关键技术为:
(1) 带有传感器的自动控制技术
① 高速､高响应度,高精度的焊丝送给控制技术;
② 接触和非接触式的焊缝自动跟踪技术;
③ 熔透和焊接质量控制技术;
④ 高适应性､高能量､高精度焊接电源控制技术;
⑤ 能适应各种焊接接头盒各种焊接空间位置的焊接参数自适应控制技术;
⑥各类焊缝的在线和焊后自动检测技术｡
(2) 系统技术:
①CAD/CAM系统技术,能实现计算机设计产品､焊接工艺并能进行机器人离线示教和自动示教;
②焊接过程和焊接生产的仿真技术;
③焊接生产的集成技术;
④计算机生产过程的分析和管理技术｡
(3) 采用新工艺新技术｡
近年来,为了适应汽车生产发展的需要,不断对焊接新技术､新工艺进行研究,以提高焊接自动化､机械化的水平,在接触焊方面,除了继续扩大接触焊的应用范围外,大力发展多电焊(包括凸焊)和机器人点焊,保证了焊点质量,可方便的更换“焊接模胎”,解决了多点焊机的通用性并增加了“柔性”。
通过提高了气源压力(如用1.2MPa的压缩空气),可完全取代液压动力源,减少环境污染,并采用数字控制气缸,通过数控气缸组合来得到焊枪的移动,使之对焊接零件进行多点焊接;在电弧焊方面,大力发展CO2半自动和全自动焊｡
同时还研究成功了激光焊､微弧等离子焊等特种焊,并在汽车生产中初步得到了应用｡
纵观整个汽车车身的焊接现状为减轻车身重量,提高车身抗冲击强度,汽车生产中大量应用高强度钢｡高强度钢的使用,给车身件冲压成形和焊接都带来了新课题｡
高强度钢板无论是机械性能,还是化学成分或是显微结构都与普通钢板差别很大,给焊接工艺提出了新的挑战｡
通常通过改进优化传统点焊工艺,采用脉冲点焊､中频点焊等专有技术,增加焊接压力､控制焊接过程,以获得性能良好的焊点质量｡
不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为: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,故车身生产近年来大规模､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｡激光焊接由于采用计算机控制,所以具有较强的灵活性和机动性,可以对车身内板构件如门板､挡板､侧围､仪表板等零部件实施焊接｡
采用激光钎焊对车身外部､要求外表质量较高的部件实施焊接｡顶盖+侧围激光钎焊,通过光纤传输系统和机械手就可以进入汽车装配生产线达到自动化焊接的目的。
三、汽车车身中焊接新材料的发展趋势
随着轿车发展的日趋紧凑小型化､轻量化､新材料的应用使轿车材料构成发生了明显改变,未来轿车车身材料仍以钢板为主,为使钢板厚度减薄,将广泛采用高强度钢板｡
同时为了提高车身的防腐蚀性能,世界上不少汽车厂家在轿车生产中大量应用了镀锌钢板｡
另外,还使用铝合金､塑料及陶瓷等材料｡据有关专家预测,到本世纪末并不会在大批量轿车生产中出现全铝车身或全塑车身｡
镀锌钢板
在美国焊接学会分会的会议上讨论汽车工业中应用的金属板焊接问题时,有关专家指出,焊接镀锌钢板最有前途的方法是激光焊接｡
但是由于该过程现在自动化程度还不够,必须完善汽车工业中广泛应用的接触点焊方法｡这种方法的主要缺点是在焊件与电极接触中锌的大量过渡而使电极烧损较快｡
故建议使用Al2O3弥散微粒强化的Cu-Zn和Cu-Cr合金制造的电极,可在最小电抗下焊接,以保证获得最小的焊接接头尺寸｡
高强度钢板
为了实现汽车的轻量化,提高汽车安全性能,高强度钢板在汽车中的应用正在逐年增加,现今出现了新一代的高强度钢板材料——超细晶粒钢｡
该钢种主要指在经济指标进一步提高的基础上,钢铁材料的强度､韧性比现有的钢材提高一倍｡新一代超细晶粒钢在组织结构上具有超细晶粒､高洁净度､高均匀度的特性｡
当前用于研究的新一代超细晶粒钢主要有400MPa级和800MPa级两种｡
在对新一代钢铁的研究上,我国与国际水平并没有什么差距,几乎是同时起步,同日､韩两国共处世界的领先地位｡
但是由于出现的时间较短,所以参与研究的单位也并不很多,主要是以钢铁研究总院和清华大学机械系为主｡在对超细晶粒钢的焊接技术进行一定的研究后,取得了一些先进成果｡
铝合金
铝合金具有重量轻､强度高及抗腐蚀等优点,是优良的建筑材料,汽车工业中也逐渐在使用铝合金材料的零部件｡
铝合金焊接有五个主要的特点:
(1)铝合金表面有一层致密的氧化薄膜(熔点约2050℃),焊接时如未能将其清除,将会影响基本金属的熔化质量,形成夹杂等质量问题｡
(2)热导率大(约为钢的4倍),导电性好,焊接时若要达到与钢相同的焊速,则焊接热输入要比焊钢时大2～4倍｡
(3)线膨胀系数大,焊件有产生较大的热应力､变形及裂纹的倾向｡
(4)易出现气孔｡
(5)铝合金焊接接头的强度降低｡
铝合金焊接的这些特点,正是我们在研制焊接设备和焊接工艺时应认真对待的问题,只有这样才能开发出适合铝合金焊接的设备､材料和焊接工艺｡
四、汽车车身焊接的总体发展趋势
发展自动化柔性生产系统
纵观整个汽车工业的焊接现状,不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为: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｡
发展轻便组合式智能自动焊机
国内汽车焊接水平与国外相比差距很大｡近年来,国内的汽车制造厂都非常重视焊接的自动化｡
如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上｡各条线都由计算机(可编程控制器PLC-3)控制,自动完成工件的传送和焊接｡
焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人61台进行,机器人驱动由微机控制,数字和文字显示,磁带记录仪输入和输出程序｡
机器人的动作采用点到点的序步轨迹,具有很高的焊接自动化水平,既改善了工作条件,提高了产品质量和生产率,又降低材料消耗｡
类似的高水平的生产线,目前中国在技术支持上尚未成熟.TOPWELL，中国焊接领域迈向国际市场的为数不多的品牌，无论是技术还是应用领域都已经大大的高于同行业的许多焊接公司。但是同样，在焊接设备领域同样面临着与同中国焊接领域一样的问题，因此必须坚持技术创新,大力加速发展高效节能的焊接新材料､新工艺和新设备,建立高效经济的焊接自动化系统,必须用计算机及信息技术改造传统产业,提高档次｡
在不久的将来,通过TOPWELL和祖国的的共同努力,国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距,迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战｡