高銘遠(yuǎn)

（大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024）

在農(nóng)用車(chē)、拖拉機(jī)、汽車(chē)等車(chē)輛白車(chē)身制造中，焊接工序至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，采用高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁合金等輕量化材料是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕量化的重要途徑之一[1]。這些材料常常具有低熔點(diǎn)、強(qiáng)氧化性、高導(dǎo)熱率等特殊性質(zhì)，因而采用傳統(tǒng)的工頻手工電焊難以達(dá)到焊接加工的質(zhì)量要求，這就為中頻電阻點(diǎn)焊、激光焊接、攪拌摩擦焊、冷金屬過(guò)渡焊等先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用提供了很大空間，并逐漸成為先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展方向。與此同時(shí)，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，智能化數(shù)字化焊接工藝及其設(shè)備也將得到應(yīng)用。

1 中頻電阻點(diǎn)焊技術(shù)

中頻逆變直流電阻焊（簡(jiǎn)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(jīng)三相橋式整流、濾波轉(zhuǎn)為單相直流波形，并經(jīng)IGBT開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)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(dòng)小且平穩(wěn)的直流電，最后供給至電極完成零部件焊接。焊接時(shí)采用一體化焊鉗。在車(chē)輛的車(chē)身焊接中常常使用中頻電阻點(diǎn)焊機(jī)，這種點(diǎn)焊機(jī)由三相電供電、低電流焊接。功率因數(shù)接近1，與普通交流點(diǎn)焊相比可節(jié)約電能達(dá)30%以上，具備焊接鋁、不銹鋼、帶鍍層鋼板及多種導(dǎo)熱材料組合焊接（如鋁—鋼點(diǎn)焊）的能力，使其在焊接鋁合金車(chē)身接頭時(shí)表現(xiàn)出較好的綜合性能。此外，中頻電阻點(diǎn)焊有助于縮短焊接時(shí)間、降低電流負(fù)荷、提升電極使用壽命。

在車(chē)輛生產(chǎn)線中常采用中頻一體式懸掛焊機(jī)，與普通交流一體式懸掛焊機(jī)相比，這種焊機(jī)的變壓器設(shè)在焊鉗內(nèi)部，無(wú)需主電纜和二次輔助電纜，其不僅可以提升焊機(jī)容量、降低線纜費(fèi)用，而且能夠增強(qiáng)操作的靈活性，大大減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，車(chē)輛車(chē)身生產(chǎn)中采用的中頻電阻點(diǎn)焊設(shè)備已做到槍體、氣缸、變壓器等零件的標(biāo)準(zhǔn)化，且維修維護(hù)成本低。

普通的氣動(dòng)焊鉗接近工件速度快，但對(duì)工件沖擊大，易導(dǎo)致工件變形加劇，進(jìn)而影響白車(chē)身尺寸精度，并會(huì)使電極定位不準(zhǔn)、電極頭磨損嚴(yán)重。中頻電阻點(diǎn)焊機(jī)常采用伺服焊鉗，這種焊鉗能夠按照預(yù)編程序，通過(guò)伺服控制器來(lái)精準(zhǔn)控制速度、位移和力的輸出，同時(shí)與工件之間的軟接觸，可大大減少達(dá)到預(yù)壓力的時(shí)間，降低對(duì)工件的沖擊，進(jìn)而提升焊接質(zhì)量和電極壽命。此外，一些國(guó)外車(chē)企還采用中頻自適應(yīng)控制（SAIRS）技術(shù)，即在焊鉗二次回路上安裝二次電壓和電流傳感器，并根據(jù)軟件動(dòng)態(tài)模擬，監(jiān)測(cè)電阻動(dòng)態(tài)變化，調(diào)整焊接電流和時(shí)間，繼而控制焊接直徑、改善焊接質(zhì)量。SAIRS技術(shù)較為先進(jìn)，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用很少。

2 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)具有能量密度高、焊接變形小、柔性好等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于車(chē)輛車(chē)身成形制造中，是車(chē)輛車(chē)身焊接的主要技術(shù)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(xiàn)已廣泛用于車(chē)輛車(chē)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(qū)小、焊縫深寬比大等特點(diǎn)。毛志濤等[3]對(duì)比了Q345 鋼板激光焊與氣體保護(hù)焊的焊接變形及殘余應(yīng)力，并利用Abaqus 軟件計(jì)算了兩種焊接方法的焊接溫度場(chǎng)、焊接變形及殘余應(yīng)力，結(jié)果表明激光焊接Q345 低合金高強(qiáng)度薄板比氣體保護(hù)焊更具優(yōu)勢(shì)。激光焊接時(shí)，若功率參數(shù)、保護(hù)氣體流量和角度等設(shè)置不當(dāng)，則會(huì)因?yàn)槿鄢卣疑疃焕诤缚p內(nèi)部氣體的逸出，從而出現(xiàn)氣孔等缺陷。此外，焊接過(guò)程中等離子體云對(duì)激光的吸收和反射作用會(huì)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(chǎn)中一般將激光焊接與其他焊接形式結(jié)合起來(lái)，形成一種復(fù)合焊接方式。從焊縫特點(diǎn)和質(zhì)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(jiàn)圖1。從實(shí)際應(yīng)用上看，常見(jiàn)的有激光-MIG焊和激光-MAG焊，這兩種復(fù)合焊接方式均可提高焊接速度，改善焊縫成型質(zhì)量。張德芬等以6009 鋁合金為母材對(duì)比了光纖激光-MIG 復(fù)合焊與光纖激光焊焊接接頭的成型性、顯微組織及力學(xué)性能，結(jié)果顯示光纖激光-MIG 復(fù)合焊的焊接速度是光纖激光焊的3 倍，且光纖激光-MIG復(fù)合焊的焊縫組織較為均勻細(xì)小，其接頭抗拉強(qiáng)度明顯高于激光焊接。在車(chē)輛白車(chē)身制造的生產(chǎn)實(shí)踐中，激光復(fù)合焊應(yīng)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(diǎn)焊技術(shù)

3.1 攪拌摩擦焊（FSW）

在車(chē)輛零部件的規(guī)?；a(chǎn)中,摩擦焊技術(shù)占據(jù)較重要的地位，而其中的攪拌摩擦焊技術(shù)被譽(yù)為“繼激光焊后最為革命性的連接技術(shù)”[4]。FSW是一種新型固相焊接工藝，同熔焊等傳統(tǒng)焊接相比，F(xiàn)SW無(wú)需焊絲、焊劑和保護(hù)氣，中厚板焊前無(wú)需開(kāi)U 形或V 形上坡口，也不用進(jìn)行復(fù)雜的焊前準(zhǔn)備，見(jiàn)圖2。焊接過(guò)程中無(wú)輻射、無(wú)煙塵、無(wú)飛濺、無(wú)有害氣體產(chǎn)生，焊接接頭質(zhì)量好，焊縫中無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊的熱輸入低，不會(huì)受到異種材料不同晶體結(jié)構(gòu)及不同物理化學(xué)性質(zhì)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(shí)顯示出一定的優(yōu)勢(shì)，故被稱為革命性的焊接技術(shù)。但攪拌摩擦焊也存在不足之處，具體表現(xiàn)在工件需要采用剛性固定方式，焊接結(jié)束后會(huì)在工件根部留下凹孔。2008年中航工業(yè)賽富斯特公司率先在國(guó)內(nèi)使用攪拌摩擦焊設(shè)備來(lái)焊接鋁合金輪轂。目前，攪拌摩擦焊已逐漸應(yīng)用于輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)支架、車(chē)架等零部件的焊接。

圖2 攪拌摩擦焊的工作過(guò)程Figure 2 Working process of stir friction welding

3.2 攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）

攪拌摩擦點(diǎn)焊是一種新型固相焊接工藝，它由FSW 派生出來(lái)。其焊接工藝過(guò)程包括攪拌頭壓入工件、攪拌頭連接、攪拌頭回撤3 個(gè)階段，工藝簡(jiǎn)單。FSSW 技術(shù)能獲得更好的焊接接頭強(qiáng)度和更高的焊接質(zhì)量，與傳統(tǒng)工頻交流電阻點(diǎn)焊相比，可節(jié)省設(shè)備成本近40%，減少能耗約99%，在車(chē)輛輕量化中具備極大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。Mazda公司在FSSW研究領(lǐng)域處于車(chē)輛工業(yè)的領(lǐng)先地位，早在2003 年便成功地將FSSW 技術(shù)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門(mén)的焊接。但傳統(tǒng)的FSSW技術(shù)在攪拌頭回撤階段，會(huì)在焊點(diǎn)處留下“匙孔”缺陷，這種典型的缺陷不僅影響焊縫美觀，還會(huì)減小接頭的有效結(jié)合面積，進(jìn)而降低接頭的力學(xué)性能。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正致力于完善傳統(tǒng)的FSSW技術(shù)，現(xiàn)已研究出無(wú)針插入式、回填式、擺動(dòng)式等FSSW改進(jìn)方法。

4 冷金屬過(guò)渡焊技術(shù)

冷金屬過(guò)渡焊是建立在傳統(tǒng)電弧焊基礎(chǔ)上的精準(zhǔn)控制型電弧焊工藝。冷金屬過(guò)渡焊技術(shù)是數(shù)字化控制與焊接過(guò)程結(jié)合的產(chǎn)物，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱輸入的精準(zhǔn)控制,在選擇適當(dāng)工藝的情況下可得到理想的焊接效果[5]。CMT 的原理是對(duì)送絲和熔滴過(guò)渡的過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)“冷”“熱”交替。當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生接觸短路、DSP 處理器監(jiān)測(cè)到短路信號(hào)時(shí)，會(huì)快速切斷電流，使電流瞬間降至為零，同時(shí)，將信號(hào)反饋至送絲機(jī)。送絲機(jī)回應(yīng)后將焊絲回抽，促使焊絲與熔滴分離。對(duì)焊絲施以100 Hz的送絲—回抽機(jī)械轉(zhuǎn)換，可使熔滴脫落進(jìn)入熔池。熔滴在無(wú)電流狀態(tài)下的過(guò)渡過(guò)程相較于MIG 焊和MAG 焊而言，落入熔池幾乎不會(huì)出現(xiàn)飛濺的現(xiàn)象。2010 年，福尼斯公司將直流CMT 改進(jìn)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(kāi)始電流極性轉(zhuǎn)換，待焊絲回抽時(shí)電流極性二次轉(zhuǎn)換。在這個(gè)極性轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)半波占比來(lái)實(shí)現(xiàn)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(shí)清除鋁合金表面的氧化膜；如果焊絲接負(fù)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(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 CMT技術(shù)工作過(guò)程Figure 3 Working process of CMT technology

鋼—鋁復(fù)合焊構(gòu)件在車(chē)輛車(chē)身輕量化中常常被采用，但鋼—鋁復(fù)合焊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生脆硬相，這種脆硬相會(huì)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(shù)對(duì)焊接間隙的適應(yīng)性強(qiáng)，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(yīng)用。Zhang HT等采用直徑1.2 mm的Al-Si焊絲對(duì)1060鋁合金和鍍鋅鋼板進(jìn)行CMT焊接試驗(yàn)，并通過(guò)高速攝像機(jī)來(lái)記錄電弧和熔滴特征，結(jié)果表明焊接過(guò)程非常穩(wěn)定且無(wú)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(qiáng)度得到保證，達(dá)到了83 MPa。

CMT 技術(shù)具有焊接熱輸入可控、熔滴無(wú)飛濺的特點(diǎn)，在車(chē)輛車(chē)身異種金屬焊接和輕量化結(jié)構(gòu)焊接中具備較大的應(yīng)用潛力，是數(shù)字化焊接技術(shù)的新突破。

5 焊接機(jī)器人技術(shù)

焊接機(jī)器人控制設(shè)備系統(tǒng)是一種功能獨(dú)立、動(dòng)作空間大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、自動(dòng)控制水平高的焊接操作機(jī)構(gòu)。在車(chē)輛車(chē)身焊裝車(chē)間，參與焊接作業(yè)的機(jī)器人按用途可劃分為點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、螺柱焊機(jī)器人和激光焊接機(jī)器人。其中，點(diǎn)焊機(jī)器人能夠操縱點(diǎn)焊設(shè)備的焊鉗來(lái)實(shí)施點(diǎn)焊焊接；弧焊機(jī)器人可操縱弧焊焊炬進(jìn)行仰焊、立焊等各種位置的焊接；螺柱焊機(jī)器人通過(guò)操縱螺柱焊槍可進(jìn)行全方位的螺柱焊接，可省下用于定位的導(dǎo)套夾具，保證焊接質(zhì)量；激光焊接機(jī)器人能夠操縱激光加工鏡組來(lái)實(shí)施激光焊接，常以CO2激光器或YAG激光器為激光源，設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。

焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于焊接精度高、加工效率高、對(duì)接質(zhì)量好、重復(fù)操作性強(qiáng)，可通過(guò)傳感器跟蹤焊縫，進(jìn)而控制焊接質(zhì)量。使用焊接機(jī)器人生產(chǎn)能夠允許多種車(chē)型使用一條生產(chǎn)線，能有效提高車(chē)輛的生產(chǎn)效率，改善車(chē)輛的生產(chǎn)制造[6]。還可根據(jù)使用要求進(jìn)行編程，即通過(guò)不同的程序設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同車(chē)型的多樣化焊接生產(chǎn)線，也可實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)的機(jī)器人在同樣裝配工位上協(xié)同實(shí)施大規(guī)模大批量的焊接。焊接機(jī)器人的缺點(diǎn)在于匹配要求高、成本高、維修保養(yǎng)困難等。如果零件無(wú)法滿足匹配要求且間隙不均勻或不平整，就會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。另外，鑒于我國(guó)勞動(dòng)力成本目前尚低于機(jī)器人的應(yīng)用成本，因此，焊接機(jī)器人大多在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工操作難到位、焊接質(zhì)量難保證的工位使用。目前，國(guó)內(nèi)很多車(chē)輛制造企業(yè)采用昂貴的進(jìn)口焊接機(jī)器人用以焊接作業(yè)，這就對(duì)機(jī)器人的操作人員和設(shè)備維護(hù)人員提出了更高要求，且機(jī)器人維修維護(hù)和更換成本高，零部件價(jià)格昂貴，配件供應(yīng)難以保障。但就車(chē)身焊接機(jī)器人的發(fā)展前景而言，其結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化，其技術(shù)將更加先進(jìn)，其用途將更加專(zhuān)業(yè)，其應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)展，會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的智能化數(shù)字化。

6 總結(jié)與展望

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外車(chē)輛制造產(chǎn)業(yè)中，常常通過(guò)大量應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金材料來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)，與此對(duì)應(yīng)的鋁合金焊接技術(shù)上也在進(jìn)一步發(fā)展與革新，并成為車(chē)輛輕量化發(fā)展的重要技術(shù)推動(dòng)力[7]。焊接工藝是車(chē)輛制造技術(shù)中最有代表性的三大工藝之一(焊裝、油漆、總裝)[8]，在車(chē)輛產(chǎn)業(yè)向新能源車(chē)輛方向轉(zhuǎn)變、車(chē)輛車(chē)身朝著輕量化發(fā)展的當(dāng)下，輕質(zhì)合金、復(fù)合材料等各種異種材料正被廣泛應(yīng)用，因而傳統(tǒng)的焊接工藝愈發(fā)難以滿足焊接的高要求。針對(duì)車(chē)輛輕量化材料的焊接需求，有待對(duì)新興的FSSW、CMT 等焊接工藝進(jìn)一步探索，尤其在不同異種材料的焊接方面，還需要進(jìn)一步開(kāi)展理論研究和工藝優(yōu)化，應(yīng)在提升焊接質(zhì)量和焊接效率方面下功夫，摸索出可操作可應(yīng)用可落地的成熟的焊接工藝。同時(shí)，針對(duì)焊接缺陷檢測(cè)與參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)研究尚處于起步階段、激光焊接工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控等技術(shù)尚未在車(chē)輛車(chē)身制造行業(yè)得到應(yīng)用的實(shí)際，有待開(kāi)展焊接智能化技術(shù)攻關(guān)，可基于不同焊接材料特性、不同焊接工藝特點(diǎn)、不同焊接作業(yè)場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)出以多傳感器為核心的焊接智能感知系統(tǒng)及高速高精焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，并建立一套“焊前軌跡自動(dòng)規(guī)劃——焊中參數(shù)自適應(yīng)控制——焊后實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)”流程體系，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛車(chē)身焊接狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知及工藝參數(shù)的反饋控制、推進(jìn)焊接智能化與車(chē)輛車(chē)身輕量化的深度融合，從而提升焊接質(zhì)量、保障整車(chē)質(zhì)量，并為未來(lái)車(chē)輛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。