轎車白車身車頂側圍連接方式研究

張小云，張延松

(1.上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

轎車白車身車頂側圍連接方式研究

張小云1，張延松2

(1.上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201；2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

隨著對汽車安全性能要求的日益提高，車頂的連接強度也越來越受到重視，尤其是當汽車發生碰撞而顛覆時，車頂的連接強度將直接影響車內乘務人員生命安全。車頂和側圍的連接也一直是白車身制造中的關鍵連接技術之一，著重介紹幾種現有的車頂與側圍連接方式，如電阻點焊、激光焊接、激光釬焊、等離子釬焊、復合連接等，分別介紹它們成本、工藝、技術方面的優缺點，為今后白車身車頂與側圍的連接設計提供參考。

激光焊；激光釬焊；等離子釬焊；復合連接

0 前言

圖1 車頂碰撞后形變Fig.1 Roof deformation after crashing

隨著對汽車安全性能要求的日益提高，國際上對車頂的連接強度也有了更加嚴格的標準，這關系到汽車碰撞翻滾時車內乘務人員的安全[1]。例如，美國聯邦政府目前對車頂抗擊標準是車身質量1.5倍，并建議增至車身質量2.5倍；2009年3月，美國公路安全保險協會IIHS(Insurance Institute for Highway Safety)率先公布了其根據自己設定的標準：將能抗擊車輛質量4倍沖擊力作為良好車型的標準。圖1為車頂強度過低時，碰撞后的變形情況，顯然這將嚴重危及車內人員安全。

為了達到合格的車頂連接強度，對車頂與側圍的連接工藝提出了更高的要求。除了傳統的電阻點焊方式外，還產生了很多不同的連接形式[2]，如激光焊、激光釬焊、等離子釬焊、點膠復合焊接等。在此著重介紹這些連接方式的特點，并比較其優缺點，為車頂與側圍的連接設計提供參考。

1 各種連接方式對比

1.1 電阻點焊

電阻點焊是車身裝配中最主要的連接方式，具有成本低、效率高等特點，在白車身總成及分總成上應用廣泛，其優勢不言而喻[3]。

但是采用電阻點焊連接車頂側圍時也存在一些缺點。首先，受電阻點焊電極帽尺寸的限制，在設計點焊接頭時必須留有足夠的搭接和凹槽寬度，典型的車頂側圍電阻點焊接頭截面尺寸如圖2所示，凹槽寬度達到了23 mm，增加了白車身質量，對于節能減排也有負面影響。

圖2 車頂側圍電阻點焊接頭設計Fig.2 Resistance spot welding for roof to body-side design

其次，受焊點有效性的限制(30～50 mm／點)，為保證車頂側圍有足夠的連接強度，需要增加焊點的數目。例如，車頂長度以1500mm計算，需要大約30～ 50個焊點，采用兩把焊槍操作，每個焊點耗時3 s，大約需耗時60 s，影響了生產節拍。

再次，由于電阻點焊不具備密封性，需在焊接區域噴涂大量PVC，總裝時還需加裝20～30 mm的黑色飾條來覆蓋凹槽，影響了車身美觀。

1.2 激光焊接

隨著激光技術的成熟、設備成本下降、可靠性和生產效率的提高，激光焊接在車身制造中應用越來越廣泛，尤其是對于車頂側圍的焊接，激光焊被認為是最有效的手段[4]。自1996年德國大眾首先應用激光焊接車頂與側圍外板后，國內外很多汽車公司都開始大規模的應用激光來焊接，并且取得了不錯的效果，如一汽大眾邁騰、上海大眾帕薩特、上海通用別克新君威等均使用激光焊接車頂和側圍。目前最新的高效激光器有Trumph公司新型固體激光Disc laser，IPG公司光纖激光器Fiber laser等，其電光轉換效率可達25%以上，而傳統的CO2氣體激光、Nd∶YAG泵浦激光由于電光轉換效率低、設備維護成本高而逐漸淘汰。

與傳統電阻點焊接頭相比，采用激光焊接可大幅降低車頂接頭凹槽寬度(通常為13 mm)，從而降低車重。在設計連接方式時，可采用重疊方式(overlap joint)和搭接方式(fillet joint)，如圖3所示。

圖3 車頂側圍激光焊接頭設計Fig.3 Roof to body-side design for laser welding

圖3a為重疊方式的接頭，圖3b為搭接方式的接頭。可以看出，兩者所焊接的位置有所差別。重疊方式對激光焦點的定位要求較低，只需聚焦在板材重疊范圍內即可，故不需要專門的焊縫跟蹤系統；但缺點是當焊接鍍鋅板時，被激光氣化的鋅蒸汽無法溢出，會導致焊縫出現氣孔等缺陷。搭接方式對激光焦點的定位要求較高，需聚焦在搭接縫上，故需要專門的焊縫跟蹤系統，如Precitec公司的Seam Tracking System，增加了設備成本，但它可避免焊接鍍鋅板時的焊縫氣孔等缺陷問題，鋅蒸汽可從搭接頭邊緣縫隙中排出[5]。兩種不同方式下焊接鍍鋅板的質量對比如圖4所示(4.4kW，0.8mm厚熱鍍鋅板)。

激光焊優勢明顯[6]：焊接速度快(以6000 mm／min速度焊接1 500 mm長焊縫只需15 s)、焊縫質量好、連接強度高(激光焊縫強度是常規電阻點焊的1.5倍)、密封性好。但缺點是設備投資成本較高，如兩臺4.4 kW ND∶YAG泵浦激光器加上附屬焊接系統的成本大約250萬美金，遠遠高于電阻點焊設備；此外，在總裝時仍需增加10 mm寬的飾條，但較之普通電阻點焊已經有很大的改觀。

圖4 不同搭接方式鍍鋅板激光焊接質量對比Fig.4 Quality comparison between different joint modes for laser welding galvanized sheet

1.3 激光釬焊

為克服激光焊接焊后復雜的處理工藝、降低激光器功率以縮減成本，另一種新型的焊接技術——激光釬焊應運而生。激光釬焊由焊縫跟蹤系統、激光源、送絲機構等組成。激光釬焊示意如圖5所示，可見其與傳統的MIG釬焊相似，所不同的是它采用激光產生熱量來熔化釬料[7]。

圖5 激光釬焊示意Fig.5 Sketch for laser brazing

通常采用的激光釬焊釬料是CuSi3，熔點950℃，遠低于鋼的熔點(約1 500℃)，故激光釬焊所需的激光器功率較低(約為激光焊接的一半)，可大大節省昂貴激光器的投資成本。而CuSi3浸潤后強度可達350 MPa，高于普通低碳鋼，激光釬焊強度較高。激光釬焊時，由于釬料填入車頂與側圍的接合處，無需在焊后涂膠和添加飾條，能夠節省大量工藝成本，如圖6所示。目前激光釬焊已在歐寶Tailgate、奧迪A4、大眾Polo等車型上廣泛應用。

激光釬焊的缺點是該工藝對夾具定位的要求較高，每種車型均需要專門的夾具來夾持車頂側圍，如圖6所示，以保證焊縫精度，獲得穩定的焊接質量。因此，激光釬焊夾具的柔性較差。

圖6 激光釬焊接頭和夾具Fig.6 Laser brazing joint and its fixture

1.4 等離子釬焊

考慮到激光釬焊時激光器的投資成本仍然很高，為此人們又開始尋找其替代品。電弧被認為是最廉價的釬焊熱源，但常規的電弧熱輸入較高，容易產生焊接變形且難以修復。相比傳統的弧焊，等離子電弧熱輸入較低、熱量集中，且設備的投資成本也很低(僅為激光的1／10)，因此等離子釬焊也逐漸開始被應用到車頂側圍連接之中[8]。

由于等離子焊接時的弧吹等問題很難控制，釬焊質量還不夠穩定，目前其應用尚不多，僅在奧迪A5等少數車型上有應用案例，如圖7所示，美國通用也在做相關的研究。一旦等離子釬焊的技術瓶頸被攻克，將會在車頂側圍焊接方面得到廣泛的應用。

1.5 復合焊接

由于激光焊接的高成本問題、等離子釬焊的技術問題目前尚無法避免，人們又開始研究利用更有效的電阻點焊方式來連接車頂側圍。為了提高電阻點焊的生產效率，減少焊點數量，保證足夠的連接強度，結構膠開始應用到車頂側圍連接之中。圖8為凱迪拉克賽威采用結構膠、點焊相結合的方法來連接車頂和側圍。采用這種方法，長1.63 m的車頂僅使用8×2個焊點，節省了焊點數目，提高了連接效率。

但是采用這種方式也存在一定的缺點：一是增加一道涂膠工藝；二是點膠焊的工藝目前尚不穩定，焊接規范也不成熟，且質量檢測也存在一些困難。

圖7 等離子釬焊Fig.7 Plusma brazing

圖8 凱迪拉克車頂側圍復合連接方式Fig.8 Hybrid joining for Cadillac's roof to body-side

2 結論

對比分析以上五種連接方式的成本、工藝技術難度、生產效率、連接質量，結果如表1所示。

綜上所述，車頂與側圍的連接是白車身制造中的一項關鍵技術。就目前而言，傳統電阻點焊方式多用于低端車型，隨著對車頂連接強度要求的提高，電阻點焊會逐漸被其他方式所替代；激光焊和激光釬焊目前已成為應用熱點，開始大規模的采用，但成本依舊是其進一步推廣的最大障礙；等離子釬焊和復合焊在成本方面有很強的優勢，但由于技術還不是很成熟，還有待于進一步的研究來克服，以獲得更廣泛的應用。

表1 不同車頂側圍連接方式比較Tab.1 Comparison for different roof to body-side joining

[1]陳雄亮.車頂強度易被忽視的安全隱患[J].汽車與安全，2005(10)：52-54.

[2]張若冰.車頂焊接工藝的發展與激光焊的應用[J].機器工人，2007(6)：48-51.

[3]熊曉華.車身點焊工藝研究[J].輕型汽車技術，2001(2)：12-15.

[4]姚 遠.激光焊接技術在汽車工業中的應用[J].汽車工藝與材料，2004(2)：19-21.

[5]魏 偉，姚 遠，陳 明.車身鍍鋅鋼板激光搭接焊焊縫成形及焊接性能研究[J].汽車工藝與材料，2009(3)：14-17.

[6]Chen Xiufang，Wang Shuqin，Hu Jinlan.Investigation on coating structure of hot-dip galvanized steel sheet for cars[J].Journal of Northeastern University，1995，16(3)：336.

[7]李 帆.激光復合焊及激光釬焊在大眾VW Phaeton和奧迪A8中的應用[J].金屬加工，2008(14)：31-34.

Research on joining methods for roof to body-side assembly

ZHANG Xiao-yun1，ZHANG Yan-song2
(1.Vehicle Manufacturing Engineering，Shanghai General Motors Ltd.，Shanghai 201201，China；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China)

As the increase of requirement for automobiles safety performance，strength of roof to body-side joint is becoming more and more important.It will affect human security especially when the automobile turn over after crash.This paper will generally introduce the present joining methods of roof to body-side including laser welding，laser brazing，plasma brazing，hybrid joining besides traditional resistance spot welding.The cost，process，technical advantage and disadvantage are related.

laser welding；laser brazing；plasma brazing；hybrid joining

TG457

B

1001-2303(2011)07-0050-04

2011-04-07；

2011-06-14

收稿日期：國家自然科學基金資助項目(50905111)；上海汽車工業科技發展基金資助項目(0907)

張小云(1981—)，男，江蘇鎮江人，工程師，博士，主要從事車身制造的研究工作。