汽车连接新工艺

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1、汽车连接新工艺汽车连接新工艺-54 届国际焊接学会年会综述（届国际焊接学会年会综述（1）中国机械工程学会焊接学会 甘肃工业大学（兰州市 730050）陈剑 虹54 届国际焊接学会（ IIW）年会焊接工艺委员会有一个专题是汽车的连接， 在此作一个综述， 并就两种论文较多的新工艺作一介绍。 1 汽车连接 1.1 汽车车身发展汽车车身发展见表 1。 1.1.1 车身结构车身结构是朝着减轻质量，增加刚度和抗冲击能力，提高疲劳寿命，降低成本的方向发展。20 世纪 50 年代单体式钢车身的出现使汽车的质量和价格大幅度下降，20 世纪 90 年代初出现铝 结构车身，由于铝的冲压性不好，焊接性不好，而挤压性很

2、好，因而相应的车身结构由以板冲压件为 主的单体式结构向以挤压杆件为主的空间框架结构发展。20 世纪 90 年代末本田又推出铝复合结构 （Aluminum Hybrid body），是由冲压板件和挤压杆件、模铸件复合组成。最近又用半固态成型 （Thixotropic forming）得到形状复杂的成型件，大大减少了部件数，如外伸后叉架（rear outrigger）由八个部件合成一个。单体车身和铝复合车身各种成型材比例见图 1。用铝材后质量下降 47%，车身整体由于设计改进和构件截面的改进使抗扭、抗弯能力增加了 13%。 1.1.2 车身材料由分体式车身的木材和钢材发展为单体式的钢材。1991

3、年本田生产了铝单体式车身 NSX,使车身 质量下降了 34%，铝空间框架结构进一步改善了加工工艺性和车身的整体刚度和抗撞击性。由于铝可 以实现复杂截面构件的挤压成型，如前侧面框件，铝组件比钢组件质量减少 37%的同时，又因为利用 由内压力成型（Internal high Pressure forming）挤压成不同壁厚、复杂带筋的封闭多边型断面构 件，而使结构能量吸收增加 50%，而瑞典的 VOLVO 企图通过这种方法使车身质量下降 50%（55 kg）， 部件数下降 50%。目前材料的发展趋势是多元化，应用钢、铝及镁合金、复合材料、热塑性合成材料，而各种材料 中也应用多种类型，见图 2。其中

4、，钢材已发展到使用抗拉强度 1 500 MPa、伸长率 18%的超低碳板 条马氏体钢，进一步发展到抗拉强度 3k MPa、伸长率 2.5%的钢。表 2 示出了本田 Inside 铝合金复合 车体用的铝材及性能。目前，德国总的材料应用如图 3 所示，个别车种、车体，如德国大众 Audi A8, Audi A2,本田的 NSX，Insight 车身用铝量均超过了 80%。1.2 汽车车身的连接由于在复合结构车身中应用了多种材料，为了达到对于车身结构的多方面要求,需要采用多种现 代连接方法。目前可能用于铝车身结构的各种连接方法如表 3 所示，其中 X 表示已经使用过的方法。在 Audi A2 上，有

5、 30 m 激光焊缝，20 mMIG 焊缝和 1 700 个自穿孔铆钉进行连接。由于质量原 因这些连接替代了全部点焊。 1.2.1 脉冲 GMAW 焊铝车身可以很方便地由机器人进行脉冲 GMAW 焊。对挤压构件之间的连接，对铝薄板的焊接主要 是防止烧穿，特别是要求对于板间隙有一定的许容度（Tolerance）。图 4 示出了几种焊接方法的间隙许容度，对于一般的 DC 脉冲 GMAW，最薄焊接厚度是 1.5 mm，而 随间隙的产生和增加，允许的最薄厚度还要增加。近来开发了交流脉冲 GMAW 焊，通过直流脉冲 GMAW 和交流脉冲 GMAW 的电流波形比较，后者在焊 接薄板时的优点如下： （1）交

6、流脉冲 GMAW 增加了焊丝的熔化率，正接系数（EN）由 0 增加到 40%，焊丝熔化系数增加 60%（平均电流 150 A）。 （2）交流脉冲 GMAW 使母材熔深减少，熔宽减少，堆高增加，如图 5 所示。所以薄板熔穿的危险大大 下降。（3）焊丝熔化系数增加，母材熔深下降，使得对搭接板间隙的许容度大大增加，见图 4。对于 1 mm 板间隙为 0.5 mm 时，DC 脉冲焊已烧穿，而间隙 1.5 mm 时，AC 脉冲焊仍完好。 （4）交流脉冲焊对母材的热输入少，所以使焊后变形也大为减少，EN 由 0 增加到 40%，变形下降 45%。 （5）对交流脉冲 GMAW 采用自适应控制系统，可以根据测

7、定的间隙来自动调整焊接速度和 EN 系数， 得到完好的薄板搭接焊缝。图 6 图 7 表示间隙由 0 增至 2.3 mm 又降到 0，焊接速度和 EN 自动调整曲线及焊缝成形。 交流脉冲 GMAW 焊也可用于钢和不锈钢薄板的焊接。 1.2.2 汽车工业薄钢板 GMAW 专用焊丝的开发对于汽车薄钢板的焊接除了在工艺上改进外，这次会议也提出可以从焊丝成分上改进。为了焊接薄钢板并有较大的间隙许容度，要求焊丝有较大的熔化率。除了减小焊丝直径和采用正 极性外，也可以通过成分调节而增加焊丝的电阻率，使得焊丝伸出端由电阻热预热到较高温度而增加 熔化速度。日本神钢通过在焊丝中增加硅含量而使电阻增加，从而在同样送

8、丝速度下降低了电流，降 低了熔深（图 8）。但是，随着硅含量上升，表面张力增加，使得熔池金属铺展性下降，而对板间隙的填充变坏，因 而 Si 的含量要平衡。开发的新焊丝的典型成分如表 4 所示，配合交流变极性 GMAW 使用，不仅使可焊 的板更薄，而且对间隙的许容度也大为增加。此外，新开发的焊丝经过表面特殊处理可以不镀铜，并使电弧稳定，可以在更宽的焊接参数范围 内，特别是在相当低的电压下（2325 V）仍不出现短路过渡而使得飞溅很小（图 9）。即使在焊接 镀锌板时飞溅也大为减少。1.2.3 减少镀锌钢板焊接气孔的工艺措施在汽车上为了防止锈蚀大量使用镀锌钢板，而镀锌钢板焊接时由于锌的蒸发而产生气孔

9、。采取的 措施是保留搭接时板间隙 0.30.5 mm，使蒸发的锌可由间隙逸出而减少气孔生成。另外，使用脉冲 焊接峰值电流大，使得熔池前部加热范围大,而使锌在进入熔池前蒸发逸去。低频的脉冲波动 30 Hz 可以使熔池共振，而使进入熔池的锌易于逸出,低频振动母材也有同样效果，见图 10。这些方法可以 减少镀锌板的焊接气孔。1.2.4 机器人焊接的实时控制系统日本琦玉大学的大岛教授提出了一套由模糊神经网络实现的实时检测和控制系统，用来进行薄板 的对接，主要是实时控制熔深。 其框图如图 11 所示，采用的是前馈加反馈的控制方法。前馈是把由传感器测得的坡口间隙直接输入 模糊推理器而进行电流 I 的予置。

10、反馈是向神经网络输入测得的坡口间隙 G；熔池的宽度 W；前一瞬 时计算的熔深 Dt-1，此时的焊接电流 I，由神经网络输出下一瞬时予计的熔深 D。然后和要求的熔深 Dr 比较后再输入模糊控制器控制电流。这个系统的关键技术是熔池宽度的测定。为了避免焊接弧光的干扰，在 CCD 快门开启瞬时，降低 焊接基值电流至 15A，用激光扫描来确定间隙。通过神经网络建立了在一定板厚下熔池宽度、焊接电 流、坡口间隙及前一瞬时的熔深和下一瞬时的熔深的映射关系，建立了电流变化控制熔深变化的数学 关系并通过模糊控制器来实现。这是一个比较完整的智能控制系统，由于采用了这个系统，焊接熔深 基本上保持了恒定。1.2.5 激

11、光焊接和切割 （1） 激光已被使用在车体部件的连接上,图 12 是 Audi A2(全铝结构)的部件形态和连接方法。 30 m 激光焊接主要用于板-板，板-杆之间的连接。在 VOLVO 上用激光分段焊接（Laser stitch welding）铝镁合金代替点焊，质量优于点焊。在奔驰 S-Class 车身上用 3.2 kWCO2 激光焊接车顶架和侧墙。每侧焊缝长度为 1 300 mm，焊速 为2.5 m/min，整个循环 133 s，每天 350 台，在线检测，填充丝为 SG2，0.8 mm。 （2）激光裁剪拼焊不同厚度板材（Laser tailored blank）,然后冲压成截面厚度不同的

12、部件，这种 工艺已被广泛采用。由于激光焊要求坡口间隙极严，小于 0.5 mm 的切口的精度是一个非常关键的技 术。 （3）日本提出水导激光过程用来切割晶片，也可切割金属，可以把切口宽度控制在 50100m ，长 度为 100 mm。激光被控制在一个高压水柱中，压力为 100 MPa，水柱半径为 50100m。由于水和空 气界面的反射使激光完全拘束在水柱中，水柱不仅起导向作用，而且起去除切割残渣作用，这种方法 可以得到很窄的精确切口，极小的热影响区，切口不氧化。技术关键是把激光扩展到水柱直径，在确 定的边界条件下和水组成一束极细的激光束，在 50 MW/cm2的强度下以 1 m/min 的速度

13、切割 0.5 mm 厚的材料。 （4）激光-M1G 复合焊接 激光焊在汽车铝车身焊接工艺中遇到的问题主要是由于光束直径很细，要 求坡口装配间隙小于 0.5 mm，跟踪精度很高，一开始尚未形成熔池时热效率很低。这些问题可以通 过激光-MIG 复合焊解决（图 13）。由于 MIG 焊的复合，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪 容易，一开始由 MIG 电弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少使用的激光器的功率。同时 MIG 焊的 气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题，MIG 焊便于加入填充焊丝，从而可以避免表面凹陷形成 的咬肉。而激光焊的深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持，见图 14。总之，相

14、对于激光焊，复合焊的优点为：高稳定性，高的桥联性(Bridge-ability)，更大的熔深， 低成本,高塑性。相对于 MIG 焊,复合焊的优点是：焊速高，熔深大，热输入低,接头强度高，焊缝窄。 1.2.5 汽车车身的粘接在汽车车体轻量化，特别是应用铝车身或者是铝和镀锌板及其它材料复合使用时，粘接技术变得 越来越重要。在奔驰 Cl coupe 上粘接是和自穿孔铆接、空心铆接、咬接（clinching）、折边连接、点焊组 成复合连接（图 15），总长达 71 m。由于复合了粘接，原来点焊结构件的抗扭曲能力可以提高 15%，而采用了高抗冲击树脂粘接剂后， 抗破坏能力进一步加强。 粘接和其它连接复合

15、的优点可归纳为：受撞击时在连接区得到一个均匀的撞击功分布，因而比原来 的点状连接刚度大得多，吸收的能量也大得多，防止了破坏。由于起了隔离绝缘作用，所以提高了 接头的抗腐蚀性。可以调节粘接层，从而平衡部件之间热膨胀的差别。 1.2.6 车身的机械连接在复合材料车体中，由于多种材料的连接很难由传统的点焊来完成，因而各种机械连接或机械连 接和粘接复合的方法被大量使用，典型的机械连接见图 16，具体使用的频度见图 15。机械连接的优点可以归纳为：可以实现多种材料复合车体的连接,如涂层金属材料，有塑料中 间夹层的复合板的连接。投资少。工具寿命长。部件不受热，因而，避免了加热引起的性能变 化和变形。可以和粘接复合。未完待续