汽車車身焊接技術現狀及發展趨勢

中國一汽解放汽車有限公司卡車廠 （吉林長春 130011） 王治富

一、汽車車身焊接技術的發展

1. 汽車工業現狀和發展

中汽協指出，2012年我國汽車產銷突破1900萬輛，創歷史新高，再次刷新全球紀錄，連續四年蟬聯世界第一。我國汽車產量已連續三年超過1800萬輛，汽車工業已進入總量較高的平穩發展階段。我國近十年的汽車產銷量如圖1所示。

圖1 我國近十年汽車產銷量

我國汽車行業高速發展，形成了多品種、全系列的各類整車和零部件生產及其配套體系。為保持我國汽車工業的穩步、快速發展，我國于2009年提出了“汽車產業振興計劃”。提出加強關鍵技術研發，加快技術改造，提升企業素質；以新能源汽車為突破口，加強自主創新，培育自主品牌，形成新的競爭優勢，促進汽車產業持續、健康、穩定發展的思路。國務院提出“提高汽車車身制造的四大工藝：沖壓、焊裝、涂裝和總裝工藝裝備水平”。

由于車身焊接技術水平和質量直接影響車身結構強度、安全性和生產率，由此帶來車身焊裝生產的新特點，對車身焊裝提出了新要求。

2. 現代車身焊裝生產特點

針對現代汽車車身焊裝生產的特點，對車身結構和焊裝工藝、裝備提出了一系列新的要求。

（1）車身輕量化，促使新材料應用和新焊接技術發展。

（2）追求車身安全性，提高車身焊接質量。

（3）改善車身品質，提高焊裝幾何尺寸精度。

（4）適應多品種車型，實現柔性混合焊裝生產。（5）車型加速換代，焊接裝備更新加快。

（6）高可靠性、高節拍生產，要求焊裝生產線裝備高度自動化。

（7）采用信息化工程技術開發車身焊裝生產線裝備。

二、車身新材料和焊接新技術

1. 車身新材料

隨著汽車工業的發展，為了節約能源和安全性考慮，車身采用大量新型材料。車身結構材料從單一鋼結構，逐步向高強度優質鋼結構，進而向輕質合金和復合材料結構發展。

（1）高強度鋼 高強度鋼的使用，給焊接工藝提出了新的挑戰。由于高強度鋼性能使得塑性溫度區間變窄，為獲得相同的塑性變形需要較大的電極壓力，導致合適的焊接工藝范圍變窄。通常通過改進優化傳統點焊工藝，采用脈沖點焊、中頻點焊等專有技術，增加焊接壓力、控制焊接過程，以獲得性能良好的焊點質量。

近年來，發展迅猛的激光焊工藝大大提高了高強度鋼板的焊接性能和接頭焊接強度。

由于高強度鋼具有強度高、回彈小、成形性好和良好的抗腐蝕性等特點，而成功地應用于白車身的高強度功能件，如A-B-C柱加強板、門檻、座椅、骨架、保險杠加強板、縱梁和橫梁等方面。熱沖壓成形和中頻點焊、激光焊接是實現超高強度鋼車身部件沖壓成形和高質量焊接的重要手段。

（2）輕合金材料 近年來，為了進一步減輕車身重量，國外汽車廠商在車身結構設計中開始采用輕合金（鋁合金、鎂合金、甚至鈦合金），由此給車身焊接帶來了新課題。

鋁合金的點焊難度較大，目前較多的情況還是采用TIG/MIG焊，或鉚接/TOX連接法，或膠粘結的方法。英國焊接研究所，最近發明的摩擦攪拌點焊技術據稱可以解決鋁合金的車身焊接，得到很好的焊接強度，但由于摩擦攪拌點焊的焊點中心有個小孔，故往往用于內板結構件上。

（3）碳素纖維復合材料 為了車身輕量化，有些汽車公司采用碳纖維增強聚合基復合材料制造車身和底盤零部件，可減輕車身重量達50%～65%。也有汽車開發商成功采用樹脂傳遞模塑成形工藝，試制出轎車碳纖維底板。碳素纖維復合材料的連接，當然完全不同于金屬的焊接。

2. 車身焊接新技術

（1）新型中頻電阻焊技術 中頻電阻焊具有許多優點：

第一，焊接質量好。由于中頻焊接的電流響應時間為1ms，調整精度和監視精度大大提高，因此焊接質量大大提高，控制精度也高。

第二，焊接速度快。逆變電阻點焊機為直流輸出，加熱集中，縮短了焊接時間。

第三，節能效果明顯。逆變焊機變壓器在較高的頻率下工作，損耗很小，直流輸出改善功率因素，節能效果明顯。

第四，設備體積和質量。逆變直流電阻點焊機變壓器大大減小，設備較輕巧。

第五，可以廣泛應用于點焊異種金屬。

第六，節能環保。中頻焊接是三相平衡負載，比單相交流焊接對電網的沖擊要小許多，減少供電系統的要求，符合國家的能源政策。

目前，中頻電阻焊已廣泛應用于汽車焊接生產。在車身零部件生產方面，主要采用固定式大功率的中頻電阻點凸焊設備，對車身零部件實施凸焊或多頭點凸焊接；在車身焊裝生產線上，中頻電阻焊則用于懸掛式點焊鉗或機器人點焊鉗；目前，中頻點焊大量用于鍍鋅鋼板、高強度鋼的焊接。我公司在新產品的生產準備中已經批量應用了中頻焊接技術。

為了提高機器人點焊的質量，減輕機器人抓舉負荷，在車身焊接生產線上已大量使用機器人中頻點焊焊鉗。目前，國內汽車廠家使用的中頻點焊焊鉗和配套的電源和焊接控制器多為國外公司提供，如德國的BOSCH、NIMAK、日本小原等。

伺服點焊鉗：伺服技術伴隨著焊接機器人的大量應用而發展起來，為保證高效率的生產模式，減小氣動焊鉗點焊時對工件表面造成的沖擊，提高工件的表面質量，實現對焊鉗施壓過程的精確控制，一種新型的焊鉗應運而生——伺服型焊鉗。電動機伺服驅動的焊鉗簡稱為伺服焊鉗，是近年來開發的一種可以提高點焊質量的性能較高的機器人焊鉗。一汽解放J6焊裝生產線已經采用了伺服焊鉗，使用效果理想，如圖2所示。

圖2 一汽J6主焊線11工位28號焊接機器人

這種新型電動機伺服焊鉗具有如下優點：

第一，每個焊點的焊接周期可大幅度降低，焊鉗的張開程度是由機器人精確控制的。

第二，焊鉗張開角度可以根據工件的情況任意調整，只要不發生碰撞或干涉就盡可能減小張開度，以節省焊鉗開合所占時間。

第三，焊鉗閉合加壓時，不僅壓力大小可以調節，而且在閉合時兩電極是輕輕閉合，減少了撞擊變形和噪聲。

第四，焊接飛濺小，焊點質量好，電極磨損自動補償，也保證了焊接效率和焊點質量。

（2）激光焊接技術 其顯著特點是焊接速度快，形成深而窄、熱影響區小的焊縫。焊接一致性、穩定性好，一般不添加填充金屬和焊劑，并能實現部分異種材料的焊接。光束易于控制，焊接定位精確易于實現自動化。但被焊工件裝配精度高，要求裝夾焊接件的焊裝夾具滿足激光焊接的特殊功能和要求。除了對焊接激光器進行了標準化，同時也規范了配備夾具（夾具類型包括：輪狀夾具、雙輪夾具、對開輪夾具，還有單指形與雙指形夾具）。

激光焊接可分為激光熔焊、激光釬焊、激光-電弧復合焊和雙多光束激光焊接。

鋼板激光拼焊是將汽車車身零部件所需的各種不同厚度、材質的鋼板，經過剪切下料、激光拼焊再沖壓成形為車身零件，如立柱、門檻、前后縱梁、車門等車身件，實現采用更合理的車身結構，提高車身強度，減輕車身重量。激光焊接由于采用計算機控制，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對車身內板構件如門板、擋板、側圍儀表板等零部件實施焊接。

（3）攪拌摩擦焊技術 這種焊接方式由于沒有金屬熔化，具有變形小、無熔化焊的焊接缺陷等特點，所以攪拌摩擦焊非常適合長平直焊縫和鋁合金的焊接。目前由于攪拌摩擦焊的應用范圍比較窄（只適合于長平直焊縫），且成本較高，在國外廠商、國內的軌道客車企業和部分軍工企業內有所應用。總之，攪拌摩擦焊要在汽車行業得到推廣，還要克服很多困難。

（4）等離子弧焊技術 由于激光焊接高昂的成本和嚴格的技術要求，目前在國內大面積的應用會較難，所以在某種程度上，我們可以研究等離子弧焊接在汽車企業的應用。

由于等離子弧弧柱溫度高，能量密度大，因而對焊件加熱集中，熔透能力強，在同樣熔深下其焊接速度比TIG 焊高，故可提高焊接生產效率。

（5）膠接點焊技術 膠接點焊，即對工件點焊部位先涂膠搭接，再進行點焊，這樣的膠焊接頭既具有靜強度高、可靠性好的優點，又有膠接接頭良好的疲勞特性和密封性，聲學性能優良。膠焊工藝在汽車車身制造過程中，主要用于鍍鋅鋼板、鋁合金的連接。

三、工業機器人在車身焊裝中的運用

汽車制造是一個技術和資金高度密集的產業，也是工業機器人應用最廣泛的行業。在我國，工業機器人最初也是應用于汽車和工程機械行業中。我國正在進入汽車工業高速發展時期，在未來幾年里，汽車對工業機器人的需求將會呈現出高速增長趨勢，專家預計年增幅將大于50%。我國工業機器人及含工業機器人的自動化生產線相關產品的年產銷額已達數10億元。目前國內市場年需求量在3000臺左右，年銷售額在20億元以上。統計數據顯示，中國市場上工業機器人總共擁有量近萬臺，大都是從日本、瑞典、德國、意大利等國家引進。

當前，工業機器人在各個應用領域中分布情況如圖3所示。

圖3 工業機器人在各個應用領域的分布情況

在車身焊裝生產中，工業機器人與其他加工設備配合，幾乎可以完成車身焊裝生產中所有工作。焊接機器人在一汽J6焊裝線的應用與分布如附表所示。利用機器人可以大大提高生產效率，減少工位，提高車身焊接生產的質量。

焊接機器人在一汽J6焊裝生產線上的應用

工業機器人在車身焊裝中應用場合，大致如下：

1. 機器人點焊

由點焊機器人操作各式點焊鉗，實施點焊焊接。機器人可以操縱大型焊鉗，對地板等零件進行點焊，或者進行復雜位置的焊點的焊接。機器人通過更換焊鉗可以實現多位置、不同車身結構的焊接。一汽解放J6主焊線應用機器人實現了車身焊接的全部自動化，如圖4所示。

圖4 一汽解放J6主焊線

2. 機器人螺柱焊接

在車身焊接生產中，需要大量焊接各種形狀規格的螺柱，采用工業機器人配以自動送料螺柱焊機，可以進行空間全方位的螺柱焊接。機器人螺柱焊接應用最多的是地板螺柱焊接工位。目前，一臺螺柱焊機器人可以實現兩種規格的螺柱自動焊接。

3. 機器人搬運和裝配

在焊裝生產線上，通過機器人端拾器抓舉被裝配的車身分總成部件，送至車身裝配定位夾具，并達到所需裝配精度和夾持剛度，再進行機器人點焊，組合成車身總成。目前大量應用的機器人裝配技術僅是將車身部件往總成線上裝配，如前地板、側圍、發動機窗、后地板和頂蓋等部件。

近年來，開發成功的車身總成機器人柔性成形系統就是由機器人端拾器抓舉車身側圍部件總成，或帶有側圍部件的夾具，與地板夾具組裝而成的車身總成定位夾具，這樣就能輕松實現多車型混線柔性化焊裝生產。

4. 機器人激光焊接

車身焊裝生產線上進行激光熔焊或激光釬焊必須采用機器人激光焊接系統。隨著激光源技術的不斷進步，采用光纖激光進行遠程激光焊接已成為現實。如一汽大眾的邁騰車的側圍激光熔焊，神龍C5后行李箱的激光釬焊，以及大量使用的車身頂蓋的激光釬焊。

5. 機器人涂膠

在車身焊裝生產線上，大量的涂膠工作已由機器人涂膠系統完成。機器人涂膠一般有兩種常用的方式：機器人通過端拾器抓舉車身部件，按照一定的動作程序，由固定的涂膠槍輸出設定流量的膠，對車身部件進行涂膠，隨后機器人將車身部件送至存放架或需要裝配的車身上；另一種方式則是機器人持膠槍直接對車身部件進行涂膠。現在看來，第一種方式正成為一種趨勢，它可以使機器人完成涂膠與裝配兩種工作，提高機器人利用率。

6. 機器人包邊

為了適應汽車多品種、換型快的生產特點，車身制造企業紛紛開發了四門兩蓋的機器人包邊技術，并已廣泛用于汽車生產。機器人包邊的關鍵技術是機器人滾邊工藝、滾邊頭的結構設計和壓模設計等。

7. 機器人激光在線檢測

機器人激光在線檢測系統由三部分組成，即一個機器人、一套激光檢測系統和一個終端數據處理計算機。機器人激光在線檢測技術不僅能使車身焊裝過程中各種故障的檢測更為有效、快捷和準確，而且還為監控工藝裝備的工作狀況、預報其可能故障提供了實現基礎。

四、焊接技術的發展趨勢分析

隨著能源緊缺、節能環保、汽車駕駛室的多樣化和復雜化以及生產周期的快速更替，未來汽車車身焊接將會在車身新材料、焊接新技術、機器人自動化和柔性化方面繼續發展。焊接新技術新裝備為一汽解放的車身焊裝線工藝準備提供了廣闊的設計思路。解放J6主焊線的機器人全自動焊接生產線的應用，伺服焊鉗、中頻焊接技術、機器人滾邊技術的陸續應用，柔性化生產、智能化控制和計算機信息技術的不斷完善都為一汽解放下一代產品的生產線設計積累了寶貴的經驗。

五、汽車制造業面臨的人才問題及對策

隨著市場競爭的日益激烈、產品開發速度越來越快、產品質量要求越來高，需要更多的專業技術人才和管理人才來保證，而當前制造技術面臨的主要問題是現場制造技術人才隊伍的穩定和工作激情問題，自主制造企業更是如此。硬件可以通過投資來解決，而人才的培養和作用發揮并不僅僅是金錢所能奏效的。人贏則贏，誰能塑造出一批優秀的制造技術人才隊伍并使之為汽車制造技術獻身，誰就能在市場競爭中獲勝。硬件固然重要，但沒有人才駕御，也發揮不出效能，反而成為負擔，這就需要企業有一個良好的制造技術應用、發展的環境。所有這些，需要通過制造技術的有效管理來實現，通過管理營造氛圍，通過管理培養人才，通過管理留住并發揮人才的作用，通過管理形成制造技術的積累，通過管理降低產品成本、提升產品品質，通過管理最終提高產品競爭力。正所謂“雖有舟輿，無所乘之”。