汽车焊接新技术.ppt

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 resistancewelding 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 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 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 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 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 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 4 180mm 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WELDPLANNER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WELDPLANNER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 WELDPLANNER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DigitalEnterpriseLeanManufacturingInteractiveApplication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 总装的工艺规划到加工仿真等 提供了一系列的软件和整体解决方案 DELMIA的应用现状 1 通用 丰田等汽车企业都大量应用DELMIA软件 通用卡车公司把DELMIA软件的开发公司作为唯一的数字制造解决方案供应商 CIMS为ComputerIntegratedManufacturingSystems的缩写 即计算机集成制造系统 2 上海交通大学CIMS研究所应用DELMIA软件在上海大众汽车有限公司发动机厂生产线技术改造项目中也获得了很好的效益 车身装焊的虚拟设计 四 汽车焊接新材料 镀锌钢板 焊接镀锌钢板最有前途的方法是激光焊接 防腐机理 高强度钢板 高强度钢板 汽车焊接新材料 汽车焊接强度检查 焊接非破坏性检查 操作工人按照规定频次先清理焊点数目和外观质量是否符合规定 然后将专用凿子插入规定检查的焊点3 10mm处 到焊点内端平后 上下扳动凿子 检查焊点是否松动 接着拔出凿子 用0 5 1磅锤子还原零件 如果焊点松动 就记录缺陷部位和种类 焊接破坏性检查 利用液压张力钳或气动凿子将产品所有焊点撕开 检查撕洞是否烧穿 是否存在不可接受的焊接裂纹等缺陷 检查焊核尺寸是否符合要求 最后对检查结果记录 需要专门经过培训的检验员完成 超声波技术检查 需要专门经过培训的检验员完成 第三节汽车制造中的焊接新技术 一 高效节能的电阻焊及质量控制 电阻焊机大量使用50Hz的单相交流电源 汽车制造中的焊接新技术 逆变式焊机焊接技术 优点 焊接性能好 动态反应速度快 效率高 功能多 易于实现焊接机械化和自动化 应用 手工电弧焊 TIG焊 MIG MAG CO2自动及半自动焊 电阻点焊 电阻焊质量控制 通常使用的质量控制手段 焊后随机抽样破坏性检验 焊后无损检测 研究的热点 汽车制造中的焊接新技术 日本已开发了采用数值计算的熔核直径在线自适应控制技术的点焊质量控制方法 根据温度变化情况确定点焊部位的发热情况 由此推算是否可以获得确保点焊质量的熔核直径 使焊点质量稳定可靠且焊接喷溅减少 电极寿命延长 但这种方法计算量大 设备一次投资增加 焊接过程监控质量控制技术的开发及应用现状 西南交通大学针对铝合金车圈研制成车圈焊接PLC智能控制器 解决了铝合金车圈的焊接质量问题 其抗干扰能力 可靠性等比单片微机控制器更好 比工控机控制器体积小 成本低 汽车制造中的焊接新技术 二 气体保护焊的稳定焊接技术 短路过渡的电流波形控制法 用两个电流脉冲过渡一个熔滴的波形控制法 可限制短路过渡时金属液桥爆断的能量 减少飞溅 提高短路过渡的稳定性 汽车制造中的焊接新技术 逆变电源波形控制法 汽车制造中的焊接新技术 氩弧焊技术 氩弧焊有非熔化极 TIG 和熔化极 MIG 两种 均用于汽车工业有色金属和高合金钢焊接中 为改善CO2气体保护焊的成形和减少飞溅 采用80 CO2 20 Ar的混合气体保护焊 汽车制造中的焊接新技术 三 激光焊接及其复合焊接技术 激光焊接原理 金属在小孔前方熔化 绕过小孔流向后方重新凝固形成焊缝 汽车制造中的焊接新技术 激光深熔焊原理 汽车制造中的焊接新技术 激光焊接设备 汽车制造中的焊接新技术 激光焊接特点 1 能量密度高 适合于高速焊接 2 焊接时间短 材料本身的热变形及热影响区小 尤其适合高熔点 高硬度加工 3 无电极 工具等的磨损消耗 4 对环境无污染 5 可通过光纤实现远距离 普通方法难以达到的部位 多路同时或分时焊接 6 很容易改变激光输出焦距及焊点位置 7 很容易搭载到机器人装置上 汽车制造中的焊接新技术 汽车车身顶盖与侧面激光焊接代替点焊 汽车制造中的焊接新技术 车顶激光焊接 汽车制造中的焊接新技术 后顶盖的激光焊缝 汽车制造中的焊接新技术 激光焊接焊缝断面形貌 汽车制造中的焊接新技术 激光焊接的应用现状 国内 上海大众 神龙 东风等为数不多的几家合资公司 国外 Volvo最早开发车顶激光焊德国大众在AudiA6 GolfA4 Passat BMW的5系列和Opel的Vectra等车型也采用车顶激光焊奔驰首先在C级车后立柱上采用激光填丝焊接 BMW和GM的车架顶部采用激光搭接焊 Fiat公司在著名的Ferrari 法拉利 车上完成了120m长的激光焊接 汽车制造中的焊接新技术 激光拼焊板的应用 开始于Audi100的底板拼焊 目前已经广泛应用 丰田公司Tahara工厂生产的雷克萨斯 Lexus 门板原来是用两种不同厚度 五种不同表面处理的多块钢板组成 现只用一块激光拼焊板代替 大大提高了生产率 BMW公司1 3的汽车采用激光拼焊板 2000年 美国用于汽车的激光拼焊板达6000万件 激光拼焊板将成为一项数十亿美元的产业 优点 激光剪拼具有减少零件和模具数量 减少点焊数目 优化材料用量 降低零件重量 降低成本和提高尺寸精度 汽车制造中的焊接新技术 激光 TIG复合焊接 优点 1 利用电弧增强激光作用 可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料 2 在焊接薄件时可高速焊接 3 可增加熔深 改善焊缝成形 获得优质焊接接头 4 可以缓和母材端面接口精度要求 举例 当CO2激光功率为0 8kW TIG电弧的电流为90A 焊接速度2m min时 可相当于5kW的激光焊机的焊接能力 汽车制造中的焊接新技术 激光 TIG复合焊接原理 汽车制造中的焊接新技术 激光 TIG复合焊接焊缝断面形貌 汽车制造中的焊接新技术 激光 TIG复合焊熔深 左 和熔宽 右 与焊接速度的关系 汽车制造中的焊接新技术 汽车制造中的焊接新技术 激光 等离子弧复合焊接 等离子弧功能 1 激光焊接提供额外的能量 提高焊接速度 进而提高整个焊接过程的效率 2 等离子弧环绕在激光周围 可以产生热处理的效果 延长冷却时间 也就减少了硬化和残余应力的敏感性 改善了焊缝的微观组织性能 汽车制造中的焊接新技术 激光 MIG复合焊接 汽车制造中的焊接新技术 1 高速 熔