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国产焊接技术装备在汽车制造业的作用
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:4/10/2006 阅读:10257

 

 

国产焊接技术装备在汽车制造业的作用

 

 

        王旭友  张善保   

 

(哈尔滨焊接研究所  哈尔滨  150080

 

 

 

摘要:汽车制造业大量采用焊接技术,成为焊接技术应用的广阔舞台;综合性焊接新技术是汽车制造业不可缺少的有力支撑。国产焊接技术装备在汽车制造业的应用实践表明,汽车制造企业与焊接技术装备研究开发机构的协调合作,是促进我国汽车制造业发展和焊接技术进步的良好途径。

关键词:焊接技术  汽车制造

 

AbstractWelding technology is widely used in automobile manufacturing. Comprehensive and new welding technology is an essential and powerful support to the development of automobile manufacturing. The application of domestic welding technology and equipment in automobile manufacturing showed that a good collaboration between automobile industry and R&D organizations for the welding technology and equipment is better way to promote development of automobile manufacturing and progress of welding technology.

Key words: welding technology, automobile manufacturing

 

0     

 

汽车生产是当今迅猛发展的制造业之一。在汽车生产中,大量采用焊接技术,以至于焊接技术已成为汽车生产必不可少的重要工艺手段。特别是随着制造技术的进步,汽车的制造已从传统的一次性制造生产,发展出了汽车再制造的新的产业分支,即旧车的更新改造产业正在兴起。在这个新兴起的再制造产业当中,也同样需要各种相关焊接技术。汽车生产需要的焊接技术是多种多样的,如磨擦焊、激光焊、电阻焊、气体保护焊、钎焊、电弧钎焊和喷涂等。上述这些综合性焊接技术的不断发展和进步,构成了汽车制造产业的有力支撑,并促进着汽车制造业的不断发展和进步。其中,国产焊接技术装备是一支制造技术生力军,充分发挥这支生力军的作用具有重要意义。

 

1           电阻焊

 

电阻焊是汽车制造业中应用较早的一种焊接方法,应用较多的是电阻点焊,其中包括凸焊,其次是电阻缝焊。可以采用自动焊专机,也可以采用焊接机器人。采用机器人还是采用自动焊专机,要根据被焊工件的具体情况而定。在汽车制造中铝合金的电阻点焊,是一个值得重视的焊接技术问题。铝合金的点焊,要求电极从开始压紧直到点焊熔核完全凝固的整个过程中,都应保持合适的压力,否则因收缩可能产生气孔和裂纹。因此,焊接铝合金的电阻焊机,除了要具有低惯性的机头之外,还需具备在熔核凝固时增加电极压力的功能,以锻压熔核而提高焊缝的致密性。另外,若在没有清洗或清除氧化膜的铝件上焊接,则电极粘附增加,电极使用寿命降低,导致焊件剪切强度降低、焊缝质量波动和形状不均匀。铝合金电阻焊的另一个关键是工件电阻小、导热快,适于采用直流电源,而直流电源成本高,如采用三相低频电源则具有低成本而优质的特点。哈尔滨焊接研究所为白山车门厂提供了多台自动焊专机,用于奥迪轿车铝合金车门的焊接,其中包括车门三角区的多点焊接专机和上框与下摆总成的点焊专机。车门三角区接头共7点分两次完成。合理设计制造的点焊专机配合优化的焊接工艺参数,使接头质量达到了令人满意的结果。

 

2           磨擦焊

 

起源于100多年前的磨擦焊技术,自从20世纪50年代焊接出合格接头以来,就以其优质、高效、低耗、环保等突出优点而倍受制造业的青睐,并与汽车工业结下了不解这迷。

我国的磨擦焊研究始于1957年,是世界上最早开展磨擦焊研究的几个少数国家之一。作为国内磨擦焊技术发祥地的哈尔滨焊接研究所,一直十分重视磨擦焊技术的研究开发。

2.1    排气阀和增压器的磨擦焊

哈焊所磨擦焊研究的方向,一开始就首先瞄准国家的需要和面向生产实际,与许多生产厂家合作,在生产中找课题,解决问题,大力推广磨擦焊,促进科研成果的转化和生产的发展。同样,汽车工业也是推广应用的重点,并首先把磨擦焊成功地用在了汽车排气阀(见图1)、汽门推杆、减振器、半轴、传动轴、扭力管、增压器(见图2)、内燃机燃油喷嘴和汽车搬手等许多汽车零部件生产中,体现了磨擦焊的优越性。

哈焊所在60年代就紧跟世界潮流,开始关注双金属排气阀的磨擦焊研究,为提升我国排气阀产品质量,赶上世界先进水平,大力推广双金属磨擦焊排气阀。

为提高汽车发动机的性能,根据排气阀在发动机上的作用,在结构上要求排气阀的阀盘、阀面及阀杆各部位具有各自不同的使用性能,如阀盘要具有较高的热稳定性及耐腐蚀性;阀面材料要具有高的耐磨性,耐腐蚀性及抗冲击性;而阀杆则要有良好的导热性、耐磨性及抗粘附性。对于同一气阀上的不同部位在使用性能上要求有如此悬殊的差异,对于以往一种材料的整体气阀绝对无法胜任,异种金属的对焊使上述矛盾得到了统一,磨擦焊以其独特的优势在双金属气阀的焊接上,成为最理想的方法,如采用奥氏体热强钢5Cr21Mn9Ni4N21-4N)与马氏体热强钢4W9Si2磨擦对焊。哈焊所经过深入研究,先后成功解决了一系列工艺技术难题,接头性能达到了设计要求。

70年代,为二汽厂研制了我国第一台HSMZ9型全自动双金属排气阀磨擦焊机,结束了我国不能生产磨擦焊双金属排气阀的历史,并在一定意义上打开了我国越野车出口的大门(国际市场要求发动机必须采用磨擦焊双金属排气阀)。进入80年代,哈焊所磨擦焊机研制进入产业化发展阶段,自主生产的近40HSMZ13型半自动、全自动排气阀磨擦焊机(见图3),面向包括一汽、二汽在内的国内排气阀行业提供了必需的设备,全面推动了异种钢排气阀的磨擦焊生产,取得了可观的经济和社会效益。

 

2.2    汽门推杆的磨擦焊

哈焊所在1982年开始了汽门推杆的磨擦焊试验研究。气门推杆是内燃机的重要部件,它在工作中起着压住挺柱与凸轮接触的作用,整个推杆受振动。要求这个零件要体轻且具有一定的刚性,工作面要耐磨,耐腐蚀。该产品传统为整体加工,采用低碳钢棒经局部热镦粗成形,粗加工后再进行渗氮、渗碳、表面高频淬火等热处理,最终精磨抛光。新产品改为锻焊结构,采用磨擦焊实现轴承钢球、冷拔管及冷镦球窝三个成品件的装配焊接。新工艺使产品更新换代,不仅推杆生产工艺简便,成本降低,而且可用异种钢焊接而成,改进了设计,提高了质量。如轴承钢球精度高、耐磨、耐腐蚀、价格便宜;冷镦球窝与杆身的装配焊接实现了少无切削加工;空心杆身刚性好,特别是重量减轻使挺柱与凸轮间的高副磨擦的接触应力明显下降,进而又提高了凸轮及挺柱的使用寿命,这对内燃机其他质量指标如效率、油耗、噪声等也得到改善。磨擦焊技术给推杆的生产带来了革命性的跨越。

2.3    半轴的磨擦焊接

半轴作为汽车上的重要零件,由于结构上的特点,杆长且截面变化大,给制造带来不便,传统工艺是棒料在较昂贵的平锻机上多工位局部镦粗成形制造整体锻坯,在很多配套厂不具备平锻机的条件时,多采用自由锻制坯,杆部拔长,再头部模锻成形,工艺复杂效率低,易产生折叠等锻造缺陷,甚至无法返修造成废品。该产品采用锻焊结构是最合理的,而磨擦对焊应是首选。哈焊所利用自己雄厚的技术储备,解决了ф30mm45钢半轴磨擦焊工艺及焊后检验等一系列生产实际问题,达到了产品设计的各项性能指标,使哈飞微型车半轴实现了全部的磨擦焊生产,取得了可喜的经济效益。另外,推出的两台25型焊机也在这里发挥了应有的作用。

增压器轮盘与轴的焊接早在60年代就已开始,目前增压器已全行业实现了磨擦焊生产,成为磨擦焊在汽车行业应用的一个亮点,甚至影响到机车、轮船等产业也纷纷效法推广。由于磨擦焊当年解决了铸造高温合金K13涡轮盘与结构钢轴的磨擦焊质量问题,结束了增压器落后的复杂而又笨重的机械连接结构的历史,大大提高了产品质量和机械效率,从而跟上了世界发展的潮流。

2.4    传动轴、叉轴扭力管的焊接

长期以来,哈尔滨焊接研究所致力于典型汽车零件的磨擦焊生产。除了减振器、预燃烧室烧嘴、随车工具的双头搬手外,还与一汽合作,在试验室为其进行了解放车传动轴(见图4)、半轴、连杆、叉轴(见图5)、扭力管和转向轴等诸多产品的磨擦焊工艺试验研究,其中有许多已投入生产,如哈焊所提供的HSMZ28型设备已交付一汽生产扭力管,配套厂提供的汽车双头搬手也已改用磨擦焊生产。

2.5    桥壳的磨擦焊

有些新成果也都优先在汽车产品上运用,以期收到更好的效果,如磨擦焊的定相位技术、焊机上直接冲除飞边技术、磨擦焊的形变热处理技术等。桥壳是汽车上一典型的重要结构件,多采用合金结构钢与低合金钢CO2气体保护焊,目前国外已普遍采用磨擦焊生产。国内也有许多企业在策划、预研,有的还购置了设备焊接产品,大有用磨擦焊取代熔焊的趋势。但由于桥壳磨擦焊工艺接头疲劳性能难以突破,成为磨擦焊技术的研究热点。哈焊所独创了一套磨擦焊在线形变热处理技术并获得国家发明奖和发明专利。该技术的核心是充分利用和挖掘磨擦焊过程中自身所具有的形变和相变的特点,把磨擦焊工艺和热处理工艺相结合,同时发挥形变强化与相变强化的双重优势,达到了单一强化作用所不及的强韧化效果,以其简单工艺流程解决了目前国内外所面临的磨擦焊接头韧性低的难题,即在保证不降低接头强度的条件下,接头韧性达到甚至超过调质母材的水平。同时,设计制造了具有形变热处理功能的HSMZ型系列混合式磨擦焊机投放了市场,在石油钻杆、抽油杆、油管等的焊接中收到了预期的效果,其中HSMZ120型焊机适合大截面汽车后桥的磨擦焊生产。这一成果必将在汽车后桥的磨擦焊生产中发挥应有作用。

 

3 气体保护焊

 

气体保护焊是汽车制造中的又一重要工艺方法,诸如消声器、净化器、车门、拼板和桥壳等,许多零部件都可以采用气体保护焊来完成。

3.1    奥迪轿车铝合金车门自动焊生产线中的气体保护焊装备

哈焊所提供的奥迪轿车铝合金车门的自动焊生产线中,车门上框的焊接为氦弧TIG焊机器人工作站,其中前车门上框为一个工位,后门上框为两个工位。奥迪轿车铝合金车门的前门上框锐角接头是一个异形截面的型材组合,其材质属A1-Mg-Si系。焊接为插片熔焊式,即该接头的中间为一相同异形截面的插片,使用氦弧焊的方法将其与两个边框熔合而完成。其氦弧TIG焊机器人工作站照片见图6。焊接过程是待焊的两个边框采用设备中的两个圆盘锯同时按要求的角度切出横断面;然后在两边框对合的过程中,设备自动将插片插入并被两边框夹紧;最后由机器人分三次焊好该接头。插片的熔点略低于边框,而氦弧的电弧能量集中,由此可以获得尖角处无塌陷的令人满意的焊道外观。这里的技术关键在于工装夹具的特殊设计和焊接工艺参数的优化。

 

车门总成焊接则为氩弧MIG焊,为两套三工位的弧焊机器人工作站,其中一套工作站焊接前门;另一套工作站焊接后门。在每套工作站中,有两个三角区焊接变位机,一个两工位的上框与下摆总成变位机。分别进行前左右门的三角区与上框总成件,前左右上框与下摆总成件和后左右门的三角区与上框总成件,后左右上框与下摆总成件的焊接。专机MIG焊接机器人工作站如图7所示。

 

3.2    一汽大众宝来轿车前纵梁焊接机器人生产线

这是一汽大众首次采用国内企业装备集成的轿车生产线,该生产线安装在焊装车间宝来A4主焊流水线上。为该生产线提供了两个工作站,一个是前纵梁组合点装;另一个是机器人焊接,其生产线如图8所示。

 

每个工作站均采用升降式传输滚床进行车身的传输和定位,在滚床两侧安装有用于车身定位夹紧的工装夹具。其中,前纵梁组合点装工作站还装有前纵梁的定位夹紧夹具。所有工装夹具均采用三座标测量仪进行测量,并以此进行调整,保证了安装精度在±0.10mm。机器人焊接工作站还装有机器人一维滑轨。当需要焊接时,机器人沿滑轨移动到相应的位置后,再进行焊接;当需要进行车身传输时,机器人沿滑轨移动到一侧端头,以不妨碍车身的传输,同时进行焊枪喷嘴的清理。

升降式滚床、机器人与电焊机控制器之间的通信以及与其他相邻工作站之间的通信,均采用InterBus-S现场总线进行,其通信介质是光纤。由于采用光纤这种通信介质,可以保证通信信号不受焊接产生的谐波干扰,使通信更加可靠,不会产生错误信号。同时,采用现场总线的方式,为实现车间自动化打下基础,提高了总体管理水平。

通过这个项目的实践,哈焊所在汽车制造中焊接生产线的设计、制造方面积累了经验。

3.3    二汽东风汽车转向轴焊接生产线及焊接专机工作站

东风汽车转向轴焊接生产线采用CO2气体保护焊工艺方法,整个生产线共有5套自动焊专机,由4条传送带进行工件的传输。

东风汽车的花键轴的焊接则采用CO2气体保护焊焊接专机工作站。

焊接生产线和焊接专机工作站,通过焊接设备的合理设计和制造,加之工艺参数的优化,在二汽厂的大力配合下,均取得了十分满意的效果。

3.4    消声器自动焊专机

汽车消声器是汽车排气系统的一个重要构件,由于消声器的结构、尺寸以及焊缝组成的多样化,因此,采用的焊接设备及焊接方式也是多种多样的。

哈焊所从90年代初开始至今开发了奥迪、奥托、马自达、捷达、红旗、金杯、海狮、全顺、帕萨特和J200等多种车型的汽车消声器零部件焊接专机30余台套,焊接的汽车消声器零部件包括减振器、净化器、消声器、消声器内部芯管、波纹管、各部件连接法兰与进、排气管等组件。其中典型的消声器部件焊接专机有以下几种类型:

HXJK型消声器自动焊接机(见图9   HXJ——K型消声器自动焊机是为同轴式消声器进、排气管与筒体组成双环缝焊接而专门研制的一机多用型自动焊机,该自动焊专机夹具主体采用可开合的回转机构,重点解决了进、排气管及筒体较长的消声器部件的装卸问题,进、排气管与消声器筒体的同步回转问题以及三层管搭接的自动焊工艺问题。自动焊专机的夹具采用模块化设计,具有焊接反变形预设功能。更换焊接夹具模块,便可适用于其他的同类型消声器的焊接。

 HXJB型消声器自动焊接机(见图10   HXJB型消声器自动焊接机用于完成波纹管与进排气管、净化器与进排气管组件双环缝的自动焊接。该自动焊接机解决了零部件的单独装夹、定位及同步自动焊接问题,解决了编制波纹管以及捆绑式净化器的自动焊工艺问题。焊接夹具采用模块化设计,更换焊接夹具可以适用于其他不同种类的波纹管与进/排气管、净化器与进排气管组件双环缝的自动焊接,具有一机多用的特点。

 HXJF型汽车消声器法兰内环缝自动焊接机(见图11   HXJF型法兰内环缝自动焊接机是为汽车排气系统连接法兰与排气管组件焊接而专门设计的一机多用型自动焊专机,既可以用于单连接孔法兰内环缝的焊接,又是可适用于双孔连接法兰内环缝的自动焊接。特殊设计的焊接夹具及合理的焊接工艺,有效地解决了连接法兰的焊接变形问题。

 

4 激光焊接与切割

 

汽车制造业为激光焊接与切割技术应用提供了广阔的市场。据统计,70%的汽车零件都可用激光进行焊接。总结激光焊接在汽车中的应用,可分为两大类:一类是剪裁板的激光拼焊;另一类是各种组合件及车身框架结构的焊接。激光切割在汽车中可用于薄件的制造,如激光切边、板坯的制备、各种孔的加工等。

哈焊所在1998年引进了德国HAAS公司生产的HL2006D2kW CW Nd YAG激光发生器。该发生器有3个光纤输出接口,可分时向3个聚焦镜头(焊接/切割头)输出激光,以这个激光发生器为中心建立了可以进行激光—机器人三维焊接、激光—机器人三维切割以及宽长板拼焊的“一器三站”,以及可与机器人配套的激光焊接与切割研究用精密试验工作台,形成了一个集科研开发、产品加工于一体的大功率固体激光研发、加工基地,并将激光焊接与切割技术应用到了汽车制造业。

4.1    客车顶棚宽长板的激光拼焊(见图12

激光宽长板拼焊技术应用于龙江牌(Longjiang6971WP型)长途卧铺客车顶棚的制造中,把101800mm×900mm×1mm普通冷轧钢板(材料:Q235)拼接成9m长、1.8m宽的板,拼焊后的客车顶棚用宽长板焊缝光滑平整,肉眼几乎看不出变形。

 

4.2   变速箱组合齿轮激光焊接(见图13

采用大功率固体激光(YAG)对长春第一汽车集团公司哈尔滨变速箱厂生产的2.2t货车变速箱组合齿轮(材料20CrMnTi)进行了焊接,焊缝熔深3mm,组合齿轮的最大剪切强度为544MPa,破坏扭矩达到1400㎏.m,焊接前后轴孔的径向变形量≤0.02mm

 

4.3   赛马轿车转向器油缸组件激光-机器人三维焊接(见图14

采用激光-机器人三维焊接技术对哈飞集团赛马轿车用转向器油缸组件马鞍形焊缝进行了焊接,重点解决了缸体焊接变形及裂纹问题,焊后缸体的径向变形可控制在0.02mm以内,这一点为其他焊接方法所不及。

 

4.4    坦克车油气悬挂闭锁器缸体激光-电弧复合热源焊接(见图15、图16

哈尔滨焊接研究所面向汽车和造船等制造业的需求,正在开展激光-电弧(MIGTIG)复合热源焊接技术研究,重点解决汽车用不等厚度板的拼焊、铝合金车车身及框架结构的焊接问题以及造船用钢板的多层多道焊工艺。这一新技术对于节省能源、降低构件的焊接变形、提高零部件的制造质量有着重要的意义。

采用激光-电弧复合热源焊接新技术对壁厚为12mm、材料为38CrMnSi的某型号坦克车用油气悬挂闭锁器缸体进行了焊接。由于采用了激光—电弧复合热源焊接新技术,使焊接坡口尺寸大大减少,焊接热输入大大降低,有效地克服了传统熔焊方法造成缸体变形的问题。

 

4.5    捷达轿车排气系统用Y形管件的切边与切孔(见图17

采用激光-机器人三维切割技术和离线编程技术对捷达2V5V轿车用三通管Y形件进行了切边与切孔,缩短了Y形管件的试制周期,节约了模具试制经费。

 

5超音速火焰喷涂

80年代,超音速火焰喷涂(HVOFHVAF)的出现给热喷涂技术的发展与应用带来了又一次革命性的进步。HVOFHVAF的主要贡献在于该技术大幅度地提高了热喷涂层的结合强度、密度和硬度并且同时减小甚至消除了涂层中的氧化物含量。在以美国为代表的西方发达国家中,超音速火焰喷涂已在航空航天和汽车等领域进行了较广泛的应用,并在逐步取代爆炸喷涂和等离子弧喷涂。我国在90年代开始引进HVOF技术,并开展了大量研究、开发与尝试性的应用,目前我国的新一代航空航天产品都有HVOFHVAF涂层。超音速火焰喷涂在汽车行业中具有广泛的应用,主要的产品对象有汽缸、涡轮增压器缸套、转矩传感器、同步环、气门升降器、液压转矩转换泵叶轮、氧传感器、曲轴和凸轮轴等。设备照片见图18

超音速火焰喷涂(HVAF)设备及技术特点如下:

⑴主要特点   ①燃料:煤油。②助燃剂:空气。③焰流温度:2400K。④可进行现场喷涂与生产。⑤喷枪采用空气自冷却,能源利用率大幅度提高。⑥生产安全系数大幅度提高。⑦涂层制作成本为HVOF56%  

⑵涂层性能   ①涂层的结合强度为100MPa以上。②涂层的孔隙率低于1%。③涂层中氧化物含量为1%以下。④喷涂的WC涂层硬度大于1500HV。⑤WC涂层的耐磨性是等离子弧涂层的20倍以上。

 

6 双丝焊接

 

双丝焊接是国外近几年发展起来的一种新型高效高速焊接方法,它是将两根导电嘴按一定的角度固定在特别设计的焊枪里,通过两根导电嘴的焊丝分别由各自的电源供电,其送丝速度和所有参数均可独立调节。双丝焊的特点是不仅可以提高熔敷速度,而且可以大大的提高焊接效率。哈焊所将其用在了研制出轮辋与轮辐(车轮)合成的自动焊专机上(见图19)。

 

7  

 

1)   汽车制造业的不断发展,需要先进的焊接技术,从而给焊接技术的应用和不断进步提供了展示其优势的广阔舞台,对国产焊接技术装备提出了严峻的挑战。

2)   汽车制造企业与焊接技术装备研究开发机构的有机协调与合作,为国产化焊接技术提供工程应用条件,就一定能够充分发挥国产焊接技术装备的有效作用,并会不断促进我国汽车制造产业的发展和焊接技术进步。

3)   综合性焊接技术的不断进步,是汽车制造业不断发展的有力支撑。

 
 
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