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第三章汽车焊装工艺 车身是汽车的基体 它不仅要承受来自汽车内 外部的所有力和力矩 为乘客和货物提供保护 而且还要满足用户对汽车外观质量日益苛刻的高要求 即车身应具有 承力 保护 美学 三大最基本的功能 此三大功能是否能得到最大限度地实现 在很大程度上取决于车身焊装质量 这正是业内常说 车身焊装工艺水平直接关系着汽车产品的外观质量和使用性能 的原因 轿车车身是各类汽车车身中结构最复杂 焊点和采用的焊接方式最多 对焊接质量要求最高的一种 是汽车焊装工艺中的典型代表 因此 本章以轿车车身为例介绍车身焊装工艺 第一节焊装工艺流程与布局 轿车车身是由数以千计薄板冲压成型的板壳构件通过焊接工艺方法组合在一起的形体复杂 高强度空间板壳结构 其焊装工艺过程十分复杂 为此需对车身焊装工艺进行全面 科学 合理的规划 车身焊装工艺流程车身焊接工艺布局车身焊装工艺方法 一 车身焊装工艺流程 为了便于焊接成形 且获得准确的车身外形尺寸和优良的外观质量 常将由薄板冲压成形的片状冲压件焊装成具有一定强度或功能的分总成 再将分总成焊装成大总成 将大总成焊装在一起组成车身的六大片 车身底板总成 顶盖总成 左 右侧围总成 前围总成 后隔板总成 然后将六大片合焊在一起构成车身焊接总成 装上车门 发动机罩 翼子板 行李箱盖便构成了整体焊接白车身 如图3 1至图3 2所示 二 车身焊接工艺布局 轿车车身的所有组成部件都由薄板冲压而成 汽车制造业将其统称为冲压件 其中90 以上的冲压件的板厚只有0 6 0 8mm 承力最大的冲压结构件其板厚亦小于3mm 车身冲压件的面厚比很大 刚度非常小 极易变形 要想将多片极易变形的冲压件组焊成高精度的车身分总成 在组焊的全过程必须保持每一个冲压件的形状不变 且各冲压件的相对位置精度高 欲做到这一点 车身焊装车间采用了大量与之相适应的焊装夹具 为了提高生产效率 满足生产节拍的要求 汽车车身焊装生产均将满足车身各总成部件及车身合装的焊装夹具按照一定的要求构成高效的焊装流水线 车身焊装工艺的内容多而复杂 为了使车身焊装作业能有序高效进行 需合理规划与布局焊装工艺 焊装工艺布局是否合理的评价指标是 车身在焊装线上的流动应顺畅 无效输送和辅助生产时间应尽可能短 物流配送方便 焊装线两侧有足够的工件摆放空间 便于产能的扩充和信息的导入 三 车身焊装工艺方法 车身焊装工艺是一个广义的概念 是指将冲压成型的车身各组件组装成一个完整白车身的全部工艺过程 其内容主要有焊接 滚 折边 涂胶 合装 返修等 由于焊接工艺的比重超过90 以上 因此将其统称为焊装 焊接 通过加热或者加压或者两者并用 添加或不加填充材料 使两分离的工件在其接合表面达到原子间的结合 形成永久性连接的一种工艺方法 常用的焊接工艺有五大类近20种不同的焊接工艺方法 常用的车身焊接工艺方法 第二节电阻焊 将被焊工件置于两电极之间加压 并在焊接处通以电流 利用电流流经工件接触面及其邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态 使之达到金属结合而形成牢固接头的工艺过程 由于焊接所需要的热来自于电流通过工件焊接处的电阻产生的热量 因此将其称为电阻焊 电阻焊有点焊 凸焊 缝焊 对焊等多种不同的焊接方式 如图3 6所示 点焊是电阻焊最典型的代表 点焊有单点焊 多点焊 单面点焊和双面点焊等多种 其特点是生产率高 质量好 成本低 工作条件好 易于实现自动化 因此在车身焊接中是一种应用最广泛焊接方式 一 点焊 点焊的焊接过程由预压 通电 维持 休止四部分组成 其焊接质量的好坏与预压力 通电时间 通电电流 工件性能 电极的形状与材料等因素有直接关系 其中通电电流和通电时间对焊接质量的影响最大 1 预压力的影响 点焊的预压力是由电极施加的 因此预压力又称为电极压力 适当的电极压力对于保证焊接质量十分有利 其原因是 适当的电极压力可以破坏焊接接头表面氧化污物层 使焊接接头表面保持良好的接触 促进焊接接头的熔合 热熔时在电极压力作用下形成的塑性环防止周围气体侵入和液态熔核金属沿板缝向外喷溅 对于保证焊接质量具有十分重要的作用 2 焊接电流的影响 点焊所需要的热量完全由电流转换而来 由此可见焊接电流对焊接质量的影响 电流越大所产生的焊接热越大 焊接接头处的金属越容易熔化 不同的材料其熔化热和散热能力均有较大差异 因此焊接不同种类的金属应采用不同的焊接电流 此外 点焊接头处金属厚度的不同所需的焊接热也存在很大的差异 因此焊接较厚的金属时需要较大的焊接电流 焊接较薄的金属时需要较小的电流 否则焊接接头有被烧穿的危险 由此可见 焊接电流是一个必须严格控制的重要工艺参数 引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化 3 通电时间的影响 通电时间又称焊接时间 焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充 为了获得一定强度的焊点 可以采用大电流 短时间焊接模式 简称强条件或硬规范 也可采用小电流 长时间 简称弱条件或软规范 选用硬规范还是软规范 取决于金属的性能 厚度和所用焊机的功率 对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间 都有一个上下限 选用时应特别注意 4 电极形状及材料的影响 由于电极的接触面积决定着电流密度 电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失 因此 电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响 随着电极端头的变形和磨损 接触面积增大 焊点强度将降低 5 工件性能的影响 工件表面状况如氧化物 污垢 油和其他杂质等均会影响工件的导电性能 通常情况下都会增大焊接接头处的接触电阻 过厚的氧化物层甚至会使电流不能导通 使焊接过程无法进行 氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性 引起焊接质量的不稳定 因此彻底清洁工件表面是焊接接头质量的保证 除工件表面状况会影响到焊接质量外 工件材料的许多性能都会对点焊的有效性构成较大影响 材料的导电性和导热性越高 焊接性越差 材料的高温强度越高 屈服强度越高 焊接性越差 材料的塑性温度范围越窄 对参数波动越敏感 焊接性越差 材料对热循环的敏感性越强 焊接性越差 此外 熔点高 线膨胀系数大 易形成致密氧化膜的金属 其焊接性一般较差 6 点焊工艺参数的选用 选择点焊工艺参数时可以采用计算法或查表法 见表3 2 无论采用哪种方法 所选择出来的工艺参数都不可能是十分精确和合适的 需针对具体的工件的特点由实验确定 点焊工艺参数表表3 2 1 两种不同厚度钢板的点焊 当两工件的厚度比小于3 1时 焊接并无困难 此时工艺参数可按薄件的厚度选择 并稍增大一些焊接电流或通电时间即可 当两工件的厚度比大于3 1时 此时除按上上述方法处理外 还应采取下列措施 以保证焊接质量 在厚板一侧采用较大的电极直径 在薄板侧选用导电性稍差的电极材料 2 三层钢板的点焊 当点焊中间为较厚零件的三层板时 可按薄板厚度选择工艺参数 但要适当增加焊接电流 其增加量约为10 25 或者增加通电时间 当点焊中间为较薄零件的三层板时 可按厚板厚度选择工艺参数 但要适当减少焊接电流 减少量约10 25 或者减少通电时间 3 带镀层钢板的点焊 点焊镀锌或镀铝钢板时 应比不带镀层的钢板提高电流20 30 并同时提高电极压力20 7 点焊质量检验 电焊质量的检验最常用 最简单且最有效的方法是撕开法 如图3 7所示 优质焊点的标志是 在撕开试样的一片上有圆孔 而另一片上有圆凸台 厚板或经淬火处理的材料有时不能撕出圆孔和凸台 但可通过剪切的断口判断熔核的直径 图3 7点焊质量的撕裂检验 二 凸焊 前面述及 凸焊的焊接原理和设备与点焊很接近 只是焊接接头有所不同 因此人们常将凸焊称为是点焊的一种特殊形式 1 凸焊的工艺特点 1 在一个焊接循环内可焊接一个焊点又可焊接多个焊点 生产率高 没有分流影响 因此可在窄小的部位上布置焊点而不受点距的限制 2 由于电流密集于凸点上 电流密度大 故可用较小的电流进行焊接 并能可靠地形成较小的熔核 3 凸点的位置准确 尺寸一致 各点的强度比较均匀 因此对于给定的强度 凸焊焊点的尺寸可以小于点焊 4 由于采用大平面电极 且凸点设置在一个工件上 所以可最大限度地减轻另一工件外露表面上的压痕 大平面电极的电流密度小 散热好 电极的磨损要比点焊小得多 因而大大降低了电极的保养和维修费用 5 与点焊相比 工件表面的油 锈 氧化皮 镀层和其它涂层对凸焊的影响较小 当然 工件表面越洁净 其焊接质量就越好越稳定 6 凸焊的不足之处是需要冲制凸点的附加工序 电极比较复杂 若一次要焊多个焊点 则需要使用更高的电极压力和高精度的大功率焊机 由凸焊的上述特点不难看出 凸焊特别适合于车身上的螺帽焊接 2 凸焊电极 常用的凸焊电极有圆形平头电极 大平头棒状电极 螺帽专用电极等三种基本类型 1 圆形平头电极 圆形平头电极又称为标准点焊电极 若进行凸焊作业时采用标准点焊电极 则电极接触面直径应不小于凸点直径的两倍 以减小工件表面的压痕 2 大平头棒状电极 大平头棒状电极常用于局部位置的多点凸焊 如加强垫圈的凸焊 一次可焊4 6点 大平头棒状电极的接触面必须足够大 应超过全部凸点的边界 超出量一般应相当于一个凸点的直径 3 螺帽专用电极 螺帽专用电极主要用于螺帽的焊接 汽车车身上需要焊接的螺帽非常多 因此螺帽专用电极在汽车车身焊接工艺中应用的非常广泛 3 凸焊质量的影响因素 电极压力焊接时间焊接电流电极材料 1 电极压力 凸焊的电极压力取决于被焊金属的性能 凸点的尺寸和一次焊成的凸点数量等 电极压力应足以在凸点达到焊接温度时将其完全压溃 并使两工件紧密贴合 电极压力过大会过早地压溃凸点 失去凸焊的作用 同时因电流密度减小而降低接头强度 电极压力过小会引起严重飞溅 2 焊接时间 对于给定的工件材料和厚度 焊接时间由焊接电流和凸点刚度决定 在凸焊低碳钢和低合金钢时 影响焊接质量的因素主要是电极压力和焊接电流 在电极压力和焊接电流确定后 通过调节焊接时间 以获得满意的焊接质量 若希望缩短焊接时间 就要相应增大焊接电流 但过份增大焊接电流可能引起金属过热和飞溅 通常情况下 凸焊的焊接时间比点焊长 而电流比点焊小 多点凸焊的焊接时间稍长于单点凸焊 以减少因凸点高度不一致而引起各点加热的差异 采用预热电流或电流斜率控制 通过调幅使电流逐渐增大到需要值 可以提高焊点强度的均匀性并减少飞溅 3 焊接电流 凸焊每一焊点所需电流比点焊同样一个焊点时小 但在凸点完全压溃之前电流必须能使凸点熔化 凸焊电流应该是在采用合适的电极压力下不致于挤出过多金属的最大电流 对于一定凸点尺寸 挤出的金属量随电流的增加而增加 采用递增的调幅电流可以减小挤出金属 和点焊一样 被焊金属的性能和厚度仍然是选择焊接电流的主要依据 多点凸焊时 总的焊接电流大约为每个凸点所需电流乘以凸点数 但考虑到凸点的公差 工件形状 以及焊机次级回路的阻抗等因素 需做适当调整 凸焊时还应尽可能做到两被焊板间的热平衡 否则 在平板未达到焊接温度以前凸点便已熔化 因此 焊接同种金属时 应将凸点冲在较厚的工件上 焊接异种金属时 应将凸点冲在电导率较高的工件上 若在厚板上冲出凸点有困难 也可在薄板上冲凸点 4 电极材料 电极材料会影响到被焊两工件上的热平衡 在焊接厚度小于0 5mm的薄板时 为了减少平板一侧的散热 常用钨 铜烧结材料或钨做电极的嵌块 4 凸焊质量检验 凸焊质量的检验内容主要的焊接强度 常采用拉力法进行检验 即检测焊点的抗拉能力 表3 3是螺帽凸焊抗拉能力的检验指标 凸焊的检验标准表3 3 第三节熔化焊 在焊接过程中将工件接口处加热至熔化状态 不加压力完成焊接的方法 称为熔化焊 进行熔化焊时 热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化 形成熔池 熔池随热源向前移动 先熔化的部分冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体 熔化焊也有多种不同的焊接方式 其中由于CO2气体保护焊 混合气体保护焊 MAG焊 的特点 见表3 2 非常明显 因此是众多熔化焊接方式中在车身焊接工艺中用得最多的一种熔化焊 CO2气体保护焊 混合气体保护焊的特点 一 CO2气体保护焊 CO2气体保护焊是一种熔化极低活性气体保护的电弧焊接 利用焊丝与工件间产生的电弧热熔化填充料及工件接口处的金属 CO2作保护气体 金属焊丝作填充料 焊丝被送丝辊轮送入导电嘴 到达焊接区后在焊丝与被焊工件间引燃电弧 CO2气体经预热 干燥和减压后以一定的流量从喷嘴流出 将电弧和熔池与大气隔离 防止熔池中的金属与空气中的氧气发生反应生成有害的金属氧化物 焊丝在高温电弧的作用下不断熔化而形成连续良好的金属焊缝 如图3 9所示 图3 9CO2气体保护焊 1 焊丝 CO2是一种氧化性气体 在电弧高温区分解为一氧化碳和氧气 具有强烈的氧化作用 会导致合金元素烧损 为了防止焊缝中产生气孔 减少飞溅和保证焊缝有良好的机械性能 必须采用含有Si Mn等脱氧元素的焊丝 CO2气体保护焊使用的焊丝既是填充金属又是电极 所以焊丝既要保证一定的化学性能和机械性能 又要保证具有良好的导电性能和工艺性能 CO2气体保护焊焊丝有实芯焊丝和药芯焊丝两种 2 CO2气体保护焊质量的影响因素 影响CO2气体保护焊焊接质量的因素主要有 焊接电流焊接电压焊接速度 1 焊接电流 焊接电流的选用应视工件的板厚 焊接位置 焊接速度 材质等参数而定 焊接电流一旦确定 CO2气体保护焊焊机的送丝速度亦随之确定 焊机送丝速度随焊接电流的变化规律如图3 10所示 图3 10送丝速度随焊接电流的变化规律 2 焊接电压 焊接电压又称电弧电压 电弧电压越高 焊接能量越大 焊丝熔化速度越快 焊接电流亦应越大 电弧电压的选用方法是根据工件的材质 厚度等选定焊接电流 然后根据下列公式计算焊接电压 焊接电流 300A时 焊接电压 0 04倍焊接电流 16 1 5 伏焊接电流 300A时 焊接电压 0 04倍焊接电流 20 2 伏若焊接电压偏高 弧长变长 飞溅颗粒变大 焊缝宽而平 熔深和余高变小 容易产生气孔 若焊接电压偏低 弧长变短 飞溅增加 焊缝变窄 熔深和余高变大 3 焊接速度 焊接电压和焊接电流确定后 焊接速度的选择应保证焊接所需要的热量 焊接过程中所能产生的热量为 3 1 式中 焊接电流 A 等效电阻 决定焊接速度的时间 S 半自动CO2气体保护焊机可达到的焊接速度为 30 60cm min CO2气体保护焊自动焊机能达到的焊接速度可高达250cm min以上 焊接速度过快 焊缝会变窄 熔深和余高会变小 二 混合气体保护焊 MAG焊 MAG是英文字母MetalActiveGaswelding的缩写 中文意思是熔化极活性气体保护焊 保护气体是由惰性气体和少量氧化性气体 如CO2或其它气体 混合而成 尽管CO2气体保护焊的焊接质量明显优于普通电弧焊 但它较难满足要求越来越高的汽车车身的焊装要求 为了进一步改善气体保护焊的焊缝质量 轿车制造公司已不再单纯使用CO2气体作为焊接的保护气体 而是采用对焊缝有更好保护能力的混合气 80 Ar 20 CO2 取代传统的CO2气体 其工艺性能和焊接质量较传统的CO2气体保护焊有明显提高 用混合气体 80 Ar 20 CO2 保护焊缝的焊接方法称为混合气体保护焊 混合气体保护焊与CO2气体保护焊无本质差异 只是保护气体不同而已 三 MIG焊 MIG是英文子母MetalInertGaswelding的缩写 中文意思是熔化极惰性气体保护焊 保护气体主要有氩气 Ar 或氦气 He 其特点是 保护气体不与液态金属发生冶金反应 只起隔绝空气作用 所以电弧燃烧稳定 熔滴过渡平稳 安定 无激烈飞溅 最适于铝 铜 钛等有色金属的焊接 也可用于钢材 如不锈钢 耐热钢等的焊接 在汽车车身焊装工艺中主要用于车身顶盖后部两侧接缝处的焊接 其焊接方法同混合气体保护焊 MAG焊 四 螺柱焊 将金属螺柱或其他类似的紧固件焊到工件上的工艺方法统称螺柱焊 螺柱焊是焊接紧固件的一种快速 高效的焊接方法 螺柱焊是电弧熔化焊接方法的一种特殊应用 其工作原理是 焊枪里的螺柱首先接触工件 在焊接按钮闭合时 螺柱被焊枪提起 在螺柱与工件之间引燃电弧 使螺柱端面与相应的工件表面加热到熔化状态 达到适宜温度时 将螺柱挤压到熔池中去 使两者融合形成焊缝 螺柱焊需要经历预压 引弧 熔化 下沉 焊接冷却五个阶段 见图3 11 a 预压 b 引弧 c 熔化 d 下沉 焊接冷却图3 11螺柱焊焊接过程 五 钎焊 钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料 将工件和钎料加热到高于钎料熔点 低于工件熔点的温度 利用液态钎料润湿工件 填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散 从而实现焊接的方法 见图3 12 根据加热方式的不同 钎焊可分为激光钎焊 火焰钎焊 电阻钎焊 感应钎焊等许多种 a 钎焊原理 b 钎焊操作图3 12钎焊 第四节特种焊接 特种焊接的种类很多 汽车车身焊接工艺中用得较多的主要有 微弧等离子焊电子束焊激光焊 一 等离子弧焊 等离子弧焊 是利用等离子弧作为热源的焊接方法 气体由电弧加热产生离解 在高速通过水冷喷嘴时受到压缩 增大能量密度和离解度 形成等离子弧 它的稳定性 发热量和温度都高于一般电弧 因而具有较大的熔透力和焊接速度 形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩气 根据工件材料性质的不同 可选用不同的保护气体 如 氦或氩氦 氩氢等 等离子弧有两种工作方式 即非转移弧和转移弧等离子弧焊 形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式两种 如图3 13和3 14 图3 13熔透式焊缝图3 14穿孔式焊缝等离子弧的类型 等离子弧焊的应用 非转移弧等离子弧焊的电弧在钨极与喷嘴之间燃烧 主要用于等离子喷镀或加热非导电材料 转移弧等离子弧焊的电弧由辅助电极高频引弧后 电弧燃烧在钨极与工件之间 形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式两种 熔透式等离子弧只熔透母材 形成焊接熔池 多用於0 8 3毫米厚的板材焊接 穿孔式等离子弧只熔穿板材 形成钥匙孔形的熔池 多用於3 12毫米厚的板材焊接 此外 还有小电流的微束等离子弧焊 特别适合於0 02 1 5毫米的薄板焊接 等离子弧焊接属于高质量焊接方法 焊缝的深 宽比大 热影响区窄 工件变形小 可焊材料种类多 特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展 更扩大了等离子弧焊的使用范围 等离子弧焊的分类 按电源连接方式的不同 等离子弧有非转移型 转移型和联合型三种型式 非转移型等离子弧 钨极接电源负端 焊件接电源正端 等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间 在等离子气体压送下 弧柱从喷嘴中喷出 形成等离子焰 转移型等离子弧 钨极接电流负端 焊件接电流正端 等离子弧产生在钨极和焊件之间 因为转移弧能把更多的热量传递给焊件 所以金属焊接 切割几乎都是采用转移型等离子弧 联合型等离子弧工作时非转移弧和转移弧同时并存 故称为联合型等离子弧 非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用 转移弧直接加热焊件 使之熔化进行焊接 主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊 二 电子束焊 电子束焊是一种利用电子束作为热源的焊接工艺 电子束发生器中的阴极加热到一定的温度时逸出电子 电子在高压电场中被加速 通过电磁透镜聚焦后 形成能量密集度极高的电子束 当电子束轰击焊接表面时 电子的动能大部分转变为热能 使焊接件结合处的金属熔融 当焊件移动时 在焊件结合处形成一条连续的焊缝 如图3 15所示 对于真空电子束焊机 要焊接的工件置于真空室中 一般装夹在可直线移动或旋转的工作台上 图3 15电子束焊接原理图 真空电子束焊接的特点 1 电子束能量密度高 可达106 109 是普通电弧焊和氩弧焊的100 100000倍 可实现焊缝深而窄的焊接 深宽比最大可到70 1 2 电子束焊接 其焊缝化学成份纯净 焊接接头强度高 质量好 3 电子束焊接所需线能量小 而焊接速度高 因此焊件的热影响区小 焊件变形小 除一般焊接外 还可以对精加工后的零部件进行焊接 4 可焊接普通钢材 不锈钢 合金钢及铜 铝等金属 难溶金属 如钽 铌 钼 和一些化学性质活泼的金属 如钛 锆 铀等 5 可焊接异种金属 如铜和不锈钢 钢与硬质合金 铬和钼 铜铬和铜钨等 6 电子束焊接的工艺参数 如加速电压 束流 聚焦电流 偏压 焊速等可精确调整 易于实现焊接过程自动化和程序控制 焊接重复性好 7 电子束焊接能焊接复杂几何形状的工件 8 与普通焊接相比 电子束焊接的速率更高 尤其对于大厚件的焊接工件 三 激光焊 激光焊是一种利用激光作为热源的焊接工艺 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束二种不同的激光光源 激光焊接有 热传导型激光焊接深熔型激光焊 热传导型激光焊接 功率密度小于104 105的激光焊称为热传导型激光焊 由于功率小 因此熔深浅 焊接速度慢 功率密度大于105 107的激光焊称为深熔型激光焊 具有焊接速度快 深宽比大的特点 深熔型激光焊 深熔型激光焊一般采用连续激光光束完成材料的焊接 其冶金物理过程与电子束焊接极为相似 能量转换机制是通过 小孔 Key hole 结构来完成的 在足够高的功率密度激光照射下 材料蒸发并形成小孔 这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体 几乎吸收全部的入射光束 孔腔内平衡温度达2500 左右 热量从高温孔向外壁传递 使包围着这个孔腔四周的金属熔化 孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡 光束不断进入小孔 小孔外的材料连续流动 小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动 熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝 焊缝于是形成 如图3 16所示 图3 16激光焊接 激光焊的特点 由于激光焊具有能量集中 热影响区小 应力变形小 深宽比大 适应性强 可达性好 易传输 不受电磁干扰 不辐射对人体有害的射线等许多优点 因此在汽车车身焊接工艺中应用得越来越广泛 当然 要想充分发挥激光焊接的众多优点 获得最佳的焊接质量 应对激光功率 保护气体 透镜焦距等工艺参数进行严格控制 1 激光功率 激光功率是激光焊接中有一个十分重要的工艺参数 激光器的功率低于某一数值 激光能量密度阈值 焊接熔深会很浅 一旦达到或超过此阈值 熔深会大幅度提高 只有当工件上的激光功率密度超过阈值 与材料有关 等离子体才会产生 这标志着稳定大熔深的焊接能有效进行 若激光功率低于此阈值 工件仅发生表面熔化 焊接以稳定热传导的方式进行 当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时 深熔焊和传导焊交替进行 焊接过程不够稳定 熔深波动大 进行激光深熔焊时 激光功率同时控制熔透深度和焊接速度 焊接的熔深与光束功率密度有关 对一定直径的激光束 熔深随着光束功率提高而增加 焊接速度对熔深影响较大 速度高熔深浅 但速度过低又会导致材料过度熔化 工件焊穿 所以 对一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一个合适的焊接速度范围 2 保护气体 气体保护是保证焊接质量的重要工艺手段 激光焊接过程常使用惰性气体保护熔池 常用的保护气体有 氦 氩 氮等 其中氦气不易电离 电离能量较高 可让激光顺利通过 光束能量可不受阻碍地直达工件表面 因此氦气是激光焊接对熔池保护效果最好的气体 但价格贵 氩气比较便宜 密度较大 所以保护效果较好 但氩气易受高温金属等离子体电离 屏蔽了部分激光束 减少了激光焊接的激光功率 使用氩气保护可以获得更光滑的焊缝表面质量 氮气是最便宜的一种保护气体 但不适合于某些不锈钢工件的焊接 其原因是有时会在搭接区产生气孔 使用保护气体的第二个作用是保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射 特别在高功率激光焊接时 由于其喷出物非常有力 此时保护透镜显得非常重要 保护气体的第三个作用是对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效 等离子体云外形尺寸的大小与保护气体的种类有关 保护气体为氦气时等离子体云的外形尺寸最小 氮气次之 氩气时最大 等离子体尺寸越大 熔深则越浅 3 透镜焦距 为了获得最佳的焊接质量 减小焊接时的能量消耗 采用透镜聚焦激光束显得特别重要 聚焦激光束一般选用63 254mm焦距的透镜 聚焦后的激光光斑大小与焦距成正比 焦距越短 光斑越小 反之 光斑越大 焦距的大小还会影响到焦深和熔深的长短 焦距大焦深和熔深长 焦距小焦深和熔深短 尽管短焦距可提高功率密度 但会带来焦深和熔深的同步减小 因此必然会影响到所能焊接工件的厚度 自动激光焊机工作原理 透镜焦距选定后 焊炬喷嘴离工件的的距离 即Z轴坐标 应严格控制 否则会影响到焊接效率 为此自动激光焊机都设置了一套Z座标自动调节系统 如右图所示 四 激光复合焊 尽管激光焊接具有前面所述许多优点 但由于激光焊接也存在激光对母材的作用时间短 熔融金属凝固得很快 金属气体和吸入的其他气体来不及全部逸出而形成疏松与气孔 激光光斑直径很小 热作用区域很小 焊接时要求接口间隙小于激光光束直径 且接口两侧的母材应平整 否则容易发生焊接错位 热作用区域很小 焊接区域产生很高的峰值温度和温度梯度而引起应力不平衡 为了能充分发挥激光焊接的优点克服其不足 激光复合焊接技术得到了快速发展 常用的激光复合焊接技术主要有 激光 TIG复合焊 激光 MIG复合焊 激光 等离子弧复合焊 激光 双电弧复合焊等多种 其中 激光 TIG复合焊又有旁轴激光 TIG复合焊 双束激光 TIG同轴复合焊和激光 多电极TIG同轴复合焊等不同焊接方式 不同的激光复合焊接方式 旁轴激光 TIG复合焊双轴激光 TIG同轴复合焊激光 TIG多级复合焊激光 MIG复合焊激光 等离子弧复合焊 五 包边工艺 包边工艺是一种将零件上冲压产生的上翻边或下翻边折弯压平后 使开启件零件的内 外板连接在一起的装配工艺 如图3 21和图3 22所示 包边工艺在汽车车身焊装工艺中用得较为广泛 如车门内外板 发动机罩内外板 门框内外板的连接大多采用包边工艺 图3 21包边结构示意图图3 22包边工艺 第五节焊装生产线整体效率评价 与涂装和总装相比 焊接生产的刚性强 工装的通用性差 车型换代和新车型导入均需要安装大量与之对应的专用设备 现场夹具和工料箱的平面布局关系到占用厂房的面积 操作有效 工位平衡 操作载荷众多因素 为了充分发挥焊装厂房的效用 提高其生产效率 汽车生产厂商均建立起了自己的 焊装工位布局有效性 评价指标体系 一 焊装工位布局有效性评价目的 焊装工位布局有效性评价的目的在于 将焊装工位效率的改进贯穿于焊装生产线和工装设计的全过程 其内容包括 操作工位设备物流 1 操作工位 将所有零件尽可能放置在距操作工位最近的位置 减少操作过程移动 距离和 工位 线边 往返次数 工位作业内容尽可能集中 各工位的作业工作量均衡而稳定 有利于提高作业效率 减少无效操作 提高有用的操作 工位操作符和人机工程学的要求 2 设备 焊装设备布局应体现紧凑高效的原则 焊装工艺设计应遵循在制品最少的原则 3 物流 单边布线 物流输送线在焊装流水线单侧布置 有利于减少线边库存量 二 焊装工位布局有效性评价指标 焊装工位布局有效性评价有七项量化指标 简称7F 分别是 物流箱占地面积指标F1 操作工移动范围指标F2 两相邻设备操作工工作间距指标F3 装零件往返次数指标F4 轻 中程度操作工位比例指标F5 工位平衡指标F6 有效操作比例指标F7 根据此七项指标计算出焊装生产线整体效率指标 用于焊装工位布局有效性的评价 1 物流箱占地面积指标F1 评价方法 计算每一各工位的VOR值 VOR值越小 物流箱占地面积指标越优 VOR 线边区域物流料箱存放长度 工位宽度评价标准 VOR 1合格1 VOR 1 35可以接受VOR 1 35不合格 2 操作工移动范围指标F2 评价方法 用操作工移动距离评价 评价标准 全自动流水生产线 允许每1分钟循环工作时间内 操作工移动距离为10m 其他类型的生产线 允许每1分钟循环工作时间内 操作工移动距离为5m 3 两相邻设备操作间距指标F3 评价标准 两操作工工作间距 3m 4 装零件往返次数指标F4 评价标准 一个工作循环取件次数 4次 装件4种以上零件的专用工位 允许目标值 6次 允许装件往返6次的零件是 发动机罩 后尾门 车门里板 前围板 底座连接板 前纵梁 连接板 长0 8 1 0m 宽0 3 0 5m 后搁板 内纵梁 后轮罩 5 轻 中程度操作工位比例指标F5 评价方法 根据操作工操作姿势及操作负重 计算出操作强度评定分值P P 1 2 5轻度工位P 3 3 5中度工位P 3 5重度工位即不合格工位 评价标准 轻度工位 65 中度工位 35 重度工位为0 6 工位平衡指标F6 评价方法 计算工位不平衡率 据此评价工位平衡度 评价标准 工位不平衡率 10 7 有效操作比例指标F7 评价方法 用计算工位有效时间占有率评价 评价标准 工位有效时间占有率 70 8 生产线整体效率 生产线整体效率是一条生产线上所有操作工的工位效率的综合 评价方法 按上述七项指标 对每一个操作工及其工作的工位逐一评价 从而得出每个操作工的工位效率7项指标 计算生产线 或区域 所有操作工的工位效率指标中符合目标项的百分比 评价指标 符合目标项的百分比 90 第六节车身焊装工艺 为了适应车身焊装高效 高精度 多种车型共线柔性化生产的需要 汽车焊装工艺常根据车身总成部件结构特征的不同 将数百个焊装工序归类后分为若干个作业区 如 车身分总成焊装生产作业区 车身主焊装生产作业区 车身门盖生产作业区和白车身总成调整区等 由于各汽车制造公司的具体情况存在一定的差异 因此其作业区的划分会略有不同 下页是某汽车制造公司的焊装车间焊装作业区划分与工艺流程图 焊装车间焊装作业区划分与工艺流程图 焊装作业区与焊装工艺流程的说明 尽管常将车身焊装工艺划分为若干个区 但除白车身总成调整区外 其他各焊装作业区的焊装工艺方法均很相近 对于搭接焊接部位 大多采用电阻点焊工艺 若搭接焊焊接部位有密封要求 则采用电阻缝焊焊接方式 对于对接的缝焊 在过去 大多采用CO2气体保护焊 但现今的轿车焊装生产 则大多采用激光焊或激光复合焊 等离子弧焊 电子束焊也有应用 车身焊装工艺中还有大量的螺栓螺母的焊接 则大多采用螺柱焊和电阻凸焊 车身焊装工艺最重要的特征 先将冲压成型的零件 通常将其称为冲压件 焊装成分总成 再将分总成焊装成大总成 最后将大总成焊装成白车身 如图3 24所示 车身分总成 大总成 白车身的焊装操作如图3 25至图3 40所示 图3 24车身焊装流程图 图3 25前纵梁分总成的焊装图3 26前骨架总成的焊装 图3 27翼子板梁的焊装 图3 28前地板总成的焊装 图3 29地板总成的焊装 图3 30车身下部大总成的焊装 图3 31行李舱盖的焊装 图3 32车门内外板包边工艺 图3 33发动机罩内外般的包边工艺 a 侧围定位 b 侧围焊装操作图3 34侧围焊装 图3 35车身骨架焊装之定位装夹 图3 36车身整体焊装图1 图3 37车身整体焊装图2 图3 38车身整体焊装图3 图3 39车身顶盖的焊装 图3 40车身整体焊装线 主焊线 全景图 第七节常用焊装设备 不同的焊接方式对应着不同的焊接设备 前面述及 车身焊接所用到的焊接方式很多 不同的厂家还略有差异 尽管如此 但最常用的焊接方式各生产厂家却基本相同 主要是点焊 激光焊 混合气体保护焊 螺柱焊 凸焊等 为了提高车身焊装质量和焊装效率 轿车生产企业已大量采用自动焊接设备 无论是采用什么类型的焊接方式 自动焊接模式基本相同 几乎都是采用焊接机械手代替人工操作完成焊装工作 一 点焊机 电焊机的种类很多 按其安装方式的不同 点焊机分为固定式点焊机 悬挂式点焊机和自动点焊机三类 如图3 41 图3 42和图3 43所示 汽车车身焊接用点焊机主要是悬挂式和自动式点焊机 其中 悬挂试点焊机又有分体式和整体式之分 车身焊装生产很少采用分体式点焊机 点焊机主要由变压器 机架与夹持装置 电流控制电路等三个部分组成 普通点焊机与自动点焊机的区别在于 自动点焊机多了一套操作点焊机工作的机械手 为了达到所需的焊接效果 需对点焊电流和焊接时间进行严格准确地控制 为此点焊机都专门配有控制器 点焊控制器具有许多不同的功能 如 焊接电流控制 焊接时间控制 电网同步控制 电流递增控制 测量焊机参数 诊断或控制焊接质量等 图3 41固定试点焊机图3 42悬挂试点焊机图3 43自动式点焊机 二 电弧螺柱焊机 电弧螺柱焊机简称螺柱焊机 如图3 44所示 螺柱焊机由焊枪 时间控制器和电源等部分组成 螺柱焊枪有手持式 固定式和自动式三种 其工作原理都相同 手持式 见图3 44 和自动式 见图3 45 在车身焊接中应用较普遍 固定式通常是为某特定产品而专门设计 被固定在支架上 在工位上完成焊接 车身焊接工艺中很少采用固定式焊枪 图3 44手持式螺柱焊机图3 45自动式螺柱焊机 螺柱焊的操作应注意的问题 除去焊接表面的油污 氧化层和杂质 确保焊接表面的清洁 焊接操作时 应特别注意保证螺柱与焊接结合面的垂直度 避免焊弧分布不均 而影响焊接的牢固度 螺柱的提升高度和下沉时间对焊接质量有很大的影响 因此 在焊接操作前 应通过实验确定提升高度和下沉时间 螺柱焊常见的质量问题有焊瘤 飞溅 焊偏 错位 高度偏差等 应及时检查及时解决 三 气体保护焊机 气体保护焊有CO2气体保护焊 MAG焊 MIG焊等多种 早期主要是CO2气体保护焊 为进一步提高焊接质量 现已不再单纯采用CO2气体 而是采用80 Ar 20 CO2的混合气体或惰性气体氩 Ar 氦 He 采用二种及以上气体混合的焊接称为混合气体保护焊 采用氩 Ar 做保护气体的焊接称为氩弧焊 与之对应的分别是CO2气体保护焊机 混合气体保护焊机和氩弧焊机 此三种焊机的结构原理和焊接方法基本相同 且都有半自动焊和自动焊机两类 如图3 46和图3 47所示 图3 46半自动气体保护焊机图3 47自动气体保护焊机 气体保护焊机的基本构成 气体保护焊机主要由焊接电源 焊枪 送丝机构 供气系统 控制盒等部分组成 如图3 48所示 气体保护焊的焊接过程是 焊丝盘上的焊丝被送丝机构的滚轮送入焊枪的导丝嘴 到达焊接区后与焊接工件间保持一个合适的距离便产生电弧 气管中的保护气体经减压后以一定流量从喷嘴流出 将电弧和溶池与空气隔离开来 防止空气对焊缝金属的侵害 焊丝不断地熔化进入溶池 从而形成连续的焊缝 图3 48气体保护焊机组成图 气体保护焊的主要工艺参数 气体保护焊的工艺参数主要有 电弧电压 焊接电流 焊接速度 电感大小 焊丝伸出长度 气体流量等 工艺参数选择原则是 在保证焊接质量的前提下 尽可能提高劳动效率 并注意对飞溅 气孔 焊缝成形及焊接过程稳定性的影响 四 激光焊机 激光焊接有无填充料 有填充料和复合焊接等多种 如图所示 无论是哪一种激光焊接方式其原理都是利用激光加热被焊的工件与填充料使之熔化而实现焊接 无填充料激光焊接 有填充料激光焊接 激光 电弧复合焊接 五 工业机器人 汽车车身焊接工艺过程中所采用的各种焊接方式 目前均处在人工焊接和机械手 或称工业机器人 自动焊接二种模式共存的阶段 所谓工业机器人 英文名称是industrialrobot 简称IR 是指能够自主动作 多轴联动 可替代工人进行各种操作的机械设备 在必要情况下配备有传感器 其动作步骤包括灵活的转动和移动都由程序控制来完成 在工作过程中 无需任何外力的干预 1 工业机器人的基本构成 工业机器人通常由基体 驱动系统和控制系统等三个基本部分组成 基体包括臂部 腕部和手部 有的机器人还有行走机构 大多数工业机器人有3 6个运动自由度 其中腕部通常有1 3个运动自由度 驱动系统包括动力装置和传动机构 用以使执行机构产生相应的动作 控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号 并进行控制 2 工业机器人的运动形式 臂部的运动形式工业机器人按臂部的运动形式的不同分为四种 直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动 圆柱坐标型的臂部可作升降 回转和伸缩动作 球坐标型的臂部能回转 俯仰和伸缩 关节型的臂部有多个转动关节 执行机构运动控制工业机器人按执行机构运动控制的不同可分为点位型和连续轨迹型等二种不同的类型 点位型机器人只控制执行机构由一点到另一点的准确定位 适用于机床上下料 点焊和一般搬运 装卸等作业 连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动 适用于连续焊接和涂装等作业 3 工业机器人程序输入方式 工业机器人按程序输入方式的不同分有编程输入型和示教输入型两类 编程输入型是以穿孔卡 穿孔带或磁带等信息载体 输入已编好的程序 示教输入型的示教方法有两种 一种是由操作者用手动控制器 示教操纵盒 将指令信号传给驱动系统 使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍 另一种是由操作者直接领动执行机构 按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍 在示教过程的同时 工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时 控制系统从程序存储器中检出相应信息 将指令信号传给驱动机构 使执行机构再现示教的各种动作 示教输入程序的工业机器人又称为示教再现型工业机器人 4 智能型工业机器人 具有触觉 力觉或简单视觉的工业机器人 能在较为复杂的环境下工作 如具有识别功能或更进一步增加自适应 自学习功能 即称为智能型工业机器人 如图3 52所示 它能按照人给的 宏指令 自选或自编程序去适应环境 并自动完成更为复杂的工作 图3 52智能型焊装机器人 第八节涂胶工艺 涂胶技术是借助胶粘剂黏在固体表面上所产生的黏合力 将同种或不同种材料牢固地连接在一起的方法 黏接的主要形式有两种 非结构型和结构型 非结构黏接主要是指表面黏涂 密封和功能性黏接 典型的非结构型黏接胶包括表面黏接用胶黏剂 密封和导电胶黏剂等 结构型黏接是将结构单元用胶黏剂牢固地固定在一起的黏接 所用黏接胶的种类非常多 如金属结构胶 玻璃胶 建筑结构胶等 其主要特征是黏接点必须能传递结构应力 一 胶的分类 胶的种类很多 其分类方式亦各不相同 若按应用领域分 胶可分为工业胶 玻璃胶 建筑结构胶等 若按用途分 胶可分为嵌入胶 结构胶 密封胶 当然还有许多其它的分类 在此不一一列举 汽车焊装工艺过程中所用的胶主要是按照用途进行分类 嵌入胶 主要用于隔音 隔振等 结构胶 主要用于折边的固定 内外板的胶接等 密封胶 主要用于防水 防气 防尘等 二 涂胶的尺寸要求 车身焊装工艺过程中的涂胶 根据车型和胶接功能的不同 涂胶前的贴合间隙各不相同 具体参数见表3 5 涂胶尺寸标准表3 5 三 涂胶的位置要求 为了保证涂胶工艺的有效性 涂胶位置应符合不会被挤出 避免胶接面被腾空等基本原则的要求 下面是符合上述要求的具体图例 平面金属板与拐折板间的涂胶位置折弯金属板上的涂胶位置推荐和禁止采取的涂胶方案 1 平板与拐折板间的涂胶位置 平面金属板与拐折板间的涂胶位置应遵循的原则是 不会被挤出 的原则 涂胶的具体位置见图3 53 图3 53平面金属板与拐折板间的涂胶位置 2 折弯金属板上的涂胶位置 折弯金属板上的涂胶位置应遵循的原则是 避免胶接面被腾空等基本原则 涂胶的具体位置见图3 54 图3 54折弯金属板上的涂胶位置 3 推荐和禁止采取的涂胶方案 上面通过二个示例介绍了车身焊装工艺过程中涂胶位置应遵循的二项基本原则 为了帮助读者正确理解此原则 表3 6中给出了四个图例 其中前二项是推荐用的结构方案 后二项是禁止用的方案 无论是推荐还是禁止的结构方案 都是基于上述二项基本原则 推荐与禁止的涂胶方案表3 6 四 涂胶的方法介绍 涂胶方法有手动涂胶或自动涂胶2种 无论是手动涂胶还是自动涂胶 都禁止将刚涂完胶的带胶零件翻起或垂直存放 零件相对与地平线倾斜 40 如图3 55所示 手动涂胶在汽车制造公司的应用已越来越少 汽车制造公司大多已采用自动涂胶 图3 55涂胶零件的摆放要求 1 手动涂胶 采用手动涂胶时 应特别注意胶条在工件上的位置 为此常采用样板对涂胶嘴进行导向或借助于导向爪用零件边缘导向 焊接工艺工程中的涂胶 整个涂胶装置应进行温度控制 当焊接涂胶涉及安全与法规特性参数时 就不应采用手工涂胶 否则应有相适应的监控措施 2 自动涂胶 目前 汽车制造公司的涂胶大多采用机器人自动涂胶 在进行带安全和 或法规胶条参数的焊接涂胶时 或其它如冲焊 铆接等装配技术辅助的涂胶时 涂胶装置应带一摄像机以控制胶条的位置与宽度 每个涂胶机组的涂胶枪数量为 嵌入胶 密封胶 焊接胶同时工作最多2把涂胶枪 结构胶同时工作最多4把涂胶枪 上述数量是为了保证每把涂胶枪的最小流量 通过机器人的互锁以按顺序工作可以增加涂胶枪的数量 但要考虑涂胶枪下方排放桶的摆放位置 降级使用时 可使用与涂胶泵连接的涂胶枪 如果软管太长 则应选择带灌的涂胶枪 管网最长18米 涂胶枪软管最长6米 第九章间隙面差调整与外观返修 轿车车身上有多个开启件 如发动机罩 行李舱盖和四个车门等 开启件与周边边框的间隙应有均匀一致且合适的数值 如 3 5mm 4 0mm或4 5mm 开启件与周边边框的高度差应尽可能小 否则就会严重影响其视觉效果 车身开启件与周边边框间隙的误差及开启件与周边边框高度的差值统称为间隙面差 尽管车身上开启件装配的间隙面差是利用样架对其进行准确定位来保证的 但由于组成车身的零件不可避免会存在加工误差 在焊装过程中还会存在焊装工序误差 为此需对其进行调整与返修 焊装白车身的返修主要针对是车身覆盖件的局部变形和零件的变形 车身结构 部位 变形特征的不同 需要采用不同返修的工艺 一 零件非外观表面的返修 对非外观表面弯曲 凹凸变形的返修 采用托模返修法 即用垫铁直接置于变形部位底部 用钣金锤在另一面锤击变形部位 直至变形消除 如图3 56所示 在锤击过程中 垫铁和钣金锤的位置必须一致 垫铁的顶力大于锤击力 否则会产生新的变形 对有弧度部位 垫铁的选用也要有一定弧度 依据缺陷的实际情况进行选择 才能保证返修后的质量 对焊穿 开裂 缺料等缺陷的返修 可用先在缺陷部位补焊 对开裂缺陷返修时 必须先在开裂处首末端钻孔后才能进行补焊 再用D50打磨机将其打磨平整 图3 56零件非外观表面变形的返修 二 外观面上缺陷的返修 白车身总成在总装装配后无法遮盖 用户可以直接看到的部位都是外观面 依据用户发现缺陷可能性的大小 车身外观面又分为外1 外2 内1 内2等区域 在外1 内1区域必须消除C级缺陷 目前用户对车身质量的关注不仅仅在于功能 对外观的要求也越来越高 为此需要与之对应的返修的方法和技巧 1 车身外观返修常用的工具 记号笔 是在检查外观时对其所发现的缺陷进行100 标识 以保证后续返修不遗漏缺陷 钣金锉 用于缺陷部位的检测及矫平 钣金锤 用于对凸包或在返修时略高于镀锌层凸点进行敲击矫正 使缺陷平整 钣金钩 用于对凹坑及尖坑部位修复 将其校正到略高于镀锌层表面便于返修 150抛光机 对返修部位的缺陷 飞溅 划痕等 进行抛光处理 使钢板平滑 178打磨机 对钣金锉无法使用的部位进行检查和整形 60打磨机 主要用于对补焊后的缺陷部位进行打磨返修 多功能焊机 对小的凹陷及划痕进行矫正 对韧性较高的钢板进行碳化 使其硬度变高以利于返修 钻枪 用于钢板的钻孔 2 常见的外观缺陷及返修方法 焊接白车身常见