汽车制造工艺学(第二章)-焊接

汽车制造工艺学AutomotiveManufacturingEngineering宋燕利Tel-mail：ylsong@第二章

整车企业典型制造工艺二、汽车焊装工艺车身焊装工艺是一个广义的概念，是指将冲压成型的车身各组件组装成一个完整白车身的全部工艺过程，其内容主要有焊接、滚/折边、涂胶、合装、返修等。由于焊接工艺的比重超过90%以上，因此将其统称为焊装。车身焊装工艺水平直接关系着汽车产品的外观质量和使用性能。轿车车身是汽车焊装工艺中的典型代表。图2-1汽车白车身1-前骨架，2-前围，3-顶盖，4-前翼子板外板，5-车门，6-后围板，7-后骨架，8-发动机罩，9-侧围，10-地板，11-车身整体骨架1.车身焊装工艺流程与工艺布局

车身焊装工艺流程图2-2汽车车身焊装流程图

车身焊装工艺布局焊装工艺布局合理性的评价指标：①车身在焊装线上流动应顺畅，无效输送和辅助生产时间应尽可能短；②物流配送方便；③焊装线两侧有足够的工件摆放空间；④便于产能的扩充和信息的导入。图2-3车身侧围的焊装夹具图2-4车身焊装生产线焊接是通过加热、加压或者两者并用，添加或不加填充材料，使两分离的工件在其接合表面达到原子间的结合，形成永久性连接的一种工艺方法。

车身焊装工艺方法焊接工艺在车身焊装工艺中的所占比重超过90%以上，成为影响、制约汽车产品成本、质量和工厂生产能力的关键因素。焊接方法及设备典型应用电阻焊单点焊悬点焊机+手工焊钳/一体式焊钳白车身及各大总成、分总成点焊机器人同上固定点焊机、凸焊机螺钉、螺母、小件多点焊龙门式多点焊机白车身、地板总成等C型（鳄鱼式）多点焊机地板、侧围、车门、发动机罩、行李箱盖总成等组合式多点焊机缝焊悬挂缝焊机白车身顶盖流水槽等固定缝焊机油箱等熔化焊气体保焊自动/半自动二氧化碳气体保焊机白车身总成自动/半自动混合气体保焊机（MAG焊机）车门铰链、摇篮、消音器等氩弧焊（MIG焊）车身顶盖后部两侧接缝等手工电弧焊厚料零部件螺柱焊各种焊接螺柱气体焊白车身总成补焊钎焊锡钎焊水箱等特种焊等离子弧焊白车身顶盖后角板电子束焊齿轮激光焊车身地板、顶盖总成等激光复合焊车身地板、顶盖、侧围、前后骨架等总成摩擦焊后桥壳管和法兰转向杆表2-1常用的车身焊接工艺方法

2.电阻焊电阻焊是指将被焊工件置于两电极之间加压，并在焊接处通以电流，利用电流流经工件接触面及其邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，使之达到金属结合而形成牢固接头的工艺过程。（a）点焊（b）凸焊

（c）缝焊

（d）对焊图2-5电阻焊分类

点焊预压通电维持休止

生产率高焊接质量好焊接成本低工作条件好易实现自动化生产

对工艺参数波动比较敏感焊接质量不便于无损检测

……

优点缺点四步骤点焊是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊常用于车身冲压件的搭接焊。点焊焊接质量的影响因素预压力适当的电极压力可以破坏焊接接头表面氧化污物层，使焊接接头表面保持良好的接触，促进焊接接头的熔合。热熔时在电极压力作用下形成的塑性环防止周围气体侵入和液态熔核金属沿板缝向外喷溅，对于保证焊接质量具有十分重要的作用。焊接电流电流越大所产生的焊接热越大，焊接接头处的金属越容易熔化。不同材料的熔化热和散热能力均有较大差异，因此焊接不同种类的金属应采用不同的焊接电流。点焊接头处金属厚度不同所需的焊接热也存在很大的差异：焊接较厚的金属时需要较大的焊接电流；焊接较薄的金属时需要较小的电流，否则焊接接头有被烧穿的危险。

点焊质量的影响因素通电时间（又称焊接时间）通电时间与焊接电流在一定范围内可相互补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流、短时间焊接模式（简称强条件或硬规范），也可采用小电流、长时间（简称弱条件或软规范）。选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限。点焊质量的影响因素电极形状及材料由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。点焊质量的影响因素工件表面状况工件表面氧化物、污垢、油和其他杂质均会影响工件的导电性能，通常会增大焊接接头处接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能导通，使焊接过程无法进行。氧化物层的存在还会影响各焊点加热的不均匀性，引起焊接质量的不稳定。点焊质量的影响因素彻底清洁工件表面是保证获得优质焊接接头的必要条件。材料性能导电性和导热性越高，焊接性越差；高温强度越高、屈服强度越高，焊接性越差；塑性温度范围越窄，对参数波动越敏感，焊接性越差；对热循环的敏感性越强，焊接性越差；熔点高、线膨胀系数大、易形成致密氧化膜，焊接性一般较差，比如铝及其合金。点焊质量的影响因素点焊工艺参数可以采用计算法或查表法初步确定，然后针对具体工件的特点由实验最终确定。点焊参数的选用序板厚电极直径焊接压力通电时间焊接电流号mmmmNsA11.061000～20000.20～0.406000～800021.261000～25000.25～0.507000～1000031.361500～35000.25～0.508000～1200042.082500～50000.35～0.609000～1400053.085000～80000.60～1.0014000～1800064.0106000～90000.80～1.2015000～2000075.0118000～100000.90～1.5017000～2400086.01310000～140001.20～2.0020000～26000表2-2点焊工艺参数表

点焊参数的选用

1）两种不同厚度钢板的点焊

工件厚度比小于3:1时，焊接工艺参数按薄件厚度选择，并稍增大焊接电流或通电时间。工件厚度比大于3:1时，除按上述方法处理外，还应在厚板侧采用较大电极直径，在薄板侧选用导电性稍差的电极材料。

2）三层钢板的点焊

当中间层为较厚零件时，按薄板厚度选择工艺参数，但适当增加焊接电流（增加量约为10%～25%）或增加通电时间。当中间层为较厚零件时，按厚板厚度选择工艺参数，但适当减少焊接电流（减少量约10%～25%）或减少通电时间。

3）带镀层钢板的点焊

点焊镀锌或镀铝钢板时，应比不带镀层的钢板提高电流20%～30%，同时提高电极压力20%。点焊质量检验撕开法是检验点焊质量最常用的方法。优质焊点的标志是：在撕开试样的一片上有圆孔，而另一片上有圆凸台。厚板或经淬火处理的材料有时不能撕出圆孔和凸台，但可通过剪切断口判断熔核的直径。

图2-6点焊质量的撕裂检验

凸焊凸焊原理与点焊基本相同，但两者焊接接头不同，所使用的电机构造不同，加压压力不同，另外焊件要预先按照需要加工成一定的形状。凸焊是在一焊件的贴合面上预先加工出一个或多个突起点，使其与另一焊件表面相接触并通电加热，然后压塌，使这些接触点形成焊点的电阻焊方法。凸焊特别适合车身上的螺母焊接。图2-7凸焊焊接的螺帽工艺特点在一焊接循环内可焊接一个或多个焊点，可在窄小部位上布置焊点而不受点距的限制。电流密集于凸点上，可用较小电流进行焊接，并能可靠形成较小的熔核。凸点位置准确、尺寸一致，各点的强度比较均匀。最大限度地减轻无凸点工件外露表面上的压痕。电极磨损较点焊少，大大降低了电极保养和维修费用。与点焊相比，工件表面状况对凸焊的影响较小。需要冲制凸点的附加工序；电极比较复杂；一次要焊多个焊点时需使用高电极压力和高精度的大功率焊机。凸焊电极种类圆形平头电极（标准点焊电极）电极接触面直径应不小于凸点直径的两倍，以减小工件表面的压痕。

大平头棒状电极常用于局部位置的多点凸焊，其接触面应超过全部凸点的边界，超出量一般应相当于一个凸点的直径。螺帽专用电极主要用于螺帽的焊接。电极压力凸焊的电极压力取决于被焊金属的性能、凸点尺寸和一次焊成的凸点数量等。电极压力应足以在凸点达到焊接温度时将其完全压溃，并使两工件紧密贴合。电极压力过大会过早地压溃凸点，失去凸焊的作用，同时因电流密度减小而降低接头强度。电极压力过小会引起严重飞溅。凸焊质量的影响因素焊接时间对于给定的工件材料和厚度，焊接时间由焊接电流和凸点刚度决定。凸焊低碳钢和低合金钢时，影响焊接质量的因素主要是电极压力和焊接电流。在电极压力和焊接电流确定后，通过适当调节焊接时间，以获得满意的焊接质量。通常情况下，凸焊焊接时间比点焊长，而电流比点焊小。多点凸焊的焊接时间稍长于单点凸焊。采用预热电流或电流斜率控制可提高焊点强度的均匀性并减少飞溅。凸焊质量的影响因素焊接电流焊接电流应保证凸点完全压溃之前能使凸点熔化。凸焊电流应该是在采用合适的电极压力下不致于挤出过多金属的最大电流。被焊金属的性能和厚度仍然是选择焊接电流的主要依据。多点凸焊时，总的焊接电流大约为每个凸点所需电流乘以凸点数，并作适当调整。凸焊时还应尽可能做到两被焊板间的热平衡。焊接同种金属时，应将凸点冲在较厚的工件上；焊接异种金属时，应将凸点冲在电导率较高的工件上。凸焊质量的影响因素电极材料电极材料会影响到被焊两工件上的热平衡。在焊接厚度小于0.5mm的薄板时，为了减少平板一侧的散热，常用钨—铜烧结材料或钨作电极嵌块。凸焊质量的影响因素一种金属可否凸焊关键在于其是否能支持电极压力！碳钢含碳量在0.20%以下时易凸焊，否则须预热才可凸焊；镀锌钢板和镀锡钢板也能凸焊，但金属接触面和电极表面必须清洁。铝及铝合金、镁及镁合金不易凸焊；铜及铜合金在大量生产中不采用凸焊。电极材料电极材料会影响到被焊两工件上的热平衡。在焊接厚度小于0.5mm的薄板时，为了减少平板一侧的散热，常用钨—铜烧结材料或钨作电极嵌块。凸焊质量的影响因素

凸焊质量的检验内容主要是焊接强度。常采用拉力法检测焊点的抗拉能力。凸焊质量检验3.熔化焊熔化焊指在焊接过程中将工件接口处加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。图2-8熔化焊图2-9熔化焊焊接过程焊接方向图2-10CO2气体保护焊

CO2气体保护焊CO2气体保护焊是一种熔化极低活性气体保护的电弧焊，利用焊丝与工件间产生的电弧热熔化填充料（焊丝）及工件接口处的金属，并在CO2气体保护下形成连续良好的金属焊缝。焊接电流焊接电流的选用应视工件板厚、焊接位置、焊接速度、材质等而定。为保证电弧长度的稳定，焊接电流（决定焊丝熔化速度）一旦确定，送丝速度亦随之确定。CO2气体保护焊焊接质量的影响因素图2-11送丝速度随焊接电流的变化规律。焊接电压焊接电压越高，焊接能量越大，焊丝熔化速度越快，焊接电流亦越大。焊接电压的选用方法是：根据工件的材质、厚度等选定焊接电流，然后根据下列公式计算焊接电压。

焊接电流＜300A时:焊接电压=(0.04倍焊接电流+16±1.5)伏焊接电流＞300A时:焊接电压=(0.04倍焊接电流+20±2)伏CO2气体保护焊焊接质量的影响因素焊接电压若焊接电压偏高，弧长变长、飞溅颗粒变大、焊缝宽而平、熔深和余高变小，容易产生气孔；若焊接电压偏低，弧长变短、飞溅增加、焊缝变窄、熔深和余高变大。CO2气体保护焊焊接质量的影响因素什么是熔深和余高？熔深熔宽余高图2-12焊缝截面示意图焊接速度焊接电压和焊接电流确定后，焊接速度的选择应保证焊接所需要的热量。式中：I--焊接电流；R--电弧及干伸长度的等效电阻；t--决定焊接速度的时间。焊接电压和焊接电流越大，焊接过程所产生热量越多，焊接速度可随之增大；反之，焊接速度随之减小。焊接速度直接影响汽车焊装生产的效率，为了提高焊装生产效率，就需要选用大功率的焊机。CO2气体保护焊焊接质量的影响因素混合气体保护焊（MAG焊）混合气体保护焊指采用混合气体（80%Ar+20%CO2）保护焊缝的焊接方法。较传统CO2气体保护焊，混合气体保护焊可进一步改善气体保护焊的焊缝质量。混合气体保护焊与CO2气体保护焊无本质差异，只是保护气体不同而已。熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）保护气体主要有Ar或He，保护气体不与液态金属发生冶金反应，只起隔绝空气作用，所以电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳、安定，无激烈飞溅。最适于铝、铜、钛等有色金属的焊接，也可用于钢材（如不锈钢、耐热钢等）的焊接。在汽车车身焊装工艺中主要用于车身顶盖后部两侧接缝出的焊接。螺柱焊螺柱焊统指将金属螺柱或其他类似紧固件焊到工件上的工艺方法。其工作原理是：焊枪里的螺柱首先接触工件，在焊接按钮闭合时，螺柱被焊枪提起，在螺柱与工件之间引燃电弧，使螺柱端面与相应的工件表面加热到熔化状态，达到适宜温度时，将螺柱挤压到熔池中去，使两者融合形成焊缝。

（a）预压（b）引弧（c）熔化（d）下沉、焊接冷却图2-13螺柱焊焊接过程钎焊钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。在汽车制造业中钎焊主要用于焊接水箱和维修。图2-14钎焊4.特种焊接等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体一般用氩，保护气体可选用氦、氩氦、氩氢等。图2-15熔透式焊缝图2-16穿孔式焊缝0.8～3mm厚的板材焊接3～12mm厚的板材焊接等离子弧类型非转移型转移型联合型电子束焊是一种利用电子束作为热源的焊接工艺。工作原理如下图所示。图2-17电子束焊原理图能量密度高，焊缝深而窄；焊接接头强度高、质量好；焊件热影响区小、变形小；可焊接普通金属、难溶金属及化学性质活泼的金属；可用于异种金属焊接；工艺参数可精确调整，易于实现自动化；能焊接复杂几何形状的工件；与普通焊接方法相比，焊接速率较高，特别是大厚件焊接。特点激光焊是一种利用激光作为热源的焊接工艺。工作原理如下图所示。图2-18激光焊原理图热影响区小、焊缝平整，焊接变形小、深宽比大；适应性强、可达性好、易传输；不受电磁干扰、不辐射对人体有害的射线。

激光焊在车身焊接工艺中应用得越来越广泛。近年来，凡有密封要求的焊缝几乎全部采用激光焊接。激光焊焊接质量影响因素激光功率保护气体透镜焦距低于激光能量密度阈值（与材料有关），工件仅发生表面熔化，焊接以稳定热传导方式进行，焊接熔深很浅；超过此阈值，稳定大熔深焊接能有效进行，熔深大幅提高。处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，焊接过程不够稳定，熔深波动很大。保护熔池,常用的保护气体有：氦、氩、氮等。保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。对驱散高功率激光焊接产生的等离子屏蔽很有效。影响激光光斑大小，光斑大小与焦距成正比。影响到焦深和熔深的长短，焦距大，焦深和熔深长；焦距小，焦深和熔深短，从而影响到所能焊接工件的厚度。激光复合焊是为了充分发挥激光焊优点，克服其不足（如形成疏松与气孔；易发生焊接错位；引起应力不平衡）而提出的。图2-19激光－TIG复合焊图2-20激光－MIG复合焊

图2-21激光－等离子弧复合焊包边工艺是一种将零件上冲压产生的上翻边或下翻边折弯压平后，使开启件零件的内、外板连接在一起的装配工艺。车门内外板、发动机罩内外板、门框内外板的连接大多采用包边工艺。图2-22包边结构示意图图2-23包边工艺5.焊装生产线整体效率评价焊装工位布局有效性评价的目的在于，将焊装工位效率的改进贯穿于焊装生产线和工装设计的全过程。物流箱占地面积指标F1：用每一工位的VOR值评价。操作工移动范围指标F2：用操作工移动距离评价。两相邻设备操作工工作间距指标F3：两操作工工作间距＜3m。装零件往返次数指标F4：一个工作循环取件次数＜4次。轻、中程度操作工位比例指标F5：根据操作工操作姿势及操作负重，计算出操作强度评定分值P。工位平衡指标F6：计算工位不平衡率，据此评价工位平衡度。有效操作比例指标F7：用计算工位有效时间占有率评价。焊装工位布局有效性评价量化指标（简称7F）

6.车身焊装工艺图2-24汽车车身焊装作业区与焊装工艺流程