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技术 轻量化汽车的焊接技术

作者: 澳门皇冠赌场来源: 本站时间:2019-10-08

  能源、环境、安全是我们当今世界倡导的主题,而同此三大主题联系最紧密的行业之一就是汽车。研究表明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%。车辆每减重100kg,CO2 排放量可减少约5g/km。在安全方面,汽车轻量化后,车辆控制更稳定、制动距离减小,当发生碰撞时,高强钢和塑性材料也会让人更安全。因此,汽车轻量化是当今世界汽车创新工程的技术发展方向。

  2005年欧盟第六框架下推出superlight-car计划,由欧洲9个国家,38家机构(大众、菲亚特、欧宝、雷诺、沃尔沃、保时捷、戴姆勒….)共同参与合作研发。目的是在兼顾成本,和保证汽车性能前提下,研发不同性能轻质材料实现车身减重30%,节约能源和减少CO2排放。 2007年中国汽车轻量化技术创新战略联盟在宁波正式宣告成立,其中长期发展目标是,开展汽车轻量化材料应用共性关键技术研究,攻克和自主掌握轻量化核心关键技术,提升汽车行业轻量化材料应用水平。

  汽车结构可分为:车身,底盘,动力,内饰,电子系统,其目前重量分布见图-1。从重量分布图中,车身重量占比最多,可减轻重量的空间最大。底盘、动力、内饰次之。

  未来的车身的设计发展方向,除车体会由目前钢结构演变为理念先进的混合式空间结构(见图-2),另会依据部位要求采用不同性能的轻质材料,以实现材料与零部件功能的最佳匹配。铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料和高强度钢、超高强度钢等轻量化材料的应用在汽车的轻量化过程中将发挥重大作用。 在这些材料中;高强钢或超高强度钢和铝合金是汽车轻量化的两种关键材料。高强钢在车身上应用较早,只是不同国家高强钢在车身上应用占比和材料的强度级别不同。欧洲超轻型钢制车体的设计中,高强度双相钢(DP)占比例超过80%,部份部位还采用抗拉强度达到1500MPa的 usibor钢和硼化钢,如汽车后保险杆,防侧撞的A,B,C柱(见图-3)。有数据显示,当钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm 和0.15mm时,车身分别减重6%、12%和18%。

  铝合金材料在车身上的应用有后来居上的趋势,在欧美高档车中,多采用全铝车身结构,如奥迪A8,戴姆勒SLS。中档桥车车身也部份已采用铝合金材料,如奥迪A6车门,宝马5系的付车架,通用君威的前保险杆,现代的雅科仕引擎盖。数据表明,如果汽车覆盖件(见图-4)如车门,引擎盖,行李箱盖,轮罩,付车架部件都采用铝材料的,车身可减重达45Kg。

  轻质材料在减轻车身重量的同时,也对焊接技术提出更高的要求。例如:车身内部、支持结构、轮罩等部件目前一般都采用传统的MIG/MAG焊接工艺,而随着轻量化的新材料的应用,传统的MIG/MAG焊会面临以下无法解决的焊接难题:

  ● 采用高强钢后,材料厚度比原有的0.7-1.5mm更薄,装配间隙更不稳定,容易出现工件焊穿现象,因为这种工件状况已超出传统MAG焊的工艺加工范围。

  ● 超高强度钢(如硼化钢)对热输入更为敏感,更容易出现焊接裂纹,因而原则上是禁止用MAG焊工艺 。

  ● 在焊接铝质材料时,如何取得良好的焊缝成形,以及减少热影响区母材强度易弱化现象。

  传统的电阻点焊工艺在现有的车身焊接制造中约占75%,应用最为广泛,操作也较为简单。但同样在新材料的应用时面临问题:

  ● 超高强度钢对热敏感,电阻点焊时不仅热输入控制要求精确,而且焊接加热时序要求严格。而现有电阻点焊实际焊接参数会随着电极的逐步磨损而发生变化,无法保证焊点的热输入量的重复精度;通水强冷的电极无法实现超高强度钢的缓冷要求,焊点处易有裂纹倾向。

  ● 铝及铝合金材料更是电阻点焊的难题,铝电阻比钢小,而导热系数却远好于钢,电阻点焊时,需要用到4倍于点焊钢的电流,也就是说能耗4倍于是钢,这显然是同当初的汽车节能的初衷有所违背。另外,电阻点焊焊铝时,电极极易被污染。300个左右的点焊就需要更换或修磨电极,生产的连续性受到影响。 激光焊工艺因其能量集中,焊接速度快,熔深深,热影响区小,焊缝强度高,焊接变形小等优点被用于车身上较长的焊缝(如车顶,行李箱盖),或者用于高强度要求的结构件上。但其也有自身的缺点,一是对装配要求高;二是高反射率材料(如铝、铜)难焊接;三是投资成本高。 综上所述,作为目前国内车身制造的主要三种焊接工艺(MIG/MAG,电阻点焊,激光焊)已不能完全满足新材料对焊接技术的更高的需求。市场必需开发和应用更先进的焊接工艺,才不会制约新材料在汽车上的应用和汽车轻量化的发展。所以本文依据欧美轻量化汽车的制造应用情况,介绍以下三种适用于轻量化汽车焊接的新工艺。

  CMT冷金属过渡技术是在短路过渡基础上开发的,但同普通GMAW不同的是,送丝不是一成不变的往前送,焊丝不仅会向前送丝,而且还有往回抽的动作(见图-5)。其焊接过程是:电弧燃烧,加热工件和熔化焊丝,同时焊丝往前送,直到形成的熔滴同工件接触,在这一刻,焊机将焊接电流降至几乎为零,同时枪头处的伺服马达倒转,焊丝往回抽,通过机械方式将熔滴从焊丝端分离,实现熔滴向焊缝处过渡。当焊丝脱离焊缝开路形成后,电弧重新燃起,焊丝又住前送,下一个熔滴过渡周期重新开始(见图6)。

  由于在熔滴过渡到母材期间,电压为零,电流也几乎都为零,整个焊接过程就是高频率的“热-冷-热”转换的过程,因而大幅降低焊接过程热输入量。

  传统直流MIG/MAG焊适合薄板焊接方式是短路过渡,引弧之后,焊丝向工件方向移动,最后焊丝前端熔滴和熔池接触,形成短路,熔滴与熔池间短路后,在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩颈小桥,缩颈小桥在不断增大的短路电流作用下汽化爆炸,将熔滴推向熔池,完成过渡(电流过程见图7)。

  而CMT焊熔滴同工件短路时,电流瞬间降至几乎为零,通过焊丝回抽的机械方式帮助熔滴脱落。从示意图中阴影部份的热量区来看,CMT热量区明显要小,实验数据表明,CMT工艺同传统的MIG/MAG相比,热输入量要小15-30%。由于焊接过程没有传统的MIG/MAG焊的汽化爆断过程,消除了飞溅产生的因素,从而实现无飞溅的焊接;另外,这种无爆断的机械回抽过渡方式,对焊缝无压力冲击,不易出现焊接烧穿现象,大大提高了薄板焊接的安全性。

  CMT另一个重要的优点就是可精确控制输入量,具有高重复焊接质量精度。传统的MIG/MAG焊,无论是短路还是脉冲过渡方式,都是通过熔滴表面张力、电磁收缩力、熔滴重量综合起作用,属“自然”或“自发”过渡,容易受外界条件的干扰(如焊丝拉拔的粗细,工件表面张力…),过渡的频率(如图7中t1和t2的时间是不同的),短路电流的峰值都是在变化的(见图7),不可控的。其结果是每个过渡热量不尽相同,因而无法实现高的焊接质量重复精度。而CMT是通过焊丝回抽的机械方式,主动干预熔滴的过渡,降低了外界因素的干扰,过渡周期更稳定,热量输入控制更精确,举例来说:CMT工艺可实现1.2mm焊丝焊接0.3mm薄板,而普通MIG/MAG焊是做不到这样精确控制热量的。

  交流MIG/MAG焊时比直流MIG/MAG焊热输入量低,可用于薄板的焊接,这在世界上早有研究,但都无法大范围的应用。其主要原因是传统的交流MIG/MAG焊正极和负极都采用脉冲焊的过渡方式,通过调整正极和负极周期内所占时间比实现改变热输入量和熔敷效率。为了保证极性转换过程中的电弧的稳定,在极性转换电流过零点瞬间需要外加非常高的电压,即便如此电弧在过零点也会发生断弧现象,无法实现稳定的焊接过程。

  交流CMT是在直流CMT技术进一步开发的技术,直流CMT通过高速总线传输,实现焊接过程高达100HZ焊丝送丝/回抽的转换,而交流CMT在此基础上再加上电流的极性转换。

  同传统的交流MIG/MAG不同,交流CMT极性转换发生熔滴同工件短路的瞬间,在焊丝回抽时极性转换过来,如上文所述,CMT在熔滴短路时电流本来就几乎为零,因而不存在像传统交流MIG/MAG在过零点产生熄弧的问题,焊接过程非常稳定(见图-8)。

  交流CMT焊接时,当焊丝接正极时EP,电弧的热量大多数用于加热母材,增加熔深、清除工件表面氧化膜(焊铝时);而当焊丝接负极EN时,电弧的热量大多数用于熔化焊丝,焊丝熔化量显著增加,熔滴尺寸增大,而作用于母材上热量大为减少(见图-9)。这意味着同样的焊接电流,交流CMT比直流CMT熔化更多的焊丝,与之相对应熔化焊丝多了,作用于母材上的热量就少了。焊薄板且焊接间隙大的工件时,工件热量少再加上填充量大,间隙的桥联能力进一步加强。

  另外,交流CMT可通过调节正负半波占比,图-10是正极两个CMT过渡,负极两个CMT过渡,当然,也可以设置正极两个CMT过渡,10个负极CMT过渡,尽管电流相同,但这样的设置,10个负极CMT过渡的设置的输出焊丝填充量增加,母材上的热量就减少了。交流CMT就是通过调节正负极CMT过渡数量,从而实现精确调整工件所需要热输入量或焊丝熔敷效率,以实现不同的焊缝几何形状,或满足不同的间隙容忍性要求。以焊钢为例,交流CMT工艺热量可从200W ~1350W自由设置,2+2mm碳钢搭接间隙可容忍至4mm;以焊铝为例,交流CMT工艺热量可从150W ~280W自由设置,2+2mm铝板搭接间隙可容忍至2.5mm(见图-11)。

  CMT由于其热输入量低,精确控制热输量,焊接无飞溅,可焊接薄板和超薄板(最小板厚可达0.3mm),间隙容忍性好等特点,已被广泛用于汽车的车身制造行业。

  以欧洲某钢制空间结构车型为例(图-12),车身制造使用激光焊,激光钎焊,点焊,CMT焊,CMT钎焊等四种焊接工艺。其中CMT 钢焊丝用于连接高强钢等支承结构件,CMT钎焊用于车身上众多的连接件,焊接间隙最大为3mm,焊缝总长约2.5m;客户总结CMT工艺同传统MIG/MAG焊相比:焊接速度提高了20%,间歇时间减少了90%(更换易损件,清枪剪丝),飞溅减少了70%,变形减少了50%,更好间隙容忍性,更高的工艺稳定性,更好的焊接质量。

  在国内CMT工艺也同样用于汽车或汽车配件供应商的生产,如大众,宝马,现代,荣威车身焊接;汽车座椅,排气系统,转向柱,铝制付车架,铝制保险杆,铝车门,铝仪表架等产品。

  钢与铝是两种目前工业中应用广泛的材料,如果能实现两种材料的异种连接,对拓宽产品的设计和制造有极高的应用价值。比如汽车顶部结构采用铝合金材料,底盘采用钢材,这样既可以减少汽车的重量,又可降低汽车的重心。

  钢与铝焊接最大的问题是铝与钢易形成非常硬和脆的IMP相,并且焊接热输入量越大,生成的IMP相就越多。这种脆性相严重破坏接头的静态和动态的强度,以及恶化接头的塑性。脆性物的产生是由于铁与铝存在电位差(△E~1.22 V) 发生分子扩散而形成的,当两种材料都是处于液态,则扩散就更容易。

  然而,实验证明当焊缝中的IMP脆性相非常薄时( 10 µm ),它的脆性特点就变成次要的,这时候焊缝的性能主要取决于母材延展性能。因而要实现钢与铝的焊接需要热输入量低的工艺,经十多年的钢与铝焊接的研究,奥地利Fronius公司最终推出了 CMT 工艺用于钢与铝的连接。实现这种连接的前提是钢板必需要镀锌的,铝材的厚度范围是0.8~3mm,填充材料需采用铝基材料。

  从图-13图中可以清楚看到,铝这边是熔焊上的,而钢这边是钎焊上的。从图-14可以看到,IMP脆性相只有2.41µm。在所有的测试结果中IMP相的厚度都是低于10 µm,因而接头的性能更多的是受母材性能的影响,而不是接头中的IMP相,在强度测试过程断裂处总是发生在铝的热影响区,有时甚至在铝基体上。

  电阻点焊是目前汽车上应用最多最主要的焊接工艺,以帕萨特汽车为例,电阻焊焊点达5892个。 但这种工艺方法多年来发展缓慢,已远不能满足轻量化汽车新材料的应用。奥迪A8 D2全铝车1994年时铝车身上有1100个铆接点,500个电阻焊铝焊点,到2002年时,奥迪A8 D3时,铆接点已增加到2400个,而电阻焊铝焊点全部取消。其原因是多方面的,一是因为铝合金的电阻远小于钢,需要4倍于钢的焊接能量;二是因为电极极易被污染,300个左右的点焊就需要更换或修磨电极,生产的连续性受到影响;另外,通水强冷的电极无法实现焊点缓冷,易出现焊后裂纹。

  2005年,以前只涉及弧焊领域的著名焊机制造商奥地利Fronius公司正式推出全新概念的电阻点焊技术Deltaspot, 这种新型的电阻焊原理非常简单,就是在电极与工件之间增加一条电极带,焊接时电极压住电极带接触工件进行焊接,当一个焊点完成后,电极带自动转动到下一个位置。这种方式意味着电极同工件接触表面总能保持干净,每个焊点都是用“全新的”电极,每次焊接开始都有高质量的焊接条件,从而保证100%质量重复精度(见图15_16)。

  电极带的使用不仅可用来保护电极,还可有许多的用途。其一是可依据不同的材料选用不同电阻性能的电极带,以增加焊缝热量的输入,从而达到增加核心直径或者达到节能的目的;其二是上下电极选用不同的电极带,从而实现电极两端的热平衡,例如应用厚薄不均的多层板(图-17),钢与铝异种材料的连接等。其三,采用电极带后,通水的铜电极直接接触母材,避免了焊后强冷导致焊超强钢、铝合金焊后产生裂纹。

  DeltaSpot 是针对汽车行业而设计的,除采用电极带外,焊钳是伺服的,可精确调整每个焊接阶段的压力,专门设计x-ploler操作软件界面直观简洁,以图形的形式调节焊接加压和能量控制输出程式,并针对不同材料已设有专家焊接系统。可以焊接各种材料:碳钢、镀层钢板、高强钢和超高强钢、铝及铝合金、铬镍不锈钢、钛、镁、复合材料、钢和铝的异种材料;可以用于厚度或材料类别相差较大工件;可以一次焊接多达5层的工件。

  Deltaspot可焊接任何类型的接头,即便是高难度的,超高强钢、铝与铝、甚至是铝和钢异种材料,并且有极高的工艺可靠性,因而其开创了电阻焊在汽车行业应用的前所未有的前景,尤其是新能源汽车,如全铝的纯电动车。

  2010年7月北美一家最大纯电动跑车制造商购买了6台Deltaspot和两台CMT用于铝合金车身的制造。经过6个月的使用测试,这家纯电动跑车制造商又增订了20台Deltaspot设备,用于新车型的制造,预计2012每年产量为20000台。

  另外,Deltaspot经济性也是显著的,由于电极带的使用增加了电阻,减少功率的需求;焊前无需对工件进行任何预处理;焊接过程无飞溅,无需对工件焊后处理;电极的磨损和消耗程度最小化,而仅需消耗便宜的电极带,每条电极依据应用不同可焊接7000-21000个点。在韩国,采用Deltaspot焊接铝汽车引擎盖,并同铆接进行了成本对比,见表-1 。

  激光焊是高能束的焊接工艺,光束能量可达106W/cm2,当激光到达材料的表面时,该点的温度迅速升高到挥发温度,并形成挥发孔。影响激光焊两个重要因素是:一是开始焊接时需解决表面反射问题,尤其是像铝合金这样的高反射材料。二是工件温度影响激光能量的吸收。

  图-20是激光MIG复合焊的原理图,激光复合焊技术是两种焊接方法同时作用于焊接区。激光束在焊缝垂直方输入热量,同时MIG电弧在后方熔化焊丝,也向焊缝输入热量。开始焊接时,MIG电源先形成电弧加热工件,当工件表面达到挥发温度时,会挥发出大量的金属蒸汽,从而使激光后的能量传输更加容易,更形成了挥发孔,从而顺利将激光的所有能量就传导到工件上。激光复合焊焊接所需要的能量由随温度变化的表面吸收率和工件传导损失的能量来决定,整个焊接过程的特性取决于选择的激光和MIG电弧输入能量的比例。

  MIG焊的特点在于电源成本低,焊缝桥联性好,易于通过填充金属改善焊缝结构。而激光束焊的特点在于焊缝的深宽比很高,热影响区小,焊缝强度高,焊接变形小,且有高的焊接速度,但由于焦点直径小,焊缝桥联能力很差,焊更厚的材料需要更大激光电源,焊接高反射材料(如铝合金)焊接困难。

  LaserHybrid激光复合焊是将激光工艺同MIG工艺进行复合,两种工艺同时作用于母材,并相互影响和支持。同纯激光束焊相比,焊接过程更稳定,焊接速度更快,形成的熔池要大(见图-21),搭桥能力更好,可允许更大的焊接装配间隙,具有更好的柔性和工件的适应性(如焊铝),提高了效益/成本比。

  另外,激光-MIG复合焊接,后方的MIG电弧也会起到焊后回火处理的作用,降低焊缝硬度,有效防止高强度等级钢的裂纹倾向。

  MIG焊焊缝搭桥能力好,对接头装配要求低;而激光焊热输入集中、熔深大、速度快。而激光复合焊兼容两者优点。

  以VW Phaeton的车门焊接为例:为了在保证强度的同时又减轻车门的重量,大众公司采用冲压、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊缝总长4980mm,现在的工艺是7条MIG焊缝(总长380mm),11条激光焊缝(总长1030mm),48条激光-MIG复合焊缝(总长3570mm)。

  也就是说,由于接头型式各异,激光复合焊并不是适用于车门上的所有焊缝。在接头装配间隙很大的位置,具有良好桥联能力的MIG焊比激光焊或复合焊更有优势;反之在接

  头间隙非常小的焊缝,热能集中,焊速快的纯激光焊是最好的方案。需要强调的是,laserHybrid系统装置同时可实现上述MIG焊,激光焊,激光-MIG复合焊三种工艺,关闭MIG焊时,系统就成为激光焊;反之关闭激光则就成为MIG焊。如果没有激光复合焊系统,VW大众集团就不得不更多采用厚而重的铝铸件。

  激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如:复合焊在焊接Phaeton车门的对接接头时,焊接速度1.2到4.8m/min都是可行的,送丝速度为每分钟4-9m/min,

  激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在A8侧顶梁上有各种规格和型式的接头,就是采用激光复合焊工艺,焊缝共计4.5m长。Stephan Helten先生是奥迪公司激光焊铝技术中心的负责人,也是奥迪顶级车采用激光复合焊技术的主导者,他强调说:“通过两种焊接方法结合使用,可以获得多样的焊接性能,综合考虑生产效率、价格、焊接质量及生产安全等各种因素,激光复合焊技术将热熔焊工艺的应用发挥到极限。”

  自2009年起,我国已连续以超过1000万辆汽车成为全球第一大汽车生产和消费市场,汽车在成为我国支柱产业的同时,也成为能源和环境的一大威胁。作为汽车节能减排的重要途径之一,汽车轻量化也更为迫切。要实现汽车轻量化,最先要解决新材料的焊接技术问题,只有这样,才能拓宽新材料在车身上更多的应用,为汽车的创新设计提供更多的可行性,从而实现我国汽车可持续性发展,最终由汽车生产大国转型为汽车强国。



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