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車身焊接技術現狀及發展趨勢

2018-12-08

車身制造常用的 焊接技術如電阻焊、 電弧焊、 激光焊,以及 焊接機器人技術,并分別對電阻焊、電弧焊、 激光焊接技術的具體分類、應用設備及發展前景進行研究,對比分析其工作原理及技術特點,以及各焊接技術在車身制造中的應用。
1 前言
目前國內汽車廠家采用的車身焊接技術主要是電阻焊、電弧焊、激光焊。在車身制造中應用最多的為電阻焊接技術,通過 電阻點焊技術將數目眾多的薄板零件連接起來形成白車身總成。由于 汽車車身結構復雜,在有些部位難以實現點焊,或由于零件裝配問題,厚度相差太大等因素,為了完成不同零件之間的連接,少數位置采用了電弧焊接技術。
激光焊接技術在車身制造領域應用的時間比較短,但由于其優點較多,目前已經在國外汽車公司得到大量應用,國內有些主流汽車廠家也在逐步采用。
2 電阻焊技術
電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間,通以電流,利用電流流經工件接觸面及鄰近區域生產的電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態,使之形成金屬結合的 焊接方法。電阻焊主要分為點焊、凸焊、縫焊、對焊。在車身制造領域應用最多的電阻焊技術是點焊,其次是凸焊,在車身制造中沒有應用縫焊及對焊技術。
2.1 點焊技術
點焊(圖1)由于生產效率高、操作簡單、焊接變形小、易于實現機械化和自動化等優點,在車身制造中應用最為廣泛;目前點焊工藝依然是國內外各大轎車廠家車身焊接方法中最重要的方法。通常一個轎車車身有3 000~5 000個焊點。焊點的裝配關系主要有兩種:兩層鋼板和三層鋼板;四層鋼板焊接在少數情況也可以獲得合格的焊點,但其對鋼板強度、鋼板厚度及裝配關系的要求很高,且焊接時飛濺大,焊點壓痕深,焊點疲勞強度有所下降,因此四層鋼板點焊需要謹慎使用。
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電阻焊是電能轉化為熱能的焊接方法,計算公式如下。
Q=I 2 RT 式中,Q為產生的熱量;I為焊接電流;R為焊接電阻;T為焊接時間。
焊接電阻包括電極與工件之間的接觸電阻、工件與工件之間的接觸電阻、以及工件本身的電阻。其中接觸電阻與焊接壓力有直接的關系,要獲得合格的焊點,需要合適的焊接壓力。形成一個合格焊點需要三個主要因素,即焊接電流、焊接時間和焊接壓力。每個焊點的具體焊接參數值由鋼板厚度、鋼板強度、鋼板鍍層情況及鋼板裝配狀態等因素綜合決定。焊點質量水平是衡量車身質量的重要指標,影響焊點質量的因素較多,即零件裝配狀態、鋼板鍍鋅層厚度、焊點間距、零件結構、電極對中狀態、焊鉗冷卻狀態、電
極帽修磨狀態、夾具是否分流、程序轉換開關是否失效、焊接參數值是否合理等,在出現焊接質量問題時,應需從多方面進行分析 [1] 。
2.2 點焊設備
目前,點焊的設備類型主要分為兩大類:手工焊鉗和 機器人焊鉗。
手工焊鉗(圖2)的主要元件包括阻焊變壓器、焊鉗控制器、氣缸、鉗體、鉗臂、水電氣管等。手工
焊鉗分為分體式手工焊鉗和一體式手工焊鉗。分體式手工焊鉗,其阻焊變壓器與鉗體分離,中間采用較長的次級電纜相連接,能耗比較高,價格便宜,前些年在國內汽車廠家應用十分廣泛;由于不符合節能環保的要求,能耗高,次級電纜容易損壞,近些年逐步被淘汰。一體式手工焊鉗,其阻焊變壓器與鉗體直接連接,無次級電纜損耗,價格稍高,但由于其節能、效率高、易于操作等特點,最近幾年已經在國內主流汽車廠家得到大量采用。手工焊鉗無論分體式還是一體式,焊鉗控制器都采用了微處理器技術,根據鋼板零件裝配情況可以對焊接電流、焊接壓力、焊接時間、電流遞增臺階、電極修磨記數等參數值進行設置;其中一體式焊鉗的控制器最多可以設置64套焊接參數程序,利用焊接參數程序轉換開關,一把焊鉗可以焊接多種不同裝配的焊點;且控制器具有故障自診斷功能,當設備出現故障時,控制器會出現故障代碼,極大地提高了設備維修效率。
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機器人焊鉗也分為兩類:氣動機器人焊鉗和 伺服電機機器人焊鉗。氣動機器人焊鉗由氣缸、鉗體、阻鉗變壓器、具有補償功能的浮動機構、上下電極組件及電極等部件組成。通過壓縮空氣驅動氣缸進而帶動焊鉗上下電極夾緊至預先設定壓力以完成焊接動作。由于氣動焊鉗在焊接加壓時無法精確控制電極移動速度,對工件沖擊較大,容易使工件產生變形、焊接飛濺、焊接時噪音較大等缺點,已經逐步被伺服電機機器人焊鉗(圖3)所取代。伺服電機焊鉗與氣動焊鉗主要區別在于伺服焊鉗焊接壓力采用的是伺服電機驅動,用伺服電機代替氣動焊鉗中的氣缸。伺服電機輸出的是旋轉運動,通過 滾珠絲杠轉化為焊鉗電極的上下運行。在伺服焊鉗機械結構中滾珠絲杠是最重要的機械元件,由絲杠、螺母、滾珠等零件組成,具有驅
動力矩小、精度高、可實現低速進給及高速進給、剛性高、可逆性強等特點,保證了伺服焊鉗功能的實現。.
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2.3 凸焊技術
在車身制造領域中凸焊技術主要應用于焊接螺釘,螺母類零件或小件;通常情況下,單個車身使用的螺釘或螺母件數量超過兩百個。凸焊實際上是點焊的一個變形,通常在螺釘或螺母上沖出凸點或凸環,或在小件上沖出凸點。凸焊焊接時由于電流集中,克服了點焊時因零件厚度不同而造成的熔核偏移,零件的厚度比可以超過6∶1,而點焊工藝不同零件的厚度比通常不超過4∶1。凸焊時,電極要隨著凸點或凸環被壓潰而迅速下降,否則會因為壓力上升緩慢產生噴濺或炸電極,因此凸焊設備的電極隨動性要好。在對螺釘或螺母類零件進行焊接時,焊接參數值通常采用大電流,焊接時間短,否則會容易導致螺紋變色,精度下降等問題。在焊接直徑為8 mm的凸環螺釘時,焊接電流需達到30 000 A,凸焊設備功率要比常用點焊
設備功率大的多。
2.4 電阻焊接技術的發展趨勢—中頻電阻焊
目前汽車車身的發展方向是“輕量、安全、節能”,為此鍍鋅鋼板、高強度鋼板、鋁合金、鎂合金
等新材料越來越廣泛地應用在車身制造中。傳統的工頻電阻焊技術已經難以滿足新材料的焊接要求。使用傳統的工頻電阻焊設備焊接鍍鋅鋼板和高強度鋼板,容易造成焊接飛濺,電極粘連,焊接毛刺等缺陷。中頻電阻焊由于動態響應速度快、控制精度高、焊接電流脈動小、加熱集中、焊接質量穩定等優點,能夠很好滿足鍍鋅鋼板和高強度鋼板焊接的技術要求,正在逐步應用在車身制造中。
中頻電阻焊機工作原理,由三相交流電(380 V/50 Hz)經整流電路和濾波電容轉換成 500 V 左右脈動直流電,再經由功率開關器件組成的逆變電路轉換成中頻方波(1 000 Hz),然后輸入變壓器降壓后,經大功率二極管整流成直流電供給電極對工件進行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調制(PWM)獲得穩定的恒電流輸出。中頻直流電阻焊機工作原理見圖4。
車身焊接技術現狀及發展趨勢
a.與工頻交流電流相比,由于中頻逆變直流電流沒有明顯的峰值電流,電流波形平直,減少了焊接飛濺,提高了焊接質量。
b.三相負荷均衡,不受電網波動的影響,即使在網壓波動+15%情況下,仍可將焊接電流精度控制在2%以下,且功率因素高。
c.中頻變壓器體積小、質量輕,輸入熱量低,便于使用一體化焊鉗。尤其運用于機器人點焊操作時,可減輕機器人的負荷,而使用工頻焊接控制器時則需要載荷能力更大的機器人。
d.中頻焊接控制器的調節反饋控制周期為千分之一秒,響應速度是工頻焊接控制器的20倍,能瞬時分析及調整焊接參數,焊接質量控制更精確 [2] 。
根據現場經驗可知,中頻電阻焊的焊接質量得到提高,焊接飛濺有大幅度的下降;不過能耗降低及 電極帽壽命延長的優點并沒有能夠體現出來。
3 電弧焊技術
電弧焊在車身制造應用時工件容易變形,尺寸不易控制,通常只有在難以實現點焊工藝的時候,才使用電弧焊技術來實現零件的連接。目前國內大多的汽車整車廠采用電弧焊工藝熔化極 氣體保護焊,它包括 CO 2 氣體保護焊、MAG 焊、MIG焊。
除了熔化極氣體保護焊之外,還有一種特殊的電弧焊工藝,即 電弧螺柱焊。
3.1 熔化極氣體保護焊
熔化極氣體保護焊是采用連續等速送進可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬,形成熔池和焊縫的焊接方法。根據不同的保護氣體和焊絲,熔化極氣體保護焊分為CO 2 氣體保護焊、MAG焊(保護氣體為氬氣加少量 CO 2 或 O 2 ),及 MIG 焊(保護氣體為氬氣或氦氣)。
由于CO 2 氣體保護焊具有焊接速度快,成本低及易與全位置焊接等特點,在大多數汽車廠家應用最廣泛,其缺點為飛濺大、煙塵大、焊縫成型不良、沖擊韌性低。與CO 2 氣體保護焊相比,MAG焊電弧燃燒穩定,飛濺小,焊縫成型美觀,沖擊韌性好;同時還克服了純氬氣保護時的表面張力大,液體金屬粘稠等問題。由于保護氣體成分主要是氬氣,MAG 焊的使用成本比 CO 2 氣體保護焊的使用成本要高。MAG焊和CO 2 氣體保護焊的焊絲通常采用 H08Mn2SiA,低碳鋼中填加了硅錳元素以補償電弧燃燒時引起的焊縫合金元素的燒損。轎車車身零件厚度通常在 0.67~3.0 mm 之間,對于厚度小于1.0 mm的工件來言,使用MAG焊容易引起工件燒穿現象;為了減少工件燒穿現象的發生,一些汽車廠家在厚度小于 1.0 mm 的工件上采用了MIG焊。MIG焊的焊絲成分為銅鋁合金,保護氣體為純氬氣。MIG 焊和 MAG 焊不同點為 MAG 焊是熔焊,而MIG焊是高溫釬焊,在焊接過程中,通常工件(低碳鋼)不熔化,鋁青銅焊絲熔化滴到工件接口,熔化的金屬液體填充到工件縫隙中。從使用的效果來看,MIG 焊在焊接厚度小于 1.0 mm 的工件時,避免了工件易燒穿現象。使用 MIG 焊接工件,成本比較高,且釬焊焊接接頭強度不如熔焊接頭。
對于熔化極氣體保護焊來說,如何精確控制熔滴過渡,減少或避免飛濺問題,一直是廣大焊接工作者關心和研究的問題。隨著焊接電源從電磁控制式發展到逆變式,這個問題得到了很大的改善。電磁控制式焊接電源是利用電感效應來調節焊接過程中電流、電壓,動態響應速度慢;逆變電源是利用電子電容器來控制焊接過程中電流、電壓的變化,動態響應速度很快,可以實時控制熔滴過渡過程,最大限度地避免飛濺現象。目前國內外電焊機廠家開發出了各具特色,性能優異的逆變弧焊機。
3.2  螺柱焊
螺柱焊接具有快速,可靠、操作簡單等優點,可以替代鉚接、鉆孔等工藝。國內某汽車廠家的一個車身,螺柱使用量達到200個。螺柱焊主要有儲能式(電容放電)和拉弧式兩種方式。 儲能式螺柱焊,焊接時間、焊接電流不可調,熔深很淺,在汽車行業的應用很少。目前汽車行業應用最多的是 拉弧式螺柱焊,螺柱接觸工件后,扣動 焊槍開關,螺柱被拉起,離開工件,然后工件與螺柱之間產生電弧,電弧產生的熱量熔化螺柱頂部法蘭和工件表面,隨后螺柱下降浸入工件表面形成的熔池里,設備斷電,熔池冷卻形成焊接接頭,焊接完畢。焊接過程見圖5。螺柱焊接時間非常短,以 ms 為單位,通常在20~40 ms之間,汽車行業采用的這種 螺柱焊接工藝也稱為短周期螺柱焊。
車身焊接技術現狀及發展趨勢
螺柱焊設備焊接電源現在以逆變式電源為主,已經基本替代了晶閘管控制弧焊整流器電源。 螺柱焊槍已經從氣動發展到電動,可通過彈簧的伸縮來控制螺柱的提升、下降過程,發展到伺服電機控制螺柱的運動,精確控制螺柱的運動行程,提高了螺柱焊接質量?,F在 螺柱焊接技術發展較快,自動化程度高,廣泛采用了計算機技術、模糊系統、專家系統程序等智能控制系統技術。螺柱焊設備不僅能精確設置和記錄、儲存焊接參數,而且能對焊接過程進行實時檢測,具有故障自我診斷專家系統,并能自動調節焊接參數,以保證焊接質量;且1臺焊接主機可以最多帶5把焊槍工作,極大地提高了焊接主機的利用率 [3] 。
國內汽車行業的 螺柱焊機主要依靠進口,存在價格高、維修成本高的問題。目前通過國內焊接技術人員的不斷攻關,深圳和天津已經有焊機設備廠家研制出可用于汽車行業使用的螺柱 焊接設備,螺柱焊接質量可以滿足生產要求;填補了國內螺柱焊設備制造領域的空白。
4 激光焊接
由于激光焊接具有能量密度高、工件變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動控制、無后續加工的優點,近年來已經成為金屬材料加工與制造的重要手段。越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業、造船、海洋工程、核電設備等工業領域。
汽車制造領域是當前最大規模使用激光焊接技術的行業,從汽車零部件生產到車身制造,激光焊接已經成為汽車制造的重要焊接方法。激光焊接在汽車車身制造中的應用主要包括激光拼焊板、激光釬焊、激光熔焊。
4.1 激光拼焊板
激光拼焊板技術根據車身不同部位的性能要求,選擇強度等級相同或不同,厚度不同的鋼板,通過激光裁剪和拼焊在一起,然后再沖壓成車身零件。激光拼焊技術優點為減少了零件及模具的數量、縮短設計及開發周期、減少材料浪費;合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板,減少車身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高車身結構剛度和安全性 [4] 。
蒂森克虜伯公司與大眾公司合作,最早把此項技術應用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止,世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術,所涉及的汽車結構件如行李箱加強板、行李箱內板、減震器支座、后輪罩、側圍內板、前地板、前縱梁、保險杠、橫梁、輪罩、車門內板、中立柱等 [5] 。圖6所示為車身某些部位的激光拼焊板。
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4.2 激光釬焊
激光釬焊也稱激光填絲釬焊,其基本原理為激光發生器發出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱,使焊絲受熱熔化(工件未熔化)成高溫液態金屬浸潤工件連接處,填充接頭間隙與工件結合,液態金屬冷卻后,形成焊縫,見圖7 [6] 。通常采用的焊絲為直徑1.2 mm的CuSi 3 焊絲,其熔點950 ℃左右,被焊工件為低碳鋼鍍鋅板(鋼板熔點 1 400 ℃以上),在焊絲熔化的情況下,工件不熔化。
車身焊接技術現狀及發展趨勢
激光釬焊目前主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等車身的可視工件焊接中。很多主流汽車廠家在中高檔車型中都應用了此項技術,國內某車型激光釬焊應用見圖8。以頂蓋的激光釬焊為例,與電阻點焊相比的主要優點如下。
a.搭接凹槽長度由 40 mm 減少到 5 mm 以內,減輕了車身質量,可以節能降耗。
b.頂蓋單側的激光釬焊縫通常在1.5 m左右,是連續的金屬連接,提高了車身的連接強度,進而增強了車身安全性。
c.點焊需要涂膠工藝,激光釬焊不需要涂膠工藝,在減少工藝內容的同時降低了制造成本。
d.搭接凹槽無須使用裝飾條,減少了零件數量,降低了制造成本,提高了車身的美觀度。
e.由于是局部加熱,工件熱影響區小,提高了車身安全。
f.正離焦方式加熱,加熱帶寬,無飛濺,填充劑熔化后自然浸潤,焊縫外觀質量良好。

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