先進焊接技術在車身制造領域的應用及發展

高銘遠

（大連理工大學，遼寧大連 116024）

在農用車、拖拉機、汽車等車輛白車身制造中，焊接工序至關重要。在實際應用中，采用高強度鋼、鎂、鋁合金等輕量化材料是實現車輛輕量化的重要途徑之一[1]。這些材料常常具有低熔點、強氧化性、高導熱率等特殊性質，因而采用傳統的工頻手工電焊難以達到焊接加工的質量要求，這就為中頻電阻點焊、激光焊接、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡焊等先進焊接技術的應用提供了很大空間，并逐漸成為先進焊接技術的發展方向。與此同時，隨著焊接技術的發展，智能化數字化焊接工藝及其設備也將得到應用。

1 中頻電阻點焊技術

中頻逆變直流電阻焊（簡稱中頻電阻焊）的原理是：利用控制電源中整流電路將工頻三相交流電經三相橋式整流、濾波轉為單相直流波形，并經IGBT開關電路轉為1 000 Hz 以上的中頻方波后再接入中頻變壓器，然后降壓整流成脈動小且平穩的直流電，最后供給至電極完成零部件焊接。焊接時采用一體化焊鉗。在車輛的車身焊接中常常使用中頻電阻點焊機，這種點焊機由三相電供電、低電流焊接。功率因數接近1，與普通交流點焊相比可節約電能達30%以上，具備焊接鋁、不銹鋼、帶鍍層鋼板及多種導熱材料組合焊接（如鋁—鋼點焊）的能力，使其在焊接鋁合金車身接頭時表現出較好的綜合性能。此外，中頻電阻點焊有助于縮短焊接時間、降低電流負荷、提升電極使用壽命。

在車輛生產線中常采用中頻一體式懸掛焊機，與普通交流一體式懸掛焊機相比，這種焊機的變壓器設在焊鉗內部，無需主電纜和二次輔助電纜，其不僅可以提升焊機容量、降低線纜費用，而且能夠增強操作的靈活性，大大減輕操作者的勞動強度。目前，車輛車身生產中采用的中頻電阻點焊設備已做到槍體、氣缸、變壓器等零件的標準化，且維修維護成本低。

普通的氣動焊鉗接近工件速度快，但對工件沖擊大，易導致工件變形加劇，進而影響白車身尺寸精度，并會使電極定位不準、電極頭磨損嚴重。中頻電阻點焊機常采用伺服焊鉗，這種焊鉗能夠按照預編程序，通過伺服控制器來精準控制速度、位移和力的輸出，同時與工件之間的軟接觸，可大大減少達到預壓力的時間，降低對工件的沖擊，進而提升焊接質量和電極壽命。此外，一些國外車企還采用中頻自適應控制（SAIRS）技術，即在焊鉗二次回路上安裝二次電壓和電流傳感器，并根據軟件動態模擬，監測電阻動態變化，調整焊接電流和時間，繼而控制焊接直徑、改善焊接質量。SAIRS技術較為先進，但在國內應用很少。

2 激光焊接技術

激光焊接技術具有能量密度高、焊接變形小、柔性好等優勢，因而被廣泛應用于車輛車身成形制造中，是車輛車身焊接的主要技術手段[2]。激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種精密焊接工藝，現已廣泛用于車輛車身的板材拼接和框架連接中，具有焊接效率高、不易變形、熱影響區小、焊縫深寬比大等特點。毛志濤等[3]對比了Q345 鋼板激光焊與氣體保護焊的焊接變形及殘余應力，并利用Abaqus 軟件計算了兩種焊接方法的焊接溫度場、焊接變形及殘余應力，結果表明激光焊接Q345 低合金高強度薄板比氣體保護焊更具優勢。激光焊接時，若功率參數、保護氣體流量和角度等設置不當，則會因為熔池窄且深而不利于焊縫內部氣體的逸出，從而出現氣孔等缺陷。此外，焊接過程中等離子體云對激光的吸收和反射作用會使能量利用率降低。鑒于單一使用激光焊接存在不足，因此生產中一般將激光焊接與其他焊接形式結合起來，形成一種復合焊接方式。從焊縫特點和質量看，激光焊的焊縫窄且焊縫表面凹陷，電弧焊的焊縫寬且焊縫表面余高偏大，而激光-電弧焊的焊縫寬度和焊縫表面居中，見圖1。從實際應用上看，常見的有激光-MIG焊和激光-MAG焊，這兩種復合焊接方式均可提高焊接速度，改善焊縫成型質量。張德芬等以6009 鋁合金為母材對比了光纖激光-MIG 復合焊與光纖激光焊焊接接頭的成型性、顯微組織及力學性能，結果顯示光纖激光-MIG 復合焊的焊接速度是光纖激光焊的3 倍，且光纖激光-MIG復合焊的焊縫組織較為均勻細小，其接頭抗拉強度明顯高于激光焊接。在車輛白車身制造的生產實踐中，激光復合焊應用得較為廣泛。

圖1 3種焊接方法在相同熔深情況下的焊縫Figure 1 Weld seams of 3 welding methods at the same penetration depth

3 攪拌摩擦焊和攪拌摩擦點焊技術

3.1 攪拌摩擦焊（FSW）

在車輛零部件的規?；a中,摩擦焊技術占據較重要的地位，而其中的攪拌摩擦焊技術被譽為“繼激光焊后最為革命性的連接技術”[4]。FSW是一種新型固相焊接工藝，同熔焊等傳統焊接相比，FSW無需焊絲、焊劑和保護氣，中厚板焊前無需開U 形或V 形上坡口，也不用進行復雜的焊前準備，見圖2。焊接過程中無輻射、無煙塵、無飛濺、無有害氣體產生，焊接接頭質量好，焊縫中無氣孔、裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊的熱輸入低，不會受到異種材料不同晶體結構及不同物理化學性質的影響，能夠有效控制形成IMC，使其在焊接鋁及鋁合金、組合焊接（如鋁—鋼焊接）時顯示出一定的優勢，故被稱為革命性的焊接技術。但攪拌摩擦焊也存在不足之處，具體表現在工件需要采用剛性固定方式，焊接結束后會在工件根部留下凹孔。2008年中航工業賽富斯特公司率先在國內使用攪拌摩擦焊設備來焊接鋁合金輪轂。目前，攪拌摩擦焊已逐漸應用于輪轂、發動機、底盤支架、車架等零部件的焊接。

圖2 攪拌摩擦焊的工作過程Figure 2 Working process of stir friction welding

3.2 攪拌摩擦點焊（FSSW）

攪拌摩擦點焊是一種新型固相焊接工藝，它由FSW 派生出來。其焊接工藝過程包括攪拌頭壓入工件、攪拌頭連接、攪拌頭回撤3 個階段，工藝簡單。FSSW 技術能獲得更好的焊接接頭強度和更高的焊接質量，與傳統工頻交流電阻點焊相比，可節省設備成本近40%，減少能耗約99%，在車輛輕量化中具備極大的應用價值和發展潛力。Mazda公司在FSSW研究領域處于車輛工業的領先地位，早在2003 年便成功地將FSSW 技術用于發動機罩和后門的焊接。但傳統的FSSW技術在攪拌頭回撤階段，會在焊點處留下“匙孔”缺陷，這種典型的缺陷不僅影響焊縫美觀，還會減小接頭的有效結合面積，進而降低接頭的力學性能。目前，國內外學者正致力于完善傳統的FSSW技術，現已研究出無針插入式、回填式、擺動式等FSSW改進方法。

4 冷金屬過渡焊技術

冷金屬過渡焊是建立在傳統電弧焊基礎上的精準控制型電弧焊工藝。冷金屬過渡焊技術是數字化控制與焊接過程結合的產物，其實現了對熱輸入的精準控制,在選擇適當工藝的情況下可得到理想的焊接效果[5]。CMT 的原理是對送絲和熔滴過渡的過程進行數字化協調，從而實現“冷”“熱”交替。當熔滴與熔池發生接觸短路、DSP 處理器監測到短路信號時，會快速切斷電流，使電流瞬間降至為零，同時，將信號反饋至送絲機。送絲機回應后將焊絲回抽，促使焊絲與熔滴分離。對焊絲施以100 Hz的送絲—回抽機械轉換，可使熔滴脫落進入熔池。熔滴在無電流狀態下的過渡過程相較于MIG 焊和MAG 焊而言，落入熔池幾乎不會出現飛濺的現象。2010 年，福尼斯公司將直流CMT 改進為交流CMT。交流CMT 與直流CMT 的不同之處在于熔滴與熔池接觸短路的瞬間開始電流極性轉換，待焊絲回抽時電流極性二次轉換。在這個極性轉換的過程中，可通過調節正負半波占比來實現焊接熱輸入及熔敷效率的精確控制。如果焊絲接正極，則電弧熱量大部分作用于母材，這樣既能增加熔深，也可在焊接鋁合金的同時清除鋁合金表面的氧化膜；如果焊絲接負極，則電弧熱量主要用于熔化焊絲，這樣不僅可以增加焊絲的熔化量，還有助于連接較大間隙的工件。其工作過程見圖3。

圖3 CMT技術工作過程Figure 3 Working process of CMT technology

鋼—鋁復合焊構件在車輛車身輕量化中常常被采用，但鋼—鋁復合焊過程中會產生脆硬相，這種脆硬相會伴隨焊接熱輸入量的增加而加大，并直接影響焊縫接頭的韌性。CMT 技術對焊接間隙的適應性強，還能精確控制熱輸入量，故在鋼—鋁等異種金屬焊接中得到較多的應用。Zhang HT等采用直徑1.2 mm的Al-Si焊絲對1060鋁合金和鍍鋅鋼板進行CMT焊接試驗，并通過高速攝像機來記錄電弧和熔滴特征，結果表明焊接過程非常穩定且無飛濺。接頭在鋼和焊縫界面主要由Al2Fe5及AlFe3相組成，IMC層被鋅抑制，厚度在5 μm以下，因此接頭強度得到保證，達到了83 MPa。

CMT 技術具有焊接熱輸入可控、熔滴無飛濺的特點，在車輛車身異種金屬焊接和輕量化結構焊接中具備較大的應用潛力，是數字化焊接技術的新突破。

5 焊接機器人技術

焊接機器人控制設備系統是一種功能獨立、動作空間大、機動性強、自動控制水平高的焊接操作機構。在車輛車身焊裝車間，參與焊接作業的機器人按用途可劃分為點焊機器人、弧焊機器人、螺柱焊機器人和激光焊接機器人。其中，點焊機器人能夠操縱點焊設備的焊鉗來實施點焊焊接；弧焊機器人可操縱弧焊焊炬進行仰焊、立焊等各種位置的焊接；螺柱焊機器人通過操縱螺柱焊槍可進行全方位的螺柱焊接，可省下用于定位的導套夾具，保證焊接質量；激光焊接機器人能夠操縱激光加工鏡組來實施激光焊接，常以CO2激光器或YAG激光器為激光源，設備相對復雜。

焊接機器人的優點在于焊接精度高、加工效率高、對接質量好、重復操作性強，可通過傳感器跟蹤焊縫，進而控制焊接質量。使用焊接機器人生產能夠允許多種車型使用一條生產線，能有效提高車輛的生產效率，改善車輛的生產制造[6]。還可根據使用要求進行編程，即通過不同的程序設計，可適應不同車型的多樣化焊接生產線，也可實現多種型號的機器人在同樣裝配工位上協同實施大規模大批量的焊接。焊接機器人的缺點在于匹配要求高、成本高、維修保養困難等。如果零件無法滿足匹配要求且間隙不均勻或不平整，就會導致焊接缺陷的產生。另外，鑒于我國勞動力成本目前尚低于機器人的應用成本，因此，焊接機器人大多在工人勞動強度大、人工操作難到位、焊接質量難保證的工位使用。目前，國內很多車輛制造企業采用昂貴的進口焊接機器人用以焊接作業，這就對機器人的操作人員和設備維護人員提出了更高要求，且機器人維修維護和更換成本高，零部件價格昂貴，配件供應難以保障。但就車身焊接機器人的發展前景而言，其結構將進一步優化，其技術將更加先進，其用途將更加專業，其應用將進一步擴展，會逐步實現焊接設備的智能化數字化。

6 總結與展望

當前國內外車輛制造產業中，常常通過大量應用高強度鋁合金材料來實現車輛輕量化設計，與此對應的鋁合金焊接技術上也在進一步發展與革新，并成為車輛輕量化發展的重要技術推動力[7]。焊接工藝是車輛制造技術中最有代表性的三大工藝之一(焊裝、油漆、總裝)[8]，在車輛產業向新能源車輛方向轉變、車輛車身朝著輕量化發展的當下，輕質合金、復合材料等各種異種材料正被廣泛應用，因而傳統的焊接工藝愈發難以滿足焊接的高要求。針對車輛輕量化材料的焊接需求，有待對新興的FSSW、CMT 等焊接工藝進一步探索，尤其在不同異種材料的焊接方面，還需要進一步開展理論研究和工藝優化，應在提升焊接質量和焊接效率方面下功夫，摸索出可操作可應用可落地的成熟的焊接工藝。同時，針對焊接缺陷檢測與參數自適應調控技術研究尚處于起步階段、激光焊接工藝參數自適應調控等技術尚未在車輛車身制造行業得到應用的實際，有待開展焊接智能化技術攻關，可基于不同焊接材料特性、不同焊接工藝特點、不同焊接作業場景，開發出以多傳感器為核心的焊接智能感知系統及高速高精焊接機器人控制系統，并建立一套“焊前軌跡自動規劃——焊中參數自適應控制——焊后實時質量監測”流程體系，以此來實現車輛車身焊接狀態的實時感知及工藝參數的反饋控制、推進焊接智能化與車輛車身輕量化的深度融合，從而提升焊接質量、保障整車質量，并為未來車輛產業的發展提供技術支撐。