汽車連接新工藝

、汽車連接新工藝--54屆國際焊接學(xué)會年會綜述（1）中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會甘肅工業(yè)大學(xué)（蘭州市）陳劍虹54屆國際焊接學(xué)會（IIW）年會焊接工藝委員會有一個(gè)專題是汽車的連接，在此作一個(gè)綜述，并就兩種論文較多的新工藝作一介紹。1汽車連接汽車車身發(fā)展寰1州世紀(jì)汽車軍由發(fā)展年代加印代 M年代 冊年代雙年代分體?靖構(gòu)（分勘察果+唯體太 空鬧框集箱位合車體車身》商期網(wǎng)-粗、傳曝犧-耙、材料木材▼物帙單-銅材鐳☆金，塑料r建臺金,塑料.手部M料 多種材料部件 沖壓件為主罰壓件為主曹北黑汽車車身發(fā)展見表1。 ——.一..一.一—一— .——車身結(jié)構(gòu)車身結(jié)構(gòu)是朝著減輕質(zhì)量，增加剛度和抗沖擊能力，提高疲勞壽命，降低成本的方向發(fā)展。20世紀(jì)50年代單體式鋼車身的出現(xiàn)使汽車的質(zhì)量和價(jià)格大幅度下降，20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)鋁結(jié)構(gòu)車身，由于鋁的沖壓性不好，焊接性不好，而擠壓性很好，因而相應(yīng)的車身結(jié)構(gòu)由以板沖壓件為主的單體式結(jié)構(gòu)向以擠壓桿件為主的空間框架結(jié)構(gòu)發(fā)展。20世紀(jì)90年代末本田又推出鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)（AluminumHybridbody），是由沖壓板件和擠壓桿件、模鑄件復(fù)合組成。最近又用半固態(tài)成型（Thixotropicforming）得到形狀復(fù)雜的成型件，大大減少了部件數(shù)，如外伸后叉架（rearoutrigger）由八個(gè)部件合成一個(gè)。單體車身和鋁復(fù)合車身各種成型材比例見圖1。圖1品仃鋁車身及瓦合留車身。單體式鋁車身型材比例用鋁材后質(zhì)量下降47%，車身整體由于設(shè)計(jì)改進(jìn)和構(gòu)件截面的改進(jìn)使抗扭、抗彎能力增加了13%。車身材料由分體式車身的木材和鋼材發(fā)展為單體式的鋼材。1991年本田生產(chǎn)了鋁單體式車身NSX,使車身質(zhì)量下降了34%，鋁空間框架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了加工工藝性和車身的整體剛度和抗撞擊性。由于鋁可

以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜截面構(gòu)件的擠壓成型，如前側(cè)面框件，鋁組件比鋼組件質(zhì)量減少37%的同時(shí)，又因?yàn)槔糜蓛?nèi)壓力成型（InternalhighPressureforming）擠壓成不同壁厚、復(fù)雜帶筋的封閉多邊型斷面構(gòu)件，而使結(jié)構(gòu)能量吸收增加50%，而瑞典的VOLVO企圖通過這種方法使車身質(zhì)量下降50%（55kg），部件數(shù)下降50%。目前材料的發(fā)展趨勢是多元化，應(yīng)用鋼、鋁及鎂合金、復(fù)合材料、熱塑性合成材料，而各種材料中也應(yīng)用多種類型，見圖2。其中，鋼材已發(fā)展到使用抗拉強(qiáng)度1500MPa、伸長率18%的超低碳板條馬氏體鋼，進(jìn)一步發(fā)展到抗拉強(qiáng)度3kMPa、伸長率2.5%的鋼。表2示出了本田Inside鋁合金復(fù)合車體用的鋁材及性能。目前，德國總的材料應(yīng)用如圖3所示，個(gè)別車種、車體，如德國大眾AudiA8,AudiA2,本田的NSX，Insight車身用鋁量均超過了80%。先進(jìn)丁也歷史圖工車體結(jié)構(gòu)理材料涉枇圖與羊體材料種類及其流化先進(jìn)丁也歷史圖工車體結(jié)構(gòu)理材料涉枇圖與羊體材料種類及其流化表2本用鋁合金復(fù)合車體所用鋁含叁及性能成型洞料應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)問期板沖抵A5052O-OA5I的P-0SG112P-T4《退火硬化型）內(nèi)部板外部件高伸長率厚度薄大尺寸部件大規(guī)模生產(chǎn)高強(qiáng)度低局能避度高材料成率高模具成本［比擠壓）擠壓-15框架閉合斷面低材料成本（比板）低限具成本（比忡壓）位伸性罕（比板】重力模鑄半澹態(tài)AS56接點(diǎn)高隊(duì)度復(fù)雜*狀一次成型低伸長率t比板】機(jī)加工成本汽車車身的連接由于在復(fù)合結(jié)構(gòu)車身中應(yīng)用了多種材料，為了達(dá)到對于車身結(jié)構(gòu)的多方面要求,需要采用多種現(xiàn)代連接方法。目前可能用于鋁車身結(jié)構(gòu)的各種連接方法如表3所示，其中X表示已經(jīng)使用過的方法。

表3鋁車身的各種連接方法加工設(shè)卷應(yīng)用已用過MIC液壓件/■施壓件HjhcclMIG液壓件/被壓件X瓠姆Plasma?HlG液用件■/油壓件TIG液壓杵/池壓件Pl眠ER—TIG液用件/顆壓件激光悍0%NdrYAC板/液用件板丁液壓件K咬搔板/板機(jī)械連陜自穿孔拗接板/板X空心偏摟板/液壓件白攻絲螺■燈板/液壓件X粘接展提■枯接版」板聊接-黏接板/板X點(diǎn)焊——板/板螺掩邇接linear戰(zhàn)X在AudiA2上，有30m激光焊縫，20mMIG焊縫和1700個(gè)自穿孔鉚釘進(jìn)行連接。由于質(zhì)量原因這些連接替代了全部點(diǎn)焊。脈沖GMAW焊鋁車身可以很方便地由機(jī)器人進(jìn)行脈沖GMAW焊。對擠壓構(gòu)件之間的連接，對鋁薄板的焊接主要是防止燒穿，特別是要求對于板間隙有一定的許容度（Tolerance）。圖4示出了幾種焊接方法的間隙許容度，對于一般的DC脈沖GMAW，最薄焊接厚度是1.5mm，而隨間隙的產(chǎn)生和增加，允許的最薄厚度還要增加。近來開發(fā)了交流脈沖GMAW焊，通過直流脈沖GMAW和交流脈沖GMAW的電流波形比較，后者在焊接薄板時(shí)的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）交流脈沖GMAW增加了焊絲的熔化率，正接系數(shù)（EN）由0增加到40%，焊絲熔化系數(shù)增加60%（平均電流150A）。（2）交流脈沖GMAW使母材熔深減少，熔寬減少，堆高增加，如圖5所示。所以薄板熔穿的危險(xiǎn)大大下降。d.O口 i).5 ?Ji i-5對廢寸■工向無性存蟲圖4各神焊接方法刖焊量小摩度及網(wǎng)傲許容度j7 ；<.?n-/rn；n比任域U：!<JD^m/iriiH圖5AG肱沖GMA節(jié)解接毋時(shí)EN系數(shù)對理繼成拶府影響（3）焊絲熔化系數(shù)增加，母材熔深下降，使得對搭接板間隙的許容度大大增加，見圖4。對于1mm板間隙為0.5mm時(shí)，DC脈沖焊已燒穿，而間隙1.5mm時(shí)，AC脈沖焊仍完好。（4）交流脈沖焊對母材的熱輸入少，所以使焊后變形也大為減少，EN由0增加到40%，變形下降45%。（5）對交流脈沖GMAW采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)測定的間隙來自動調(diào)整焊接速度和EN系數(shù)，得到完好的薄板搭接焊縫。圖6圖7表示間隙由0增至2.3mm又降到0，焊接速度和EN自動調(diào)整曲線及焊縫成形。交流脈沖GMAW焊也可用于鋼和不銹鋼薄板的焊接。汽車工業(yè)薄鋼板GMAW專用焊絲的開發(fā)對于汽車薄鋼板的焊接除了在工藝上改進(jìn)外，這次會議也提出可以從焊絲成分上改進(jìn)。為了焊接薄鋼板并有較大的間隙許容度，要求焊絲有較大的熔化率。除了減小焊絲直徑和采用正極性外，也可以通過成分調(diào)節(jié)而增加焊絲的電阻率，使得焊絲伸出端由電阻熱預(yù)熱到較高溫度而增加熔化速度。日本神鋼通過在焊絲中增加硅含量而使電阻增加，從而在同樣送絲速度下降低了電流，降低了熔深（圖8）。川強(qiáng)/□)!!):.WE/1U3國政圖6川強(qiáng)/□)!!):.WE/1U3國政圖6史時(shí)控制焊速及EN系數(shù)E7實(shí)時(shí)控制爆速及匕國系數(shù)得到的牌繩成膨SS焊絲成分耐其電阻圉影則但是，隨著硅含量上升，表面張力增加，使得熔池金屬鋪展性下降，而對板間隙的填充變壞，因而Si的含量要平衡。開發(fā)的新焊絲的典型成分如表4所示，配合交流變極性GMAW使用，不僅使可焊的板更薄，而且對間隙的許容度也大為增加。笈4典型其的用焊蛙成分［弘）研制鉀”普通燃轉(zhuǎn)研制鉀”普通燃轉(zhuǎn)口陡注肺k250.010 0.20止匕外，新開發(fā)的焊絲經(jīng)過表面特殊處理可以不鍍銅，并使電弧穩(wěn)定，可以在更寬的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，特別是在相當(dāng)?shù)偷碾妷合拢?3?25V）仍不出現(xiàn)短路過渡而使得飛濺很?。▓D9）。即使在焊接鍍鋅板時(shí)飛濺也大為減少。I)10第a4DSD知］圖1。據(jù)接電流脈忡汨母材周期期前被少氣禮I)10第a4DSD知］圖1。據(jù)接電流脈忡汨母材周期期前被少氣禮J.一一件材廂劫（,推拒」』H1EB5脈沖施用周期注變化:小44。方?7聲1.力3O.fx也jwnnTLTLr爆接速I更。獻(xiàn)Eiu圖9新蟀鯉適用參數(shù)范圍變寬飛戢班少減少鍍鋅鋼板焊接氣孔的工藝措施在汽車上為了防止銹蝕大量使用鍍鋅鋼板，而鍍鋅鋼板焊接時(shí)由于鋅的蒸發(fā)而產(chǎn)生氣孔。采取的措施是保留搭接時(shí)板間隙0.3?0.5mm,使蒸發(fā)的鋅可由間隙逸出而減少氣孔生成。另外，使用脈沖焊接峰值電流大，使得熔池前部加熱范圍大，而使鋅在進(jìn)入熔池前蒸發(fā)逸去。低頻的脈沖波動30Hz可以使熔池共振，而使進(jìn)入熔池的鋅易于逸出,低頻振動母材也有同樣效果，見圖10。這些方法可以減少鍍鋅板的焊接氣孔。機(jī)器人焊接的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)日本琦玉大學(xué)的大島教授提出了一套由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)檢測和控制系統(tǒng)，用來進(jìn)行薄板的對接，主要是實(shí)時(shí)控制熔深。其框圖如圖11所示，采用的是前饋加反饋的控制方法。前饋是把由傳感器測得的坡口間隙直接輸入模糊推理器而進(jìn)行電流I的予置。反饋是向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入測得的坡口間隙6；熔池的寬度W；前一瞬時(shí)計(jì)算的熔深口51，此時(shí)的焊接電流I，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出下一瞬時(shí)予計(jì)的熔深口。然后和要求的熔深Dr比較后再輸入模糊控制器控制電流。這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是熔池寬度的測定。為了避免焊接弧光的干擾，在CCD快門開啟瞬時(shí)，降低焊接基值電流至15A，用激光掃描來確定間隙。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了在一定板厚下熔池寬度、焊接電流、坡口間隙及前一瞬時(shí)的熔深和下一瞬時(shí)的熔深的映射關(guān)系，建立了電流變化控制熔深變化的數(shù)學(xué)關(guān)系并通過模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)比較完整的智能控制系統(tǒng)，由于采用了這個(gè)系統(tǒng)，焊接熔深基本上保持了恒定。

圖11模糊腓姓網(wǎng)塔控制植闋激光焊接和切割(1)激光已被使用在車體部件的連接上，圖12是AudiA2(全鋁結(jié)構(gòu))的部件形態(tài)和連接方法。30m激光焊接主要用于板-板，板-桿之間的連接。在VOLVO上用激光分段焊接(Laserstitchwelding)鋁鎂合金代替點(diǎn)焊，質(zhì)量優(yōu)于點(diǎn)焊。川種桂f- HIMil：ISS塊依J'l?"年圖12擔(dān)H出A2部W,支焊觸組成在奔馳S-Class車身上用3.2kWCO2激光焊接車頂架和側(cè)墻。每側(cè)焊縫長度為1300mm焊速為2.5m/min， 整個(gè)循環(huán)133s，每天350臺，在線檢測，填充絲為SG2,0.8mm。(2)激光裁剪拼焊不同厚度板材(Lasertailoredblank)，然后沖壓成截面厚度不同的部件，這種工藝已被廣泛采用。由于激光焊要求坡口間隙極嚴(yán)，小于0.5mm的切口的精度是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。(3)日本提出水導(dǎo)激光過程用來切割晶片，也可切割金屬，可以把切口寬度控制在50?100Hm，長度為100mm。激光被控制在一個(gè)高壓水柱中，壓力為100MPa,水柱半徑為50?100Hm。由于水和空氣界面的反射使激光完全拘束在水柱中，水柱不僅起導(dǎo)向作用，而且起去除切割殘?jiān)饔?，這種方法可以得到很窄的精確切口，極小的熱影響區(qū)，切口不氧化。技術(shù)關(guān)鍵是把激光擴(kuò)展到水柱直徑，在確定的邊界條件下和水組成一束極細(xì)的激光束，在50MW/cm²的強(qiáng)度下以1m/min的速度切割0.5mm厚的材料。(4)激光-M1G復(fù)合焊接激光焊在汽車鋁車身焊接工藝中遇到的問題主要是由于光束直徑很細(xì)，要求坡口裝配間隙小于0.5mm,跟蹤精度很高，一開始尚未形成熔池時(shí)熱效率很低。這些問題可以通過激光-MIG復(fù)合焊解決(圖13)。由于MIG焊的復(fù)合，熔池寬度增加使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易，一開始由MIG電弧可以解決初始熔化問題，從而可以減少使用的激光器的功率。同時(shí)MIG焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸汽的屏蔽問題，MIG焊便于加入填充焊絲，從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、低熱輸入特點(diǎn)仍保持，見圖14。

總之，相對于激光焊，復(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)為：高穩(wěn)定性，高的橋聯(lián)性Bridge-ability),更大的熔深,低成本,高塑性。相對于MIG焊，復(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)是：焊速高，熔深大，熱輸入低，接頭強(qiáng)度高，焊縫窄。汽車車身的粘接在汽車車體輕量化，特別是應(yīng)用鋁車身或者是鋁和鍍鋅板及其它材料復(fù)合使用時(shí)，粘接技術(shù)變得越來越重要。在奔馳Clcoupe上粘接是和自穿孔鉚接、空心鉚接、咬接(clinching)、折邊連接、點(diǎn)焊組成復(fù)合連接(圖15)，總長達(dá)71m。圖15各種連援方法及粘接與機(jī)械逐接的夏合由于復(fù)合了粘接，原來點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)件的抗扭曲能力可以提高15%，而采用了高抗沖擊樹脂粘接劑后，抗破壞能力進(jìn)一步加強(qiáng)。粘接和其它連接復(fù)合的優(yōu)點(diǎn)可歸納為：①受撞擊時(shí)在連接區(qū)得到一個(gè)均勻的撞擊功分布，因而比原來的點(diǎn)狀連接剛度大得多，吸收的能量也大得多，防止了破壞。