全鋁合金白車身焊接生產線關鍵工藝設備探討

宋亮

摘 要：本文介紹了全鋁合金車身焊接工藝類型及現狀，鋁合金焊接特性及其對工藝設計和設備選型的要求。重點探討適用鋁合金焊接工藝需求的關鍵工藝設備，如鋁合金MIG焊機、鋁焊接夾具、除塵除濕控溫系統、防爆除塵等系統的工作原理與應用狀況。

關鍵詞：鋁合金焊接；白車身；焊接特性：關鍵工藝設備

全鋁合金車身是新能源汽車較為理想的車身形式，車身結構參考傳統轎車和SUV，骨架采用鋁合金型材及板材通過焊接、鉚接制成，外覆蓋件采用復合材料。車身設計時通過合理布置，在滿足性能前提下，比同類型鋼板車身減重25%以上，是新能源汽車實現輕量化、長續航里程的關鍵技術之一。

本文通過對鋁合金焊接特性和工藝需求的分析，結合奇瑞新能源車型項目實踐，探討鋁合金焊接工藝設備選擇和應用的基本思路。

1 全鋁合金車身焊接生產線關鍵工藝設備需求

1.1 全鋁車身焊接生產線工藝概述

鋁車身焊接生產線布局與常規車型類似，工藝設備與傳統焊接線的差異，主要來源于工藝方法的不同。典型如某型鋁車身工藝中弧焊占72%、點焊占7%、鉚接占21%。鋁點焊對設備要求嚴苛、質量控制尚不成熟；鉚接只適用于平板和簡單結構零件連接；在鋁車身制造工藝中居主導地位的是MIG弧焊，此外還有焊縫打磨、門裝配等工藝。

根據工藝成熟度現狀，本項目以鋁合金MIG焊為主、鉚接為輔，生產線規劃設計和設備選型主要考慮鋁MIG焊的影響。

1.2 鋁合金焊接關鍵工藝設備選擇

（1）鋁MIG焊的焊接特性與鋼差異較大，該特性決定了工藝需求和設備選型。主要焊接特性：焊接熱輸入量高，鋁合金熔化溫度5600C -6200C，導熱系數大，導熱速度是鋼的3倍；熔融鋁合金在凝固結晶時體積減少6%，焊接熱裂紋傾向大；鋁合金線膨脹系數是鋼的6倍，焊后變形和高殘余應力；氫氣孔傾向：濕度越大氣孔越嚴重；鋁臨界氫分壓低；鋁合金凝固時氫溶解度突降20倍；冷卻速度是鋼的4-7倍；鋁粉塵燃爆限值為37-50mg/m3，與空氣混合成易燃爆氣體。

（2）焊接特性轉化為工藝需求，即：高線能量輸入并能減少焊縫裂紋；零件具有合理的外部拘束；焊接環境要低濕、凈化；安全性能上要求能夠抑制鋁粉塵濃度聚集。

（3）根據工藝需求，在奇瑞新能源一期項目設備選型上，體現在先進的鋁合金焊機/機器人、鋁焊夾具、除塵除濕控溫系統和打磨除塵系統。

2 全鋁合金焊接生產線關鍵工藝裝備應用

2.1 鋁合金MIG焊機/機器人

本項目焊機/機器人選用較為先進的品牌（如福尼斯、林肯、伊薩、法拉克、松下等），焊機及機器人均為MIG數字控制脈沖型焊機，主要性能特點：

（1）為減少焊縫熱裂紋傾向，獲得高質量焊縫，將脈沖與短弧焊結合，使進入薄板的線能量較低；采用不同的脈沖組合，降低對焊縫間隙變化和焊縫拐角的敏感性，更好地控制熔深、熔寬，降低對厚薄板搭接不均勻熱傳導的靈敏度；優化波形控制，使熔滴過渡均勻、飛濺小。

（2）焊機采用智能短路過渡，系統內置超過200組參數。只需選擇焊絲類型/直徑、保護氣和電弧類型，按下焊槍開關，設備能快速判斷并自動調整焊接參數，數秒內可獲得最佳參數。

（3）焊機采用雙脈沖控制、參數一元化調節，通過控制面板可實現參數的選擇、調整。系統可自動記錄焊接時間和參數，用USB連接可將數據傳輸至其他用戶，將單臺焊機成熟的參數復制到其他焊機，以實現質量管理和文件管理，見圖l。

焊機主要性能參數：焊接材料為鋁材；焊接電流16-400A、60%暫載率AN400/34、雙脈沖/一元化調節；保護氣體純氬（99.99%）；送絲速度0.8-25m/min；焊絲直徑1.0-1 .6mm；強制液冷。

經過調試和驗證，目前設備參數己趨穩定，投入批量生產。鋁合金焊接對操作者的技能要求較高，后期可增加機器人或CMT焊機，減少焊接變形。

2.2 適應鋁弧焊特性的夾具

鋁合金線膨脹系數是鋼的6倍，焊接后變形遠大于傳統車身。鋁合金MIG焊夾具采用迥異于傳統夾具的定位方式，以消除焊接變形，控制尺寸。主要技術措施有：

（l）零件定位：三級及以下的總成以平面定位，一、二級總成以孔定位。

（2）鋁型材定位遵守3-2-1規則，避免過定位；夾具定位點選在型材應力變形的方向上，控制鈑件的變形；

（3）鋁板與型材焊接時相鄰兩個夾緊面距離小于300mm，薄板件在焊縫區要設置夾緊；

（4）壓緊面設限位防止型材變形，帶機械白鎖抑制焊接應力；壓緊力不宜過小，一個壓臂避免帶多個壓頭。 通過充分調研，在圖紙會簽等階段反復論證，歷經半年設計、安裝調試、驗證，量產車身尺寸符合率達85%，精度達到國內鋁焊接車身較高水準。

2.3焊接除塵除濕控溫系統

（l）鋁MIG焊生產線采用的除塵除濕控溫系統，由風冷熱泵機組、空氣處理、送回風、控制系統四部分組成。以下部生產線為例，封閉式工作間尺寸為35m*8m*7m，控制溫度5-280C、濕度<60%。

（2）設備性能：

整體式廠房治理。系統采用側面底部送風、頂部捕集分層送風原理，利用空氣密度差在室內形成由下而上的通風氣流。新鮮空氣從距地面1-1.4m高送出，在地面形成一層薄薄的冷空氣層。新鮮空氣和焊接煙塵受熱源上升氣流的卷吸作用、后續新風的推動作用及排風口的抽吸作用而緩慢上升，因此室內熱濁的空氣被后續的新鮮空氣抬升到頂部并從上風口排出。在穩定狀態時，室內空氣形成上部紊流混合區和下部單向流動清潔區。

除濕控溫與除塵凈化一體化。系統結合空調制冷系統，采用冷凍除濕法降低空氣的相對濕度。用制冷機作冷源，以直接蒸發式冷卻器作冷卻設備，把空氣冷卻到露點溫度下，析出大于飽和含濕量的水汽，降低空氣的絕對含濕量，再利用加熱器加熱，從而降低空氣的相對濕度。據統計，當相對濕度控制在60%以下時，焊縫中氫氣孔數量降低至濕度80%時的5 7%，從而保證焊接質量。

工作間兩邊安裝窗戶采光，側面門采用手動推拉門，密閉間的兩頭設車身進出門，用軟簾封閉。

奇瑞新能源項目所在地位于長江中下游流域，每年五月至九月為高溫高濕氣候，該系統的應用既有效地保證了鋁合金焊接質量，也創造了一個清潔高效的生產環境。

2.4 打磨除塵系統

（1）鋁車身焊接完后，需打磨局部焊縫以滿足外觀和裝配需求。打磨產生的鋁粉塵在廠房內粉塵濃度過高有爆炸的危險，因此除塵系統采用封閉式，尺寸為16m*8m*5m，工作風量50000m3/h。

（2）設備性能：

工作原理。封閉式打磨間內的氣流組織采用上送風下吸風的形式，經捕捉的粉塵通過管道進入過濾凈化室處理并排放。該種方式能最大程度的捕捉鋁合金焊縫打磨產生的粉塵。

除塵主機采用PLC程序控制，配置防火閥和阻燃防靜電濾芯，在除塵器上設置爆破片，系統風機、電機、電磁閥均為防爆型號，在管道上設置檢修口清理積塵。

除塵凈化器所用高效濾筒采用的是進口PTFE聚酯覆膜濾料，具有阻燃特性；為防止設備運行中起火，主機內部設置有溫度傳感器，當設備內溫度達到臨近起火溫度時，主機將自動關機并報警。

除塵間內所有電器、開關均采用防爆型號，打磨動能為0.4-0.6MPa壓縮空氣，杜絕明火源。

打磨工作間設計采用型材做骨架、巖棉做密封，既考慮到現場的美觀性，方便采光及現場管理，又能保證對粉塵捕捉的最大有效性，避免粉塵的逃逸。

封閉式鋁粉塵防爆除塵系統投入使用后，經測定除塵間內粉塵濃度達到《大氣污染物綜合排放標準》，對0.1m以上超細鋁粉塵的凈化效率可達99.99%，有效控制了鋁粉塵濃度，確保了安全、清潔生產。

3 結語

通過鋁合金車身項目開發和生產運行，奇瑞新能源制造工藝團隊初步掌握了全鋁合金焊接生產線設計的基本特點和要求，對工藝設計和設備選型有了較為深入的了解，形成了鋁車身焊接線制造模型。隨著后續項目不斷開發投產，對于鋁合金焊接線工藝設備的應用必將更加完善和成熟。