车身新材料和焊接新技术
1．车身新材料
随着汽车工业的发展，为了节约能源和安全性考虑，车身采用大量新型材料。车身结构材料从单一钢结构，逐步向高强度优质钢结构，进而向轻质合金和复合材料结构发展。
（1）高强度钢 高强度钢的使用，给焊接工艺提出了新的挑战。由于高强度钢性能使得塑性温度区间变窄，为获得相同的塑性变形需要较大的电极压力，导致合适的焊接工艺范围变窄。通常通过改进优化传统点焊工艺，采用脉冲点焊、中频点焊等专有技术，增加焊接压力、控制焊接过程，以获得性能良好的焊点质量。
近年来，发展迅猛的激光焊工艺大大提高了高强度钢板的焊接性能和接头焊接强度。
高强度钢由于其强度高、回弹小、成形性好和良好的抗腐蚀性等特点，而成功地应用于白车身的高强度功能件，如A-B-C柱加强板、门槛、座椅、骨架、保险杠加强板、纵梁、横梁等方面。热冲压成形和中频点焊、激光焊接是实现超高强度钢车身部件冲压成形和高质量焊接的重要手段。
（2）轻合金材料 近年来，为了进一步减轻车身重量，国外汽车厂商在车身结构设计中开始采用轻合金（铝合金、镁合金、甚至钛合金），由此给车身焊接带来了新课题。
铝合金的点焊难度较大，目前较多的情况还是采用TIG/MIG焊，或铆接/TOX连接法，或胶粘结的方法。英国焊接研究所，最近发明的摩擦搅拌点焊技术据称可以解决铝合金的车身焊接，得到很好的焊接强度，但由于摩擦搅拌点焊的焊点中心有个小孔，故往往用于内板结构件上。
（3）碳素纤维复合材料 为了车身轻量化，有些汽车公司采用碳纤维增强聚合基复合材料制造车身和底盘零部件，可减轻车身重量达50%~65%。也有汽车开发商成功采用树脂传递模塑成形工艺，试制出轿车碳纤维底板。碳素纤维复合材料的连接，当然完全不同于金属的焊接。
2．车身焊接新技术
（1）新型电阻焊技术 中频电阻焊：中频逆变直流电阻焊（简称中频电阻焊）的控制电源是由三相交流电经整流电路成为脉动直流电，再经由功率开关器件组成的逆变电路变成中频方波接入变压器，降压后整流成脉动较小的直流电供给电极对工件进行焊接。
中频电阻焊具有许多优点：
第一，焊接质量好。中频焊接的电流响应时间为1ms，调整精度和监视精度大大提高，因此，焊接质量大大提高，控制精度也高。
第二，焊接速度快。逆变电阻点焊机为直流输出，加热集中，缩短了焊接时间。
第三，节能效果明显。逆变焊机变压器在较高的频率下工作，损耗很小，直流输出改善功率因素，节能效果明显。
第四，设备体积和质量。逆变直流电阻点焊机变压器大大减小，设备较轻巧。
第五，可以广泛应用于点焊异种金属。
第六，节能环保。中频焊接是三相平衡负载，比单相交流焊接对电网的冲击要小许多，减少供电系统的要求，符合国家的能源政策。
目前，中频电阻焊已广泛应用于汽车焊接生产。在车身零部件生产方面，主要采用固定式大功率的中频电阻点凸焊设备，对车身零部件实施凸焊或多头点凸焊接；在车身焊装生产线上，中频电阻焊则用于悬挂式点焊钳或机器人点焊钳；目前，中频点焊大量用于镀锌钢板、高强度钢的焊接。解放公司在新产品的生产准备中已经批量应用了中频焊接技术。
为了提高机器人点焊的质量、减轻机器人抓举负荷，在车身焊接生产线上已大量使用机器人中频点焊焊钳。目前，国内汽车厂家使用的中频点焊焊钳和配套的电源和焊接控制器多为国外公司提供，如德国的BOSCH、NIMAK、日本小原等。
伺服点焊钳：伺服技术伴随着焊接机器人的大量应用而发展起来，为保证高效率的生产模式，减小气动焊钳点焊时对工件表面造成的冲击，提高工件的表面质量，实现对焊钳施压过程的精确控制，一种新型的焊钳应运而生——伺服型焊钳。电动机伺服驱动的焊钳简称为伺服焊钳，是近年来开发的一种可以提高点焊质量的性能较高的机器人焊钳。一汽解放J6焊装生产线已经采用了伺服焊钳，使用效果理想，如图2所示。
图2 一汽J6主焊线11工位28号焊接机器人
这种新型电动机伺服焊钳具有如下优点：
第一，每个焊点的焊接周期可大幅度降低，焊钳的张开程度是由机器人精确控制的。
第二，焊钳张开角度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉就尽可能减小张开度，以节省焊钳开合所占时间。
第三，焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，减少了撞击变形和噪声。
第四，焊接飞溅小，焊点质量好，电极磨损自动补偿，也保证了焊接效率和焊点质量。
（2）激光焊接技术 激光焊接的显著特点是焊接速度快，形成深而窄、热影响区小的焊缝。焊接一致性、稳定性好，一般不添加填充金属和焊剂，并能实现部分异种材料的焊接。光束易于控制，焊接定位精确易于实现自动化。但被焊工件装配精度高，要求装夹焊接件的焊装夹具满足激光焊接的特殊功能和要求。除了对焊接激光器进行了标准化，同时也规范了配备夹具（夹具类型包括：轮状夹具，双轮夹具，对开轮夹具，还有单指形与双指形夹具）。
激光焊接可分为激光熔焊、激光钎焊、激光-电弧复合焊和双多光束激光焊接。
最早用于大功率深熔激光焊接的是CO2激光器，一般以连续方式工作，主要包括快轴流和Slab型两种类型。Nd：YAG碟式激光器可以通过光纤传输，在柔性制造系统或远程加工场合更具有适应性。第三代激光技术的代表是光纤激光器，它是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，具有以下优势：玻璃光纤制造成本低、技术成熟，以及光纤的可绕性所带来的小型化、集约化优势。玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单，容易实现远程切割和焊接无需热电制冷和水冷，只需简单的风冷，综合电光效率高达20%以上，大幅度节约电能，节约运行成本。
钢板激光拼焊是将汽车车身零部件所需的各种不同厚度、材质的钢板，经过剪切下料、激光拼焊再冲压成形为车身零件，如立柱、门槛、前后纵梁、车门等车身件，实现采用更合理的车身结构，提高车身强度，减轻车身重量。激光焊接由于采用计算机控制，所以具有较强的灵活性和机动性，可以对车身内板构件如门板、挡板、侧围仪表板等零部件实施焊接。
（3）搅拌摩擦焊技术 这种焊接方式由于没有金属熔化，具有变形小、无熔化焊的焊接缺陷等特点，所以搅拌摩擦焊非常适合长平直焊缝和铝合金的焊接。目前由于搅拌摩擦焊的应用范围比较窄（只适合于长平直焊缝），且成本较高，在国外厂商、国内的轨道客车企业和部分军工企业内有所应用。总之，搅拌摩擦焊要在汽车行业得到推广，还要克服很多困难。
（4）等离子弧焊技术 由于激光焊接高昂的成本和严格的技术要求，在国内来说大面积的应用会较难，所以在某种程度上，我们可以研究等离子弧焊接在汽车企业的应用。
由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，在同样熔深下其焊接速度比TIG 焊高，故可提高焊接生产效率。
（5）胶接点焊技术 胶接点焊，即对工件点焊部位先涂胶搭接，再进行点焊。这样，胶焊接头不仅具有静强度高、可靠性好的优点，又具有胶接接头良好的疲劳特性和密封性，声学性能优良[6]。胶焊工艺在汽车车身制造过程中的应用主要用于镀锌钢板、铝合金的连接。
工业机器人在车身焊装中的运用
汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。我国正在进入汽车工业高速发展时期，在未来几年里，汽车对工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，专家预计年增幅将大于50%。我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已达数10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，大都是从日本、瑞典、德国、意大利等国家引进的。
当前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨、抛光和激光加工等复杂作业。在各个领域中分布状况如图3所示。
图3 工业机器人在各个应用领域的分布情况
在车身焊装生产中，工业机器人与其他加工设备配合，几乎可以完成车身焊装生产中所有工作。焊接机器人在一汽J6焊装线的应用与分布见表1。利用机器人可以大大提高生产效率，减少工位，提高车身焊接生产的质量。
工业机器人在车身焊装中应用场合，大致如下：
1.机器人点焊
由点焊机器人操作各式点焊钳，实施点焊焊接。机器人可以操纵大型焊钳，对地板等零件进行点焊，或者进行复杂位置的焊点的焊接。机器人通过更换焊钳可以实现多位置、不同车身结构的焊接。一汽解放J6主焊线运用机器人实现了车身焊接的全部自动化，如图4所示。
图4 一汽解放J6主焊线
2．机器人螺柱焊接
在车身焊接生产中，需要大量焊接各种形状规格的螺柱，采用工业机器人配以自动送料螺柱焊机，可以进行空间全方位的螺柱焊接。机器人螺柱焊接运用最多的是地板螺柱焊接工位。目前，一台螺柱焊机器人可以实现两种规格的螺柱自动焊接。
3．机器人搬运和装配
在焊装生产线上，通过机器人端拾器抓举被装配的车身分总成部件，送至车身装配定位夹具，并达到所需装配精度和夹持刚度，再进行机器人点焊，组合成车身总成。目前大量应用的机器人装配技术仅是将车身部件往总成线上装配，如前地板、侧围、发动机窗、后地板、顶盖等部件。近年来，开发成功的车身总成机器人柔性成形系统就是由机器人端拾器抓举车身侧围部件总成，或带有侧围部件的夹具，与地板夹具组装而成的车身总成定位夹具，这样就能轻松实现多车型混线柔性化焊装生产。
4．机器人激光焊接
车身焊装生产线上进行激光熔焊或激光钎焊必须采用机器人激光焊接系统。随着激光源技术的不断进步，采用光纤激光进行远程激光焊接已成为现实。如一汽大众的迈腾车的侧围激光熔焊，神龙C5后行李箱的激光钎焊，以及大量使用的车身顶盖的激光钎焊。
5．机器人涂胶
在车身焊装生产线上，大量的涂胶工作已由机器人涂胶系统完成。机器人涂胶一般有两种常用的方式：机器人通过端拾器抓举车身部件，按照一定的动作程序，由固定的涂胶枪输出设定流量的胶，对车身部件进行涂胶，随后机器人将车身部件送至存放架或需要装配的车身上；另一种方式则是机器人持胶枪直接对车身部件进行涂胶。现在看来，第一种方式正成为一种趋势，它可以使机器人完成涂胶与装配两种工作，提高机器人利用率。
6．机器人包边
为了适应汽车多品种、换型快的生产特点，车身制造企业纷纷开发了四门两盖的机器人包边技术，并已广泛用于汽车生产。机器人包边的关键技术是机器人滚边工艺、滚边头的结构设计和压模设计等。
7．机器人激光在线检测
机器人激光在线检测系统由三部分组成，即一个机器人、一套激光检测系统和一个终端数据处理计算机。机器人激光在线检测技术能使车身焊装过程中各种故障的检测更为有效、快捷和准确，而且还为监控工艺装备的工作状况、预报其可能故障提供了实现基础。
焊接技术的发展趋势分析
随着能源紧缺、节能环保、汽车驾驶室的多样化和复杂化以及生产周期的快速更替，未来汽车车身焊接将会在车身新材料、焊接新技术、机器人自动化和柔性化方面继续发展。焊接新技术新装备为一汽解放的车身焊装线工艺准备提供了广阔的设计思路。解放J6主焊线的机器人全自动焊接生产线的应用，伺服焊钳、中频焊接技术、机器人滚边技术的陆续应用，柔性化生产、智能化控制和计算机信息技术的不断完善都为一汽解放下一代产品的生产线设计积累了宝贵的经验。
汽车工业的发展水平代表了一个国家的综合技术水平，汽车工业的发展必将带动其他行业的发展。车身作为汽车重要的组成部分，其焊接技术的发展及其应用必将推动汽车乃至各行各业的飞速发展。
