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材料连接技术Materials Welding and Joining Techniques,赵兴科,课程编号：302706,第三章 典型行业中的连接技术,3-1 航天航空工业3-2 汽车工业3-3 造船业,3.2 汽车工业中的连接技术,我国汽车工业概况汽车制造中的连接技术几个发展方向,一、我国汽车工业概况,在中国古代神话中，有黄帝造车之说，故黄帝又号称轩辕氏。轩是古代一种有围棚的车，辕是车的基本构件。所以车辆应当是黄帝首先发明的。,春秋战国时期，各诸候国之间由于频繁的战争，马车便纳入了战争的行列，对于当时来说，这便是代表一个国家强盛的极明显标志。,19世纪末20世纪初，欧美一些主要资本主义国家都相继完成了工业革命，随着生产力大幅度地增长，要求用于交通运输的工具也要有相应的发展。从德国人奔驰和戴姆勒于1886年制造的第一辆汽车开始，各国都争相发展汽车，使汽车工业有了日新月异的变化。法国制成第一辆汽车的时间是1890年；美国是1893年；英国是1896年；日本是1907年；俄罗斯是1910年。,1 我国汽车工业的发展历程与现状,中国的汽车工业诞生于1953年，毛泽东亲笔题写“第一汽车制造厂奠基纪念”。,1958年5月5日 第一汽车制造厂试制成功东风牌CA71型轿车。,1988年起,汽车工业定位国民经济的重要支柱产业,形成了上海桑塔纳,一汽奥迪,二汽神龙三大轿车生产基地。还有北京切诺基,天津夏利和广州标致小轿车基地。,中国汽车工业从无到有、从小到大，从货车时代到轿车时代，从“公车”到“私车”，其创建、成长的每一步都记载着中国的巨变，成为中国制造业发展与开拓的见证。通过合资或引进国外先进的产品技术和制造技术，我国的汽车产业发展迅猛。汽车工业已成为我国的支柱产业之一，在国民经济发展中占有重要的地位。,汽车工业是用高新技术牵动国民经济整体水平的典型产业。基础工业的水平与汽车制造技术具有密切的联系。汽车重量的65以上是采用钢材、铝合金、铸铁等材料并通过铸造、锻压、焊接等加工方法完成的。焊接加工是汽车车体与零部件制造链中一个关键环节，与冲压、涂装和成车装配等构成了汽车制造的四大主要生产部门。,汽车车体焊接装配生产线,国外汽车生产线的引进，大大加快了先进的焊接技术在汽车制造中的应用。汽车工业在焊接新技术的应用与推广方面起了积极的示范作用。,汽车作为用途广泛的消费品，具有种类多，产量高的特点，对汽车零部件生产专业化、标准化以及汽车制造高质量、高效率、低成本等提出综合要求。,2 汽车制造业焊接的特点,1)接头尺寸精确 为了保证产品的装配精度和尺寸稳定性，要求尽可能减少薄板冲压组合部件在焊后的热应力与变形。2)接头性能好 不仅要满足静态和动态的力学性能指标，而且有苛刻的低周疲劳性能要求。3)焊接质量稳定 以机器人为核心的自动化焊接生产方式代替手工焊接操作方式，以确保焊接产品的一致性。,成就了汽车制造对焊接技术的特有要求：,4)焊接高效率。提出了高效化焊接方法与工艺的应用，同时也进一步提高了焊接接头的质量。5)产品零缺陷 提出了自动化焊接过程的监测与信息化管理的要求。促进了以计算机、信息技术为平台的焊接制造过程质量控制系统的应用。6)焊接工艺柔性与创新 新材料推广应用、汽车构造创新、汽车制造工艺改进，不断推动汽车焊装设备、工艺与工装的发展与提高。,汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢等六大总成都离不开焊接技术的应用。覆盖了从车身、车架、底盘到悬挂系统、制动系统、转向器、离合器、变速器直至车轮轮圈等部件的成形加工。涉及的焊接方法包括电阻焊、气体保护焊、螺柱焊、钎焊、摩擦焊、高能束焊等。,3 焊接的应用范围,已经渗透到汽车制造的各个环节。,涉及的焊接方法包括电阻焊（点焊、凸焊、缝焊、滚凸焊、螺柱焊等），电弧焊（手弧焊、气体保护焊、高能束焊等）以及钎焊、摩擦焊等。其中，点焊、气电焊、钎焊自动化程度高，易操作的特点，在汽车生产中应用最多。在投资费用中点焊约占75%，其他焊接方法只占25%。,1)点焊主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。2)多点焊用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机盖和行李箱盖等。3)凸焊及滚凸焊用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等。4)缝焊用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘等。5)对焊用于钢圈、排进气阀杆、刀具等。,1 电阻焊,二、汽车制造中的焊接技术,CO2保护焊用于车箱、后桥、车架、减震器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、液压缸和千斤顶等。氩弧焊用于机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊。焊条电弧焊用于厚板零部件如支架、备胎架、车架等。埋弧焊用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等。,2 电弧焊,1)摩擦焊用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等。2)电子束焊用于齿轮、后桥等。3)激光焊割用于车身底板、齿轮等。,3 特种焊,1)氧乙炔焊主要用于车身总成的补焊。2)钎焊主要用于散热器、铜和钢件、硬质合金的焊接。,4 其他方法,1 电阻焊的节能及控制技术,汽车生产中点焊约占75%，其他焊接方法只占25%。,1)新型电阻焊机 目前电阻焊机大量使用交流50Hz的单相交流电源，容量大、功率因数低；发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机与逆变电阻焊机。,在用普通工频焊机焊接难度加大甚至焊接质量无法保证的场合，如焊接铝合金、钛合金、镁合金等导热性好的金属，异种金属材料焊接，高强度钢板焊接，镀锌钢板焊接，多层板、厚钢板焊接，逆变式电阻焊机独具优势。,三、几个发展方向,2)电阻焊的智能化控制 将智能控制器(可编程控制器)用于电阻焊工艺过程控制，提高焊接质量和焊接生产率。,可靠地控制电阻焊机接通、关断电源；焊接电流精确可调；焊接时间精确可调且无误差；能够实现焊接过程各部分简单或复杂的循环；能够存储多套焊接规范；能够产生多种焊接电流波形；具有多次通电功能（多脉冲焊接）；具有对电极压力进行闭环控制功能；具有尽可能多的故障自诊断和报警、显示功能；能够实现焊接质量监控。,现代阻焊控制器应具有下列功能：,2 新型车体材料的连接,车身新材料的推广应用不断推动汽车车身焊装工艺的发展与提高。为提高轿车的防锈蚀性能，车身覆盖钢板大量使用镀锌钢板，镀锌钢板的点焊技术成熟，激光焊具有应用潜能。铝合金可以减轻车身重量、节约能源消耗。对传统的工频电阻焊设备和工艺提出挑战。,复合材料采用急需连接工艺的“复合”，汽车车身组焊工艺已不单纯为点焊，已有车型同时使用铆接技术，以铆接点代替点焊连接，生产过程无飞溅、无噪音，连接点质量更加可靠，尤其对于异种材料连接效果好。在进行高强度钢薄板、部分铝合金板汽车覆盖件组合连接时，使用胶接点焊结合工艺接头，具有比点焊接头更高的强度。,BMW系列车型的车身凸缘的连接加工中，采用胶接技术的已达到150m，占凸缘总长的80，而消耗粘结剂仅1.5kg；Benz CL车身结构中，大量采用了纤维增强型热固塑料、薄壁铝合金压铸件结构，采用胶接方法对该异种材料的连接接头有71m。为了满足复合材料和异种材料车体的连接，大量发展了各种机械连接或机械连接与粘结复合的连接方式，如咬接、实心或空心铆接、折叠连接、自穿孔铆接等，具有不受材料类型的限制、避免加热引起的材料性能变化和变形等独特的优势。,拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作，在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术。近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。奔驰、宝马、通用等各大汽车生产厂相继在车身中采用了激光拼焊板技术。,3 激光拼焊板技术,分离成形方法是利用不同的压机分别成形单个零件，然后将各个零件焊接起来组成目标部件。这种方法材料选择的灵活性高，但冲压和加工成本、装配成本以及形状配合问题突出，并且由于点焊时材料的重迭额外增加了车身的重量。整体成形方法则是在一台压机上将一块整体板同时成形而成为目标部件。从车身结构设计的观点来看，每个车身零件具有不同的厚度和抗腐蚀性能要求，如果是单一板成形，必须对所有零部件的材料采用相同的等级、镀层类型和材料厚度，导致对某些零件的选材裕度过大，从而增加了车身的重量，提高了成本，并且还会增大成形难度。这是整体成形方法与分离成形方法相比的一大缺点。,传统上汽车车身零件有两种成形方法，分离成形和整体成形。,同时克服传统分离成形方法和整体成形方法的缺点的生产形式拼焊板冲压成形。,以车门内板为例：为了保证功能的需要，车门内板的主体必须有一定的柔性，而门板的前、后部需要有一定的强度。如果采用传统的冲压成形方法就需要另外设计加强板，而采用拼焊技术，可先将三块不同厚度的钢板拼焊成一块整板，即可冲压成形。,激光焊接的高能密度、无填料、无搭接、深熔、速度快。焊接接头的热影响小，保留良好的材料成形性能；焊缝较狭窄且平整，消除成形过程的不利影响，避免了破坏工具、模具的危险；焊接生产效率高，能够实现高度自动化。,激光焊接凭着多项显著的优点，非常适合用于生产拼焊板。,零件数量的减少，以及随之而来的生产设备和制造工艺简化，大大提高了生产效率，降低整车制造及装配成本；由于产品的不同零件在成形前即通过激光连续焊接工艺焊接在一起，因而提高了产品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差；通过部件的优化减轻了重量，从而降低油耗，处于环保时代，这一点非常重要；由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，大大提高了装配件的抗腐蚀性能；通过消除搭接提高部件的耐腐蚀能力，大大减少了密封措施的使用；,通过对材料厚度以及质量的严格筛选，在材料强度和抗冲击性方面给零部件带来本质的飞跃，同时改良了结构，在撞击过程中，可以控制更多的能量得到吸收，从而改良车身部件的抗击冲撞能力，提高车身的被动安全性；实现对材料性能的最充分的利用，达到最合理的材料性能组合；材料厚度的可变性以及其可靠的质量，保证了在对某些重要位置的强化改进可以顺利进行；对产品的设计者而言增加了产品设计的灵活性。,目前，由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A、B、C立柱、轮罩、尾门内板等。,汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人生产方式在汽车焊接中获得了大量应用。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76，成为工业机器人的最主要用户。1978年上海牌轿车底盘的焊接在国内率先应用焊接机械手；1984年一汽最早引进点焊机器人用于“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。90年代以后，焊接机器人的数量迅速增加，除点焊机器人外，还有MIG/MAG焊接机器人，应用范围和应用量均大幅增加。,4 焊接机器人,目前发达国家，日本、美国、德国等，汽车机器人焊接生产向柔性化和集成化方面发展。,新一代汽车正迅速地向节能、环保、更高的安全性和舒适性的目标发展。对汽车的设计、材料的选择及其焊接加工等关键技术提出了全新的概念和对新技术的紧迫需求。以轻量化为目标，表现为轻金属材料、复合材料等对汽车钢制部件的替代；以液压成形的管状型材车体框架对传统的无梁式钢板结构的替代。新技术的开发应用并对传统技术的提升和替代，己成为近年来国际汽车行业技术进展的显著特点。,5 焊接结构,液压成形的管状型材车体框架示意图,传统的焊接技术正经历着由经验性工艺向材料加工科学的变革。随着计算机与信息技术的工业应用，促进了传统的焊接生产向“精量化”的先进制造方式转变，并逐步与汽车制造加工链在产品生命全周期的有机集成。在当前汽车制造的焊接生产中，具体表现在对以减少消耗和提高综合效益为目标的信息化制造的迫切需求。,6 计算机与信息技术在汽车焊接中的应用,基于虚拟现实建模的机器人焊接过程仿真技术提供了关于工件、夹具和机器人焊枪姿态的三维信息，已大量地应用于焊接过程规划、工艺参数的优化以及焊接夹具的设计等各个制造环节。对加快机器人焊接程序的编制、节约现场调试时间以及焊接过程位置信息的准确获取具有重要应用价值。,目前的仿真技术已有能力进行焊接工艺参数对焊缝质量的影响的评估，以及对焊后的应力与变形作出预测。新型车型的车身材料将从镀层钢板、铝合金、高分子聚合物、复合材料等进行选择、优化和组合，因此在设计阶段就需要对多种材料的连接方式及其应达到的性能，尤其是疲劳性能、冲击性能等进行综合考虑，通过对接头的仿真作出适用性评价。,基于过程参数的焊缝质量实时监测和缺陷检出以及焊接生产过程及其产品质量信息的在线反馈均在实施中。美国、德国汽车制造业的质量管理体系中，都明确规定了对生产过程中的每个部件产品质量的可记录性和可追溯性。以计算机和信息技术为平台的焊接生产过程信息系统为汽车焊接生产过程的质量状况分析与优化、以及企业的管理与决策提供准确的依据。,从50年代开始的中国汽车制造业，以手工焊和电阻点焊作为主要加工手段跨出了汽车制造的第一步，如今已进入了世界汽车生产大国的行列。我国汽车制造业在高速增长的同时，对基础制造技术上的认识深化和自主开发的需要已越来越迫切。从一个“支柱产业”对基础制造技术的强大牵动作用及其对传统制造方式的巨大挑战，充分反映了发展制造业的极其重要性和技术创新的紧迫性。中国与发达国家的汽车工业还存在巨大的差距，汽车工业是世界性的产业，面对国际竞争的全球化、国内竞争的国际化的形势，为使我国的汽车工业能快速跨越到全球经济的高度，在世界汽车工业的发展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接科学与技术在内的基础制造技术的进步和创新能力的提高，才能实现具有中国特色的汽车工业自主发展的目标。,结束语,
