簡(jiǎn)析汽車(chē)白車(chē)身焊接工藝

陳炳輝，俞愛(ài)蘭

（江西五十鈴汽車(chē)有限公司，江西 南昌 330010）

汽車(chē)是人們常用的交通工具，白車(chē)身焊接的質(zhì)量直接影響汽車(chē)的整體性能，如車(chē)輛外觀、風(fēng)噪、震動(dòng)等參數(shù)。汽車(chē)白車(chē)身由上百種沖壓件通過(guò)焊接、鉚接等方式連接而成，因此，白車(chē)身焊接工藝顯得尤其重要，是改善汽車(chē)質(zhì)量的重要因素，本研究從汽車(chē)白車(chē)身焊接工藝、設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析，并對(duì)焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 白車(chē)身焊接工藝的設(shè)計(jì)條件

為便于焊接工藝的設(shè)計(jì)，需具備以下條件。

1）白車(chē)身3D 數(shù)模。在汽車(chē)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，一般使用CATIA、UG 和Pro/E 等3D 軟件打開(kāi)數(shù)模獲取數(shù)據(jù)。在汽車(chē)白車(chē)身焊接工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，整個(gè)白車(chē)身數(shù)模是由各零部件數(shù)模組裝而成，可從數(shù)模中得到車(chē)身結(jié)構(gòu)尺寸與零部件間的位置關(guān)系等信息。此外，還可通過(guò)車(chē)身數(shù)模制作出各種2D圖紙等[1]。

2）白車(chē)身零部件清單，包含各零部件名稱(chēng)、圖號(hào)、數(shù)量和層級(jí)等信息。

3）整套產(chǎn)品圖紙，包含各零部件定位信息、焊點(diǎn)分布和數(shù)量等內(nèi)容。

4）樣件、樣車(chē)。包括白車(chē)身分總成、大件總成以及沖壓件等物料[2]。

以上四種要素是保證焊接工藝設(shè)計(jì)具備合理性的前提，因此必須引起相關(guān)設(shè)計(jì)人員的重視。

2 白車(chē)身焊接工藝

2.1 電阻焊工藝

電阻焊在汽車(chē)制造工藝中使用較多，具有高速、低損耗、變形小和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化的優(yōu)勢(shì)，一般汽車(chē)的焊點(diǎn)數(shù)為4 000～6 000 個(gè)。電阻焊是通過(guò)兩個(gè)電極的電極力夾緊被焊工件，然后通電，在工件間產(chǎn)生電阻熱，使其接觸面及鄰近區(qū)域材料熔化，冷卻后形成可靠點(diǎn)的一種方法。

1）電阻焊焊接過(guò)程。①預(yù)壓：電極下降壓緊被焊工件，使工件間有適當(dāng)壓力。②通電：焊接電流通過(guò)工件，使焊接處產(chǎn)熱形成熔核。③斷電：切斷電流，此時(shí)電極繼續(xù)保持壓力，直至熔核冷卻到一定強(qiáng)度。④斷壓：電極松開(kāi)脫離被焊工件。

2）電阻焊的缺陷。①鈑金焊穿。當(dāng)電極或工件上有污物、工件存在銹蝕或電壓不穩(wěn)定時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生鈑金燒穿問(wèn)題。②焊點(diǎn)表面過(guò)熱。當(dāng)電流過(guò)大、電極壓力過(guò)大或通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)產(chǎn)生焊點(diǎn)表面過(guò)熱問(wèn)題。③焊點(diǎn)徑向裂縫。直接原因是板材金屬特性，間接原因有焊接壓力高、電極使用時(shí)間長(zhǎng)、電極頭部面積小、保壓時(shí)間短。④焊點(diǎn)虛焊。主要原因有電流太小、焊接時(shí)間短、電極壓力過(guò)大、電極不對(duì)中、電極水冷不良。⑤焊點(diǎn)表面發(fā)黑。產(chǎn)生原因主要為電極表面存在雜質(zhì)，也可能是電極壓力不足造成。

3）加強(qiáng)焊接參數(shù)和焊點(diǎn)質(zhì)量過(guò)程管控可避免電阻焊時(shí)出現(xiàn)缺陷。①定期對(duì)焊機(jī)參數(shù)（電流、壓力和時(shí)間）進(jìn)行檢查。對(duì)焊機(jī)設(shè)置了焊接參數(shù)后，一般按照1次/月的頻次覆蓋所有焊機(jī)檢查參數(shù)符合性。②定期對(duì)電極頭修挫。手工焊鉗的電極頭一般按照300個(gè)/次焊點(diǎn)頻次進(jìn)行修挫。③定期對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行檢查。每天開(kāi)班前進(jìn)行試片撕裂試驗(yàn)，作業(yè)過(guò)程中按照10 臺(tái)/次的頻次進(jìn)行焊點(diǎn)撬鏨。

2.2 氣體保護(hù)焊工藝

氣體保護(hù)焊是使用惰性氣體保護(hù)電弧和焊接區(qū)域，以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為熔化電極的電弧焊方法，簡(jiǎn)稱(chēng)MIG（Metal Inertia Gas）焊。在白車(chē)身鈑金焊接和維修作業(yè)中，氣體保護(hù)焊是常用的方法之一，它主要應(yīng)用于不銹鋼、鋁鎂合金和耐熱合金等一些活性較強(qiáng)金屬的焊接。氣體保護(hù)焊的主要缺陷和預(yù)防措施如下。

1）焊接飛濺。飛濺是氣體保護(hù)焊一種常見(jiàn)的情況，當(dāng)焊絲含碳量過(guò)高、導(dǎo)電嘴磨損嚴(yán)重或電壓選擇不當(dāng)時(shí)，飛濺會(huì)增多，因此應(yīng)通過(guò)選擇優(yōu)質(zhì)焊絲、更換導(dǎo)電嘴、調(diào)節(jié)電壓等方式減少焊接飛濺。

2）氣孔。氣體保護(hù)焊氣孔產(chǎn)生的原因主要有工件表面不干凈、保護(hù)氣純度不夠和水分太多、氣體流量不夠等。采用氣體保護(hù)焊工藝前通常需徹底清理工件表面銹水油、采取擋風(fēng)措施降低空氣對(duì)流和更換氣體等方式防止氣孔產(chǎn)生。

3）裂紋。氣體保護(hù)焊裂紋產(chǎn)生的主要原因有工件或焊絲中磷、硫含量高，錳含量低以及焊接參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)?。通常采用控制工件和焊絲的磷、硫等含量，選擇合適的焊接參數(shù)，焊前預(yù)熱和焊后消氫處理的方式避免焊接裂紋。

4）未焊透。氣體保護(hù)焊未焊透的主要原因有焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、焊接過(guò)程搖動(dòng)不均勻、工件坡口角度太小、根部間隙小等，可通過(guò)選擇合適的焊接參數(shù)、提高員工操作技能和保證工件坡口角度等措施來(lái)避免未焊透問(wèn)題。

5）咬邊。咬邊產(chǎn)生的原因主要是工件邊緣或工件與焊縫交界處，在焊接時(shí)由于熱量集中、溫度太高產(chǎn)生的凹陷，可通過(guò)選擇合適的焊接參數(shù)、提高員工操作技能來(lái)避免。

2.3 激光焊工藝

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，將高能量的激光束輻射至被焊工件的表面，被焊工件吸收能量熔化后冷卻結(jié)晶完成焊接[3]。與電阻焊相比，具有強(qiáng)度高、速度快和變形小等顯著優(yōu)勢(shì)，可以將強(qiáng)度等級(jí)、厚度和鍍層不同的材料拼接在一起，優(yōu)化材料選型。隨著汽車(chē)工業(yè)的輕量化和高強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)，激光焊接在鋁合金和不銹鋼等材料中得到廣泛應(yīng)用。

2.4 攪拌摩擦焊工藝

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）源自于20 世紀(jì)90 年代，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)鉆頭與金屬件摩擦的熱量熔化部分被焊材料，被焊材料在鉆頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。與其他焊接技術(shù)相比，攪拌摩擦焊具有所需熱源低、無(wú)需保護(hù)氣和焊條等材料優(yōu)勢(shì)。另外，焊接過(guò)程中無(wú)飛濺和煙塵，可有效避免焊接裂紋和氣孔等質(zhì)量缺陷[4-6]。目前攪拌摩擦焊工藝主要用于鋁鎂合金焊接。

3 白車(chē)身焊接工藝設(shè)計(jì)分析

3.1 白車(chē)身總成拆分

汽車(chē)白車(chē)身由上百種沖壓件通過(guò)焊接、鉚接等方式連接而成，同一類(lèi)型的車(chē)身最終合拼時(shí)主要由五門(mén)一蓋、機(jī)艙、地板、側(cè)圍和頂蓋等大總成組成，由于設(shè)計(jì)時(shí)需考慮廠房面積和節(jié)拍等因素，所以同一類(lèi)型車(chē)的各總成間連接順序與連接方式還是存在差異。因此，為保證車(chē)身的焊接組裝工作，需合理地拆分模塊。

3.2 確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

由于車(chē)身尺寸的擬定、制造和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)都需要建立在同一個(gè)定位體系中，因此在車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通常將焊接、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)以及總裝配所需遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌考慮[7-8]。只有確保都建立在同一技術(shù)基準(zhǔn)的前提下，避免設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、沖壓基準(zhǔn)、焊裝基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)等基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)焊接車(chē)身時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸和外觀幾何形狀完全符合。確定基準(zhǔn)時(shí)需注意基準(zhǔn)的統(tǒng)一性、基準(zhǔn)必須滿(mǎn)足工件精定位的要求、基準(zhǔn)要有利于測(cè)量操作、基準(zhǔn)要有利于焊接操作等方面要求。此外，還應(yīng)明確白車(chē)身裝配設(shè)計(jì)的幾何基準(zhǔn)。幾何基準(zhǔn)主要指零部件的某一個(gè)顯眼位置，以此來(lái)確定其在三維坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的理論數(shù)值。零部件幾何基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性很大程度上影響著車(chē)身裝配幾何形狀的精度，所以需重視白車(chē)身幾何基準(zhǔn)的確定，設(shè)計(jì)人員在焊接設(shè)計(jì)前，需詳細(xì)研究各部件基準(zhǔn)，確定基準(zhǔn)并發(fā)布在基準(zhǔn)數(shù)模中[9-10]。

3.3 確定裝配順序

為滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)，車(chē)身焊接過(guò)程中各個(gè)零件或總成都需要嚴(yán)格按照相關(guān)的順序來(lái)進(jìn)行，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需確定每個(gè)零部件的裝配順序，從而保證焊接過(guò)程能有效實(shí)施。

3.4 分析焊點(diǎn)

白車(chē)身的連接有焊接和鉚接等方式，焊接的焊點(diǎn)在白車(chē)身連接方式中占據(jù)很大的比例，為保證連接強(qiáng)度和車(chē)身精度，在白車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)需先對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，如焊點(diǎn)分布、數(shù)量和重要度等[11]。汽車(chē)白車(chē)身焊接過(guò)程中受到工裝設(shè)備布置空間和生產(chǎn)節(jié)拍的限制，難以一次性完成全部焊接工作，常需要通過(guò)分層焊接以及補(bǔ)焊的方式，在這個(gè)過(guò)程中，需要確定定位焊點(diǎn)來(lái)保證工件尺寸的精度，確保各零部件總成或白車(chē)身的尺寸精度都符合要求，之后再采用補(bǔ)焊方式完成所有的焊接。

4 白車(chē)身焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，白車(chē)身焊接將有更多的技術(shù)得到開(kāi)發(fā)，從目前車(chē)身焊接技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，汽車(chē)車(chē)身焊接技術(shù)將朝新材料應(yīng)用、自動(dòng)數(shù)字化等方面發(fā)展。

4.1 新材料應(yīng)用

隨著汽車(chē)工業(yè)的輕量化和高強(qiáng)度的發(fā)展，汽車(chē)制造也逐步趨向于采用新型的優(yōu)質(zhì)鋼、復(fù)合材料和合金材料來(lái)減少車(chē)身重量。這些新材料的應(yīng)用給車(chē)身焊接帶來(lái)了更高的要求，因此在焊接作業(yè)中需科學(xué)分析焊接材料，并采用相適應(yīng)的焊接方法。

1）優(yōu)質(zhì)鋼。優(yōu)質(zhì)鋼具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)和回彈小等顯著優(yōu)勢(shì)，但塑性溫度區(qū)間較窄，給焊接增加了困難[12]。實(shí)際焊接過(guò)程通常使用脈沖點(diǎn)焊、中頻電焊等方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)鋼焊接。

2）復(fù)合材料。目前汽車(chē)行業(yè)使用較多的復(fù)合材料為碳素纖維復(fù)合材料，使用該材料的零部件重量可減少約50%[13]，能有效減輕車(chē)身重量。不同于傳統(tǒng)材料焊接方法，碳素纖維復(fù)合材料通過(guò)樹(shù)脂傳遞模進(jìn)行局部塑性。

3）合金材料。在汽車(chē)白車(chē)身制作中，目前應(yīng)用較多的合金材料主要有Al 合金、Mg 合金和Ti 合金等。合金材料在白車(chē)身的應(yīng)用，增加了白車(chē)身的焊接難度，目前通常采用鉚接焊接、摩擦攪拌焊和TIG 等焊接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)合金材料的焊接[14]。

4.2 自動(dòng)數(shù)字化

傳統(tǒng)的手工焊接方式效率低，且焊接精度較差，對(duì)于汽車(chē)行業(yè)而言，自動(dòng)數(shù)字化將成為未來(lái)汽車(chē)焊接發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。自動(dòng)數(shù)字化能收集處理很多復(fù)雜信息，在無(wú)人或少人狀態(tài)下完成焊接工作。通過(guò)自動(dòng)數(shù)字化生產(chǎn)，可降低對(duì)人的依賴(lài)，節(jié)約人力成本，且能夠系統(tǒng)高效地完成生產(chǎn)，提升效率，使用更短的時(shí)間創(chuàng)造更多的價(jià)值，提高產(chǎn)能[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)白車(chē)身的焊接精度直接影響汽車(chē)的整體質(zhì)量，因此在汽車(chē)制造過(guò)程中，要重視白車(chē)身焊接工藝的設(shè)計(jì)。需嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范，綜合考慮各種因素，不斷提升焊接工藝水平，完善焊接設(shè)計(jì)方法，才能夠確保焊接工藝滿(mǎn)足白車(chē)身的精度要求，使白車(chē)身的焊接達(dá)到理想的效果，提升汽車(chē)安全性和穩(wěn)定性。此外，還需堅(jiān)持創(chuàng)新的理念，推動(dòng)汽車(chē)焊接技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)車(chē)身焊接技術(shù)的發(fā)展。