先进汽车焊接技术先进的车身焊接技术

王广勇

(神龙汽车公司，湖北 武汉 430056)

0 前言

为了满足汽车行业“节能环保、安全性、轻量化”的发展趋势，镀锌钢板、高强度钢、铝合金、镁合金等新材料越来越广泛地应用在汽车车身制造中。以工频电阻焊为主，辅以MAG或CO2气体保护焊的传统车身焊接技术，已难以满足新材料的焊接技术需求。为此，各种先进焊接技术越来越多地应用在汽车制造中。

1 中频电阻焊

目前国内外主流整车厂的汽车车身焊接仍然以电阻点焊为主，随着镀锌钢板、低合金高强度钢的大量使用，使用传统的工频电阻点焊设备容易造成焊接飞溅、焊接毛刺、工件与电极粘连、电极消耗量大等问题。中频电阻焊因动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、加热集中、焊接质量稳定等优点，能够很好满足镀锌钢板和低合金高强度钢板焊接的技术要求，正在逐步应用在车身制造中。

20世纪80年代，中频逆变电阻焊设备开始出现，经过20多年的发展，中频电阻焊接技术已经相当成熟；最近几年，国内外有不少电阻焊设备厂家已经推出性能完善的中频电阻焊接设备，有资料表明：国外部分汽车厂家40%以上的机器人焊钳采用了中频电阻焊接技术[1]。近几年，国内有些汽车主机厂家也开始把中频电阻焊接设备应用在车身焊接中。

1.1 中频电阻焊机工作原理

由三相交流电（380 V/50 Hz）经整流电路和滤波电容转换成约500 V脉动直流电，再经由功率开关器件组成的逆变电路转换成中频方波（1000 Hz），然后输入变压器降压后，经大功率二极管整流成直流电供给电极对工件进行焊接。逆变器通常采用电流反馈脉宽调制（PWM）获得稳定的恒电流输出，如图1所示[2]。

1.2 中频电阻焊的优点

（1）中频逆变直流电流与工频交流电流相比，由于没有明显的峰值电流，电流波形平直，减少了焊接飞溅，提高了焊接质量。（2）三相负荷均衡，不受电网波动的影响，即使在网压波动+15%情况下，仍可将焊接电流精度控制在2%以下；功率因数高。（3）中频变压器体积小、质量轻，输入热量低，便于使用一体化焊钳。尤其运用于机器人点焊操作时，可减轻机器人的负荷，而使用工频焊接控制器时则需要载荷能力更大的机器人。（4）中频焊接控制器的调节反馈控制周期为千分之一秒，响应速度是工频焊接控制器的20倍，能瞬时分析和调整焊接参数，焊接质量控制更精确。

1.3 焊接质量控制技术新进展——中频自适应控制技术

电阻焊接质量监控方式主要有：恒电压控制、恒电流控制、超声波控制、表面温度与红外辐射法等。实际生产中应用最广泛的是恒电流控制方式：将二次回路的电流通过电流传感器采样后，作为反馈量送回焊接控制器，焊接控制器再根据所得到的反馈量与设定的电流值进行比较，输出调节量，以保证次级电流恒定。可以说，对于电阻焊机这种控制是一种全闭环控制。但对于焊点质量来讲，它就是一个开环控制，并且控制期间没有任何直接或间接来自焊接质量的反馈信号，因此不能完全保证焊点质量。而焊接过程中影响质量的干扰因素很多，主要包括焊点间距、钢板间隙、电极冷却状态、工件形状、电极修磨状态、电压波动、镀层厚度变化等。为了在焊接过程中应对各种干扰因素对焊接质量的影响，焊接技术研究人员开发出了中频自适应控制技术。

中频自适应控制技术是在中频阻焊变压器二次侧直接测量整个焊接过程中的二次电流和二次电压，依此计算出动态电阻（点焊过程中，上下电极之间的等效电阻），根据动态电阻的变化，调整焊接电流和焊接时间。

目前车身钢板主要有两大类：普通低碳钢板和低合金高强度钢板。它们在点焊过程中的动态电阻具有显著特征：先下降，后上升，再下降；呈现的电阻曲线特征如图2所示。

图2 低碳钢点焊过程中的动态电阻曲线

AB段：工件受热紧密接触，接触电阻迅速下降，曲线陡降，动态电阻下降。焊接区域的金属温度增加，但未熔化。

BC段：接触电阻逐渐减小，焊接区域的温度持续升高，金属电阻率不断变大，曲线上升，在C点的时候，动态电阻最终达到最大值。在这个阶段后期，金属开始熔化，熔核开始形成。

CD段：继续加热，焊点熔核区域长大，电流密度变小，电阻变小，由最大值持续下降。

中频自适应控制正是基于动态电阻先下降、后上升、再下降的特征去控制焊接过程参数，从而实现对点焊质量的控制。具体实施过程中：首先根据工件的厚度、层数和镀层状态，在焊接参数区间内选择3～5套焊接参数进行试焊，试焊过程中焊接控制器自动计算次级回路的电阻值，建立起3～5个电阻曲线，保存焊接质量良好的电阻曲线，作为以后焊接中的电阻参考曲线。在以后的焊接中，焊接控制器自动计算次级回路的电阻，与电阻参考曲线进行比较和运算，求出焊接时间和电流的调整量，即时调整焊接过程中的焊接时间和电流，从而达到控制焊接质量的目的。

1.4 中频电阻焊接技术在汽车行业的应用

最近几年随着中频电阻焊接技术的成熟和完善，相关焊接设备在国内外主流汽车厂家得到越来越多的使用，中频机器人点焊钳、中频手工点焊钳已经出现在汽车车身的生产线中。据了解，国内主流厂家如神龙汽车、东风乘用车、一汽大众、北京奔驰、华晨宝马等已经在有些中高档车型的生产线中使用了中频电阻焊设备。

目前中频电阻焊接设备厂家以欧美品牌为主，经过我国焊接技术人员不断的科研攻关，国内有些电阻焊设备厂家也已成功推出性能完善的中频电阻焊接设备。由于中频电阻设备的采购成本高，目前在市场中所占的比例还比较小。

2 激光焊接

激光焊接具有能量密度高、工件变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来已经成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用于汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等工业领域[3]。

汽车制造领域是当前最大规模使用激光焊接技术的行业，从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的重要焊接方法之一。总体上讲，激光焊接在汽车车身制造中的应用主要包括三个方面：激光拼焊板、激光钎焊、激光熔焊。

2.1 激光拼焊板

激光拼焊板技术是根据车身不同部位的性能要求，选择强度等级相同或不同，厚度不同的钢板，通过激光裁剪和拼焊在一起，然后再冲压成车身零件。激光拼焊技术具有以下优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期；减少材料浪费；合理使用不同级别、厚度和性能的钢板，减轻车身质量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性[4]。

蒂森克虏伯公司与大众公司合作，最早把此项技术应用在奥迪100的地板拼焊上。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件如行李箱加强板、行李箱内板、减震器支座、后轮罩、侧围内板、前地板、前纵梁、保险杠、横梁、轮罩、车门内板、中立柱等[5]。车身某些部位的激光拼焊板如图3所示。

图3 车身某些部位的激光拼焊板

2.2 激光钎焊

激光钎焊也称激光填丝钎焊，基本原理为：激光发生器发出的激光束聚焦在焊丝表面上加热，使焊丝受热熔化（工件未熔化）成高温液态金属浸润工件连接处，填充接头间隙与工件结合，液态金属冷却后形成焊缝，如图4所示[6]。通常采用直径1.2 mm的CuSi3焊丝，熔点950℃，被焊工件为低碳钢镀锌板（钢板熔点1400℃以上），在焊丝熔化的情况下，工件不熔化。

图4 激光钎焊原理

目前激光钎焊主要用于汽车顶盖、行李箱盖等车身的可视工件焊接中。很多主流汽车厂家在中、高档车型中都应用了此项技术，神龙汽车公司在标致508和雪铁龙C5车型也应用了此项技术，如图5所示。以顶盖的激光钎焊为例，与电阻点焊相比的主要优点是：（1）搭接凹槽长度由40 mm减少到5 mm以内，减轻了车身质量，可以节能降耗。（2）顶盖单侧的激光钎焊缝约为1.5 m，是连续的金属连接，提高了车身的连接强度，进而增强了车身安全性。（3）点焊需要涂胶工艺，激光钎焊不需要涂胶工艺，减少工艺内容，降低了制造成本。（4）搭接凹槽无须使用装饰条，减少了零件数量，降低了制造成本，提高了车身的美观度。（5）由于是局部加热，工件热影响区小，提高了车身安全。（6）负离焦方式加热，加热带宽，无飞溅，填充剂熔化后自然浸润，焊缝外观质量良好。（7）光束容易传输和控制，因而容易实现自动化，位置精度高。

图5 标致508顶盖激光钎焊及雪铁龙C5行李箱激光钎焊

激光钎焊系统主要包括：激光器、激光传输光纤、激光焊接头、机器人、工装夹具、送丝机、自动化控制电柜等。工作过程为：工件在焊装夹具上就位后，焊接工装夹紧工件，机器人得到信号指令，运动到起焊位置，然后激光器得到信号发出激光，激光经过传输光纤到达激光焊接头，此时送丝机得到信号进行送丝，由激光焊接头把激光照射在焊丝和焊接区域，焊丝被加热熔化浸润工件连接处，机器人带着激光焊接头和送丝机构末端按照设定的轨迹运动，整个焊接工作完成后，送丝机停止送丝，激光器停止工作，机器人返回待机位置，焊装夹具自动打开，整个工作循环结束。

激光钎焊是一种精度高、自动化高、柔性好的焊接工艺，其焊接质量的控制难度比较高，要实现完美的焊接质量，不仅需要先进的设备，更需要与之匹配的工艺参数，其工作过程中的每个参数公差范围窄。主要的工艺参数有：送丝角度、光斑直径、激光功率、焊丝预热电流、送丝速度和焊接速度等。这些工艺参数需要通过不断的调试和摸索，合理匹配，才能取得良好的焊接质量。另外工件尺寸的稳定性和焊接夹具的重复精度对焊接质量也有着重要的影响[7]。

2.3 激光熔焊

激光熔焊与激光钎焊不同，工件被快速熔化，通常不需要使用焊丝。基本原理：金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短时间内升高到沸点，金属发生汽化。金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池表面，产生一个反作用力于熔化的金属，使其向下凹陷，在激光光束下产生一个凹坑。激光直接射入凹坑底部，形成一个细长的小孔。当金属蒸汽的反作用力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔将不再继续深入。小孔随着激光束在焊接方向前进，金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固结晶形成焊缝，如图6所示[8]。

图6 激光熔焊原理

目前欧美主流汽车厂家对激光熔焊的使用比较多，在车门内板、前地板、侧围内板等处都有应用。神龙汽车公司最近开发的雪铁龙C4L和标致3008车型，在车门内板焊接应用了激光熔焊，如图7所示。激光熔焊基本上可以替代电阻点焊，并且具有很多优势：（1）热量集中，焊缝“深宽比”大，热影响区小，工件变形很小，无需焊后处理。（2）焊缝质量好，强度高，提高了车身强度和安全性。（3）光束易于控制，焊接速度快，适合柔性化生产，生产效率高。（4）可焊材料范围广，可以进行异种材料焊接。（5）搭接面宽度小，节省材料，并可以减重降耗。

图7 东风标致3008车门内板激光熔焊缝

激光熔焊系统主要包括：激光器、激光传输光纤、激光焊接头、机器人、自动化控制电柜等。与激光钎焊相比，不需要焊丝填充，没有送丝机构。激光熔焊时，工件被快速加热熔化，焊接质量控制相对激光钎焊来说难度更大，对被焊工件的尺寸稳定性和工装夹具的定位精度及重复性精度要求特别高。主要的工艺参数有：焊接速度、激光功率、焦距、光斑直径等。工件通常是镀锌钢板，在焊接过程中，锌镀层特别容易汽化，对焊接质量影响比较大；为了使汽化的锌金属顺利挥发，通常在零件冲压时会在焊接部位冲压出一段高度很小的凸台，这样工件在搭接时，工件之间就会存在一定的间隙，可以使锌在焊接过程中顺利挥发，减少焊缝气孔的产生；根据经验，最佳的间隙量约为0.2 mm。

2.4 激光器的现状及发展趋势

对于激光焊接系统来言，核心设备是激光器。目前应用于汽车工业的激光器主要有两类：第一类是CO2气体激光器，其为最早应用于车身焊接的激光器，效率较高，光束质量较好，但波长较长（10.6μm），无法通过光纤传输，不灵活。第二类是固体（Nd∶YAG）激光器，效率较低，光束质量差一些，输出功率较小，可满足车身薄板的钎焊和熔焊，波长1.06μm，可以通过光纤传输，与CO2气体激光器相比可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统，近年来已经逐步取代了CO2气体激光器。国内的车身生产线，引入激光焊接技术的时间比较晚，通常采用的是功率为4 kW的固体（Nd∶YAG）激光器。

最近几年，科研人员又成功研发了新型固定激光器——光纤激光器和碟片激光器，都是利用掺Yb晶体作为增益介质（Yb∶YAG），不过几何形状不同，光钎激光器采用又长又薄的几何形状，碟片激光器采用盘状几何形状。与固体（Nd∶YAG）激光器相比，新型激光器的光电转换效率高，光束质量高，维护成本低。目前光纤激光器和碟片激光器已经成功应用在汽车车身焊装生产线上，除了激光熔焊和钎焊外，还可以通过与光学扫描系统相结合，实现激光远程焊接。在车身焊接领域，固体（Nd∶YAG）激光器在不远的将来会被新型固体（Yb∶YAG）激光器所取代。

3 CMT冷金属过渡焊

由于焊接时输入热量高，薄板容易变形、焊穿等原因，电弧焊在车身焊接的应用比较少，只有点焊工艺无法实施的部位才会考虑使用。通常应用的电弧焊方式是熔化极气体保护焊：CO2气体保护焊、MAG焊、MIG焊；这三种焊接方式所使用的焊接设备相同，焊丝和保护气体有所区别。由于焊缝不美观，涉及车身外观的部位几乎不会考虑熔化极气体保护焊。为了使熔化极气体保护焊更好地适用在车身薄板连接工艺上，目前国外有焊接设备厂家开发了一种新的熔化极气体保护焊方式“CMT——cold metal transfer冷金属过渡”。冷金属过渡是设备厂家的说法，更准确的定义应该是低能量的金属过渡，这种焊接方式是短路过渡，输入热量比通常的MAG焊和MIG焊的短路过渡要低。其独特之处是：特殊的送丝机构能够和焊接过程的熔滴过渡情况相结合，当熔滴长大后，焊丝可以回抽使熔滴脱落，并通过控制短路电流，避免产生飞溅，从而实现无飞溅的焊接。CMT焊接过程如图8所示。

目前车身外观部位的焊缝通常是激光钎焊焊缝，焊接质量很好，外观光滑均匀，焊后无需处理。但激光焊接设备投资成本高，为了降低投资成本，目前国内有汽车厂家开始尝试采用CMT焊接技术替代激光钎焊。车身外观零件的厚度薄，金属连接采用熔焊，零件变形会很严重；使用熔点低的铜合金焊丝实现零件间的金属连接，工件变形量比较小。图9是厚度为0.77 mm和0.97 mm两个镀锌薄板的对接焊缝，焊缝表面光滑，无焊接飞溅，工件变形量小，焊缝余高明显，工件连接处有少许黑色氧化物。车身外观零件的焊缝，外观质量要求特别高，CMT焊缝打磨后，符合生产要求，如图10所示。对于节拍低、短焊缝的工位，考虑使用CMT焊接技术。

图8 CMT的焊接过程

图9 CMT焊缝

4 摩擦搅拌点焊

铝合金、镁合金的金属密度比较低，是汽车轻量化的好材料。目前在汽车制造中铝合金的用量越来越多，通常以铸件或锻压件的应用在发动机、变速箱等零部件上；在车身制造中的应用主要集中在机罩和车门。铝合金具有导电性优良、散热快的物理特性，电阻焊接效果不佳。针对铝合金的塑性流动性好的特点，研发人员开发了摩擦搅拌点焊技术。具体焊接过程有三个步骤，如图11所示：（1）压入过程。摩擦搅拌头不断旋转，通过施加顶锻压力插入工件之中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件。（2）连接过程。搅拌头完全进入工件之中，保持压力并使搅拌头轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间。（3）回撤过程。完成连接后搅拌头从工件退出，过程完毕。

图10 打磨后CMT焊缝

摩擦搅拌点焊的连接机理是搅拌头周围高温摩擦热和材料塑性流动互相作用的结果，冶金连接产生在搅拌头周围形成的圆环状搅拌区域与材料发生重结晶的区域中。与传统的电阻点焊和铆接技术相比，具有接头强度高、质量好、性能稳定、节能等优点[9]。

图11 摩擦搅拌点焊示意

5 结论

以工频电阻焊为主，辅少量的熔化极气体保护焊的传统车身焊接技术已不能适合车身焊接“高效、安全、节能”的发展要求，各种先进的焊接技术正在逐步应用在车身焊接生产线中，并取得了显著的效益。但是我国焊接设备的制造水平还不能满足国内汽车行业的发展需要，大功率固体激光器、CMT焊机、中频电阻焊机等先进设备都依赖国外进口。国内焊接设备厂家应该加快研发步伐，早日推出与国外先进水平相媲美的产品。

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