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工程師必讀:激光焊接工藝之汽車制造篇
文章作者:不詳 上傳更新:21-07-07

    導讀:汽車工業中,焊接是汽車零部件與車身制造中的一個關鍵環節,起著承上啟下的特殊作用,同時,汽車產品的車型眾多、成形結構復雜、零部件生產專業化、標準化以及汽車制造在質量、效率和成本等方面的綜合要求,都決定了汽車焊接加工是一個多學科、跨領域和技術集成性強的生產過程。

      一、焊接的定義和分類

      焊接的定義:焊接是指通過加熱或者加壓,或者兩者并用;加或不加填充材料;使兩分離的金屬表面達到原子間的結合,形成永久性連接的一種工藝方法。

      常見的焊接方法有熔焊,壓焊和釬焊三種。

      1、熔焊:焊接過程中,將焊接接頭在高溫等的作用下至熔化狀態。由于被焊工件是緊密貼在一起的,在溫度場、重力等的作用下,不加壓力,兩個工件熔化的融液會發生混合現象。待溫度降低后,熔化部分凝結,兩個工件就被牢固的焊在一起,完成焊接的方法。

      2、壓焊:利用焊接時施加一定壓力而完成焊接的方法,壓力焊又稱壓焊。鍛焊、接觸焊、摩擦焊、氣壓焊、冷壓焊、爆炸焊屬于壓焊范疇。

      3、釬焊:采用比母材熔點低的金屬材料作釬料,將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點,低于母材熔化溫度,利用液態釬料潤濕母材,填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的方法。

      二、常用的焊接方法及其優缺點

      1、點焊

      屬于電阻焊的一部分,將被焊金屬工件壓緊于兩個電極之間,并通以電流,利用電流經過工件接觸面及臨近區域產生的電阻熱,將其局部加熱到熔化成塑性狀態,使之形成金屬結合的一種連接方式。點焊是一種高速、經濟的連接方法。它適于制造可以采用搭接、接頭不要求氣密、厚度小于3mm的沖壓、軋制的薄板構件,點焊要求金屬要有較好的塑性。這種方法廣泛用于汽車殼體、配件、家具等低碳鋼產品的焊接。

      優點:

      熔核形成時始終被塑性環包圍,熔化金屬與空氣隔絕,冶金過程簡單。

      加熱時間短,熱量集中,故熱影響區小,變形與應力也小。通常在焊后不必安排較正和熱處理工作。

      無需焊絲、焊條等填充金屬,以及氧氣、乙炔、氬氣等焊接耗材,焊接成本低。

      操作簡單,易于實現機械化和自動化。

      生產率高,噪聲小且無有害氣體。

      缺點及局限性:

      目前還缺乏可靠的無損檢測方法,焊接質量只能靠工件試樣和工件的破壞性試驗來檢查,靠各種監控和監測技術來保證。

      點、縫焊的搭接接頭不僅增加了構件的質量,而且因在兩板間熔核周圍形成尖角,致使接頭的抗拉強度和疲勞強度均較低。

      設備功率大,機械化、自動化程度較高,使設備的成本較高,維修較困難。

      2、MIG焊

      熔化極氣體保護電弧焊是采用連續等速送進可熔化焊絲與焊件之間的電弧作為熱源熔化焊絲和母材金屬,形成熔池和焊縫的焊接方法。為了得到良好的焊縫應利用外加氣體作為電弧介質并保護熔滴、熔池金屬及焊接區高溫金屬免受周圍空氣的有害作用。

      優點:

      GMAW法可以焊接所有的金屬和合金。

      克服了焊條電弧焊法條長度的限制。

      能進行全位置焊。

      電弧的熔敷率高。

      焊接速度高。

      焊絲能連續送進,所以得到長焊縫沒有中間接頭。

      由于產生的熔渣少,可以降低焊后清理工作量。

      它是低氫焊方法。

      焊接操作簡單,容易操作和使用。

      缺點及局限性:

      焊接設備復雜,價格較貴又不便于攜帶。

      因焊槍較大,在狹窄處的可達性不好,因此影響保護效果。

      室外風速應小于1。5m/s,否則易產生氣孔,所以室外焊接應采取主風措施。

      GMAW是明弧焊,應注意預防輻射和弧光。

      3、螺柱焊:

      將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固性(栓、釘等)焊接到工件(一般為板件)上去的方法叫做螺柱焊。螺柱焊接技術是為提高焊接質量和效率而發展起來的一項專業焊接技術。通過螺柱焊接的方法,我們可以將柱狀金屬在5ms~3s的短時間內焊接到金屬母材的表面,焊縫為全斷面熔合。由于焊接時間短,焊接弧度高,焊接能量集中,操作方便,焊接效率高,對母材熱損傷小等特點,這項技術被廣泛地應用在汽車等行業。實現螺柱焊的方法有電阻焊、摩擦焊、爆炸焊以及電弧焊等。

      優點:

      焊接時間短,只有1-3ms,空氣來不及侵入焊接區,焊接接頭已經形成,因此無需保護措施。

      螺柱直徑與被焊工件壁厚之比可以達到8-10,最小板厚約0.5mm。

      不用考慮螺柱長度的焊接收縮量,這是因為溶池很小,而且接頭是塑性連接。

      接頭沒有外部可見的焊腳,不需要進行接頭外觀質量檢查,不會有氣孔、裂紋等缺陷。

      4、TIG焊

      在惰性氣體的保護下,利用電極與母材金屬(工件)之間產生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的焊接過程。

      優點:

      惰性氣體不與金屬發生任何化學反應,也不溶于金屬,為獲得高質量的焊縫提供了良好條件。

      焊接工藝性能好,明弧,能觀察電弧及熔池,即使在小的電流下電弧仍然燃燒穩定,焊接過程無飛濺,焊縫成型美觀。

      容易調節和控制焊接熱輸入,適合于薄板或對熱敏感材料的焊接。

      電弧具有陰極清理作用。

      適用于全位置焊,是實現單面焊雙面成型的理想方法。

      缺點及局限性:

      熔深較淺,焊接速度較慢,焊接生產率較低。

      鎢極載流能力有限,過大的電流會使焊接接頭的力學性能降低,特別是塑性和沖擊韌度降低。

      對工件的表面要求較高。

      焊接時氣體的保護效果受周圍氣流的影響較大,需采取防護措施。

      生產成本較高。

      5、凸焊:

      凸焊同點焊一樣,均屬于電阻焊,凸焊與點焊的差別在于,凸焊的工件上需要預制一定形狀和尺寸的凸點,焊接過程中電流通路面積的大小決定于凸點尺寸,而不像點焊那樣決定于電極端面尺寸。

      優點(與點焊相比較):

      一次同電可以同時焊接多個焊點,不僅生產率高,而且沒有分流影響。

      電流密集于凸點,與點焊相比,焊接電流分布更集中,故可用較小電流進行焊接,并能可靠地形成較小的熔核。

      凸點的位置準確,尺寸一致,各點的強度比較均勻。

      電極的磨損量比點焊小,因而大大降低了電極的保養和維修費用。

      與點焊相比,工件表面的油、銹、氧化皮、鍍層和其他涂層對凸焊的影響較小。

      可以焊接一些點焊難以焊接的板厚組合。

      缺點及局限性(與點焊比較):

      需要沖制凸點的附加工序。

      有時電極比較復雜。

      當一次同電焊接多個焊點時,需要使用高電極壓力、高機械精度的大功率焊機。

      三、焊接缺陷及其控制方法

      1、未熔合

      主要是焊縫金屬和母材之間或焊道金屬和焊道金屬之間未完全熔合的部分,即填充金屬粘蓋在母材上或者是填充金屬層間而部分金屬未熔合在一起。

      防止措施:

      稍減焊接速度,略增焊接電流,使熱量增加到足以熔化母材或前一層焊縫金屬;

      焊條角度及運條應適當,要照顧到母材兩側溫度及熔化情況;對由熔渣、臟物等所引起的未熔合,要加強清渣,將氧化皮等臟物清理干凈;

      注意分清熔渣和鐵水,焊條有偏心時應調整角度使電弧處于正確方向;

      氣體保護焊尤宜控制焊接速度不要過高,電弧電壓偏低,維持一定的弧長,保持射流過渡,而且優先應用氦混合氣體作為保護氣體;

      半自動焊或埋弧自動焊場合,焊絲直接對準接頭根部以確保根部焊透。

      2、咬邊

      咬邊是焊接過程中,電弧將焊縫邊緣熔化后,沒有得到填充金屬的補充,在焊縫金屬的焊趾區域或根部區域形成溝槽或凹陷。

      防止措施:

      選用合適電流,避免電流過大;

      控制焊接速度,使其必須滿足所熔敷的焊縫金屬完全充填于母材所有已熔化的部分;

      采用擺動工藝時,在坡口邊緣運條稍慢些,焊條應做短時停頓,以使焊縫金屬與鄰接板料之間的溫度相近,在坡口中間運條速度要快些,并使填充金屬與基本金屬混合均勻;

      手工焊要控制焊條的位置,在角焊時,焊條要采用合適的角度和保持一定的電弧長度,保持運條均勻,既要保證完全熔化,又要使焊接熔池形成飽滿的外形;

      盡量采用短弧焊;

      當有可能形成過量咬邊時,應盡量避免在水平位置施焊角焊縫,而采用船形位置焊接;

      過量的擺動也容易形成咬邊,可采用多道焊工藝克服這一缺陷。

      3、焊瘤

      焊瘤是過量的焊縫金屬流出基體金屬熔化表面而未熔合,這種金屬是由于熔池溫度過高,使液體金屬凝固較慢,在自重作用下下墜而形成。也就是在焊接過程中,熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上所形成的金屬瘤。在角焊縫中產生的頻度多于對接焊縫。

      防止措施:

      正確選擇工藝參數,間隙不宜過大,選用較平焊小10%~15%的焊接電流,嚴格控制熔池溫度,防止過高;

      選用小直徑焊條施焊,焊條左右擺動中間快些,兩側稍慢些,在邊緣有稍停留的穩弧動作時間;

      在對接焊第一層時,要注意熔池溫度,密切觀察熔池形狀。如發現開始有下墜跡象應立即滅弧,讓熔池溫度稍微下降,再引弧焊接;

      選擇合適的焊條傾角,使用堿性焊條時宜采用短弧焊接,運條速度要均勻。

      4、弧坑

      弧坑是由于斷弧或收弧不當,在焊縫末端形成的凹陷,而后續焊道焊接之前或在后續焊道焊接過程中未被消除,弧坑通常出現在焊縫尾部或接頭處,弧坑不僅削弱焊縫截面,而且由于冷速較高,雜質易于集聚,而伴隨產生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

      防止措施:

      正確地選擇焊接電流;

      采用斷續滅弧法或用收弧板,將弧坑引至焊件外面;

      手工電弧焊在收弧過程中焊條在收尾處作短時間停留或作幾次環形運條,使足夠的焊條金屬填滿熔池;

      在埋弧自動焊時,分兩步按下&“停止&”按扭,目的是為了填滿弧坑。

      5、凹坑

      焊后在焊縫表面或背面形成低于母材表面的局部低洼部分叫凹坑,焊縫背面的凹坑通常又叫內凹。

      防止措施:

      壓短弧長、調整焊條傾角和適當減少裝配間隙;

      焊條在收尾處稍多停留一會,為避免因停留時間過長,導致熔池溫度過高,而造成熔池過大或焊瘤,應采用幾次斷續滅弧來填滿,即在該處稍停留后就滅弧,待其稍冷后再引弧,并填充一些熔化金屬,這樣幾次便可將凹坑填滿。但堿性直流焊條不宜采用斷續滅弧法,否則易產生氣孔。

      6、未焊透

      未焊透是指基本金屬之間,或者基本金屬與熔敷金屬之間的局部未熔合現象,它和未熔合有些相似,有時很難區別。

      防止措施:

      正確選擇坡口型式和裝配間隙,注意坡口兩側及焊層之間的清理;

      正確選擇焊接電流的大小;

      隨時調整運條中焊接的角度,使熔化金屬之間及熔化金屬與基本金屬之間充分熔合;

      7、燒穿

      焊接過程中,熔化金屬自坡口背面流出,形成穿孔的缺陷。

      防止措施:

      減小焊接電流,適當增加焊接速度;

      嚴格控制焊件間隙,并保證這種間隙在整個焊縫長度上的一致性。

      四、汽車焊接新技術和新方向

      1、激光焊接技術

      激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的一種高效精密的焊接方法。,焊接過程屬熱傳導型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其獨特的優點,已成功應用于微、小型零件的精密焊接中。

      激光焊接的特點是被焊接工件變形極小,幾乎沒有連接間隙,焊接深度/寬度比高,因此焊接質量比傳統焊接方法高。汽車工業中,激光技術主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。

      2、塑料焊接技術

      超聲波塑焊是將高頻率機械振動通過工件傳到接口部分,使分子加速運動。分子摩擦轉換成熱量使接口處塑料溶化,從而使兩個焊件以分子聯接方式真正結合為一體。因為這種分子運動是在瞬間完成的,所以絕大部分的超聲波塑焊可以0.25~0.5s內完成。

      Branson塑料焊接技術已被成功地運用于汽車保修杠、儀表板和儀表盤、剎車顯示燈、方向指示器、汽車門板以及其他與發動機有關的零部件制造工業中。近年來,原先許多傳統使用金屬的零部件也開始用塑料代替,如進氣管,儀表指針,散熱器加固,油箱,過濾器等。

      3、電阻焊的節能及控制技術

      發展三相低頻電阻焊機、三相次級整流接觸焊機和IGBT逆變電阻焊機,可以解決電網不平衡和提高功率因數的問題,同時還可進一步節約電能,利于實現參數的微機控制,可更好地適用于焊接鋁合金、不銹鋼及其他難焊金屬的焊接。另外還可進一步減輕設備重量。

      4、等離子焊(PAW)

      等離子是指在標準大氣壓下溫度超過3000℃的氣體,在溫度譜上可以把其看作為繼固態、液態、氣態之后的第四種物質狀態。等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發展起來的一種焊接方法。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強化之后而獲得電離度更高的電弧等離子體,稱等離子弧,又稱壓縮電弧。

      等離子的焊接工藝應用在油箱的兩個半圓邊緣的焊接。氬氣保護的等離子焊接切割早已在各行業應用,主要用于合金鋼和有色金屬加工。發動機氣閥體早已采用填充圈等離子焊接。近十幾年來粉末等離子堆焊有很大發展,可進行小熔合比的薄層料精細堆焊,能堆焊各種特種合金表面。

      5、TCP自動校零技術

      TCP自動校零是用在機器人焊接中的一項新技術,它的硬件設施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當焊槍以不同姿態經過TCP支座時,激光傳感器都將記錄下的數據傳遞到CPU與最初設定值進行比較與計算。當TCP發生偏離時,機器人會自動運行校零程序,自動對每根軸的角度進行調整,并在最少的時間內恢復TCP零位。

      目前在波羅后橋及帕薩特副車架的機器人焊接生產線上均采用了該技術,大大方便了設備調整,節約了調整時間,提高了產品的質量。

      6、焊縫自動跟蹤技術

      焊縫自動跟蹤技術為電弧電壓跟蹤傳感,該系統具有尋找焊縫起始點、終點以及弧長參考點,焊接過程中根據弧長的變化,用電弧傳感器控制電壓自適應控制。這種方法也只能應用于角接接頭形式,對于轎車底盤零件大量的薄板搭接焊縫,因無法尋找弧長參考點也無法應用。

     7、機器人焊接

      工業機器人,因集自動化生產和靈活性生產特點于一身,故轎車生產近年來大規模、迅速地使用了機器人。在焊接方面,主要使用的是點焊機器人和弧焊機器人。國內汽車焊接水平與國外相比差距很大,焊接的自動化已經引起國內汽車生產廠家的重視。

      原文轉自金屬加工。

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