汽车焊接新技术讲解

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1、第一讲 汽车焊接新技术,邢亚哲 长安大学材料学院 2009.06.18,主要内容,汽车焊接技术概述 电阻焊、电弧焊和特种焊 焊接机器人、焊接数值模拟、车身焊装工艺的虚拟设计及焊接新材料 汽车制造中的焊接新技术 高效节能的电阻焊、气体保护焊、激光焊接、 激光-电弧复合焊接等 汽车制造业中焊接的发展趋势,第一节 汽车焊接技术概述,电阻焊(resistance welding) 电阻焊(又称压力焊)是一种常用的焊接方法,它是利用电流直接流过工件本身及工件间的接触面所产生的电阻热,使工件局部加热到高塑性或熔化状态,同时加压而完成的焊接过程,电阻焊主要特点： （1）电压低, 电流大 (几千 几万A),

2、完成一 个焊接接头时间极短(0.01 几秒), 所以 生产率很高,汽车焊接技术概述,电阻焊的焊接 (按接头形状不同) （1）点焊 （2）缝焊(滚焊) （3）凸焊 （4）对焊,（2）焊接时加热、加压同时进行, 接头在 压力下焊合,（3）焊接时不需要填充金属及焊药,点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊主要用于薄板焊接。,点焊,在汽车制造中应用：汽车车身焊装, 包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装。据统计, 每辆汽车车身上约有5000多个电阻点焊焊点。,汽车焊接技术概述,点焊过程,点焊机,汽车焊接技术概述,点焊的

3、工艺过程： （1）预压，保证工件接触良好 （2）通电，使焊接处形成熔核及塑性环 （3）断电锻压，使熔核在压力继续作 用下冷却结晶，形成组织致密、无 缩孔、裂纹的焊点。,汽车焊接技术概述,缝焊,缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。,在汽车生产中主要用于密封性焊接或缝点焊工件。如油箱、机油盘、消声器、减震器封头、车身顶盖雨檐等,汽车焊接技术概述,凸焊,凸焊是点焊的一种特殊形式，其利用零件原有的型面倒角、底面或者预制的凸点作为上下两工件的接触面，施加压力并通电

4、流，达到在凸点处焊合的一种电阻焊方法。凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。,在汽车生产中主要用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄等。,汽车焊接技术概述,对焊,电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。,闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。,汽车焊接技术概述,闪光对焊的接

5、头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。闪光对焊常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。,在汽车中对焊主要用于钢圈、排进气阀杆等,对焊过程示意图,汽车焊接技术概述,（1）熔核形成时，始终被塑性环包围，熔化金属 与空气隔绝，冶金过程简单。 （2）加热时间短，热量集中，故热影响区小，变 形与应力也小，通常在焊后不必安排校正和 热处理工序。 （3）不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙 炔、氢等焊接材料，焊接成本低。 （4）操作简单，易于实现机械化和自动化，改善 了劳动条件。 （5）生产率高

6、，且无噪声及有害气体，在大批量 生产中，可以和其他制造工序一起编到组装 线上。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。,电阻焊的优点：,汽车焊接技术概述,电阻焊的缺点：,（1）目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量 只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检 查，以及靠各种监控技术来保证。 （2）点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的重 量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致 使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。 （3）设备功率大，机械化、自动化程度较高，使 设备成本较高、维修较困难，并且常用的大 功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。,汽车焊接技术概述,电弧焊（CO2气体保护焊、氩弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊等）

7、,（1）CO2气体保护电弧焊车身蒙皮、车箱、 后桥、车架、横梁 后桥壳管、传动轴、 液压缸等。 （2）氩弧焊用于机油盘、铝合金零部件。 （3）焊条电弧焊支架、车架、备胎架等厚板 零部件。 （4）埋弧焊半桥套管、法兰、天然气汽车的 压力容器等。,在汽车制造中的应用,汽车焊接技术概述,特种焊（摩擦焊、电子束焊、激光焊、氧乙炔焊和钎焊）,现代定义：在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。,汽车焊接技术概述,摩擦焊通常由如下四个步骤构成： a、机械能转化为热能； b、

8、材料塑性变形； c、热塑性下的锻压力； d、分子间扩散再结晶。,摩擦焊相较传统熔焊最大的不同点在于整个焊接过程中，待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点，即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。,汽车焊接技术概述,相对传统熔焊，摩擦焊优势： （1）焊接接头质量高能达到焊缝强度 与基体材料等强度； （2）焊接效率高、质量稳定、一致性好； （3）可实现异种材料焊接等。,摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种类：包括惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等。,汽车焊接技术概述,搅拌摩擦焊（FSW）:,1991年英国焊接研究所发明, 是一种在机械力和摩擦热作用下的固

9、相连接方法,如图，带特殊轴肩和针凸的柱形搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。,汽车焊接技术概述,FSW的优点,（1）适合于自动化和机器人操作 （2）适用于有色金属材料(如铝、铜、镁、锌等) 的连接，接头性能优异 （3）高效、节能、环保 （4）对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金、不锈 钢、钛合金以及铝基复合材料等材料的连接也 合适 （5

10、）可以较容易实现异种材料的连接 （6） 可焊接材料的厚度范围较广，0.4180mm,汽车焊接技术概述,FSW的局限性,（1）焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已 可以实现无孔焊接）； （2）焊接时的机械力较大，需要焊接设 备具有很好的刚性； （3）与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性； （4）不能实现添丝焊接。,汽车焊接技术概述,电子束焊,电子束焊：利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空环境中的焊件所产生的热能进行焊接的方法。,汽车焊接技术概述,（2）加热集中，热效率高，可焊接一般熔 化焊方法难于焊接的特种难熔金属、 热敏感性强的金属以及异种金属材； （3）电子束焊接参数能够被精确控制，焊 接时参数的

11、重复性及稳定性好； （4）真空电子束焊接是排除了大气中有害 气体(氢和氧)对熔化金属的影响，因 此，熔化金属化学成分纯净，提高了 焊缝质量，十分有利于活性金属材料 和真空熔炼的高纯度金属的焊接。,电子束焊主要用于汽车的齿轮组合体、传动箱体的焊接,汽车焊接技术概述,激光焊,激光焊主要用于车身框架结构的焊接, 如顶盖与侧面车身焊接, 变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。,汽车焊接技术概述,第二节 机器人焊接、焊接数值模拟、 车身焊装工艺的虚拟设计及 焊接新材料,（一）机器人焊接,焊接机器人,焊接机器人的特点：,（1）本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、 自动化程度高、柔性程度极高,（2）多用途、重

12、复精度高、焊接质量高、抓 取质量大、运动速度快、动作稳定可靠,（3）提高了生产效率，降低劳动强度,目前，机器人焊接已广泛应用在汽车制造业的汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接中，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。,（1）东风商用车车身厂第六焊装车间总装线采用 了6台点焊机器人，3台自动焊机； （2）一汽车身厂10万辆新品驾驶室主焊线采用了 21台点焊机器人，点焊自动化率达95%；,国内应用举例：,焊接机器人,（3）东风车身厂6万辆新品驾驶室总装线采用 了10台点焊机器人，1台自动焊机，点焊 自动化率不足60%。,焊接机器人,焊接机器人,焊装生产线,焊接机器人,综合焊接机

13、器人,国内焊接机器人应用中的缺陷：,（1）点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳， 焊接时冲击力较大 （2）由于工件的重复精度较差，电极处于凸缘边 缘时，焊钳易滑出，严重时会损坏被焊工件 （3）电极磨损量的监控反馈精度较差，影响焊接 质量。,在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，焊接时冲击小，并能实现精确控制，提高焊接质量。,焊接机器人,伺服焊钳是机器人电阻焊领域的最新应用技术，其核心是既可采用传统的气（液）压缸也可采用交直流伺服电机作为焊钳驱动装置。,（3）自动补偿电极磨损,（2）提高焊钳开合速度和电极压力稳定,（4）提高焊点质量和生产效率，延长电极寿命,焊接机器人,（二）焊接数值模拟,焊

14、缝 接 头,焊接数值模拟的优点：,焊接数值模拟,举例说明（客车车架焊接变形的控制） 目前只能通过反复试验获得相对合理的焊接工艺，其试验存在着盲目性，且试验周期长、投入大。 若采用数值模拟技术，可以经济、快速地模拟出正确的工艺方案。,在国内，高校对焊接结构的数值模拟技术研究得较多，并且已有一些成功的应用案例。,焊接数值模拟软件的开发：,常用软件：ANSYS和SYSWELD等,2000年，大阪大学结合科学研究所提出了耗资20亿日元（2000万美元）的国家课题，即“高效与安全焊接技术的开发”。其目的是开发一个用户界面友好的高效与安全焊接的计算机系统，同时给出3个精密模拟程序，即焊接过程模拟程序、被焊

15、区域组织预测程序和变形预测程序,英国焊接研究所开发了一个“结构变形预测系统” (SDPS)，可以用来预测复杂结构的焊接变形。,焊接数值模拟,软件特点: （1）可以在设计初期规划阶段对焊接当中普遍出 现的变形进行评价和控制 （2）可以大大减少制造的时间，并节省生产成本,最新的WELD PLANNER软件,开发公司和推出时间：法国ESI集团 2009年1月12日,（3）高度简单化。应用WELD PLANNER方案， 可以使不懂有限元模拟，或者对该技术知之 甚少的人更好地了解由焊接所导致的变形， 而且全部操作只需要一天的培训，便可以熟 练地使用该方案,焊接数值模拟,（4）高效。包括快速产生或自动寻找

16、部件间的焊 缝；自动并方便地定义焊接顺序；具有典型 的工业夹具条件；多种结果变形的显示。,（5）节约成本。可以在不到一天的时间里，对复 杂的焊接中出现的变形进行控制，因此能在 试验周期和变形修补方面大大节约成本。可 以潜在地节省一到两个试验周期，也就是每 个零件大约可以节约一万到两万欧元,WELD PLANNER软件已经开始上市销售,焊接数值模拟,（三）车身焊装工艺的虚拟设计,车身焊装工艺设计的关键：对产品的工艺分块,优化焊装车间平面布置和工作单元布局;了解工艺对产品的影响和各工序间的关联;校验所需设备数量和对自动化设备的需求;计算生产面积和所需工人数;可对焊装线上的机器人、自动化设备及人体作业进行仿真分析,虚拟设计的模拟软件(DELMIA)介绍,开发公司：法国达索公司,车身装焊的虚拟设计,软件名称：DELMIA，为Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application 的缩写，即数字企业精益制造交互式 应用,软件功能：为汽车制造业提供了全面的解决方 案，从白车身焊接、油漆、总装的