摘要：介紹了車身制造常用的焊接技術(shù)如電阻焊、電弧焊、激光焊，以及焊接機(jī)器人技術(shù)，并分別對(duì)電阻焊、電弧焊、激光焊接技術(shù)的具體分類、應(yīng)用設(shè)備及發(fā)展前景進(jìn)行研究，對(duì)比分析其工作原理及技術(shù)特點(diǎn)，以及各焊接技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用。

1 前言

目前國(guó)內(nèi)汽車廠家采用的車身焊接技術(shù)主要是電阻焊、電弧焊、激光焊。在車身制造中應(yīng)用最多的為電阻焊接技術(shù)，通過(guò)電阻點(diǎn)焊技術(shù)將數(shù)目眾多的薄板零件連接起來(lái)形成白車身總成。由于汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在有些部位難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊，或由于零件裝配問(wèn)題，厚度相差太大等因素，為了完成不同零件之間的連接，少數(shù)位置采用了電弧焊接技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在車身制造領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間比較短，但由于其優(yōu)點(diǎn)較多，目前已經(jīng)在國(guó)外汽車公司得到大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有些主流汽車廠家也在逐步采用。

2 電阻焊技術(shù)

電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間，通以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域生產(chǎn)的電阻熱將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的焊接方法。電阻焊主要分為點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、對(duì)焊。在車身制造領(lǐng)域應(yīng)用最多的電阻焊技術(shù)是點(diǎn)焊，其次是凸焊，在車身制造中沒(méi)有應(yīng)用縫焊及對(duì)焊技術(shù)。

2.1 點(diǎn)焊技術(shù)

點(diǎn)焊（圖1）由于生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)單、焊接變形小、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在車身制造中應(yīng)用最為廣泛；目前點(diǎn)焊工藝依然是國(guó)內(nèi)外各大轎車廠家車身焊接方法中最重要的方法。通常一個(gè)轎車車身有3 000～5 000個(gè)焊點(diǎn)。焊點(diǎn)的裝配關(guān)系主要有兩種：兩層鋼板和三層鋼板；四層鋼板焊接在少數(shù)情況也可以獲得合格的焊點(diǎn)，但其對(duì)鋼板強(qiáng)度、鋼板厚度及裝配關(guān)系的要求很高，且焊接時(shí)飛濺大，焊點(diǎn)壓痕深，焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度有所下降，因此四層鋼板點(diǎn)焊需要謹(jǐn)慎使用。

圖1 點(diǎn)焊

電阻焊是電能轉(zhuǎn)化為熱能的焊接方法，計(jì)算公式如下。

Q=I 2 RT 式中，Q為產(chǎn)生的熱量；I為焊接電流；R為焊接電阻；T為焊接時(shí)間。

焊接電阻包括電極與工件之間的接觸電阻、工件與工件之間的接觸電阻、以及工件本身的電阻。其中接觸電阻與焊接壓力有直接的關(guān)系，要獲得合格的焊點(diǎn)，需要合適的焊接壓力。形成一個(gè)合格焊點(diǎn)需要三個(gè)主要因素，即焊接電流、焊接時(shí)間和焊接壓力。每個(gè)焊點(diǎn)的具體焊接參數(shù)值由鋼板厚度、鋼板強(qiáng)度、鋼板鍍層情況及鋼板裝配狀態(tài)等因素綜合決定。焊點(diǎn)質(zhì)量水平是衡量車身質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素較多，即零件裝配狀態(tài)、鋼板鍍鋅層厚度、焊點(diǎn)間距、零件結(jié)構(gòu)、電極對(duì)中狀態(tài)、焊鉗冷卻狀態(tài)、電
極帽修磨狀態(tài)、夾具是否分流、程序轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是否失效、焊接參數(shù)值是否合理等，在出現(xiàn)焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，應(yīng)需從多方面進(jìn)行分析 [1] 。

2.2 點(diǎn)焊設(shè)備

目前，點(diǎn)焊的設(shè)備類型主要分為兩大類：手工焊鉗和機(jī)器人焊鉗。

手工焊鉗（圖2）的主要元件包括阻焊變壓器、焊鉗控制器、氣缸、鉗體、鉗臂、水電氣管等。手工
焊鉗分為分體式手工焊鉗和一體式手工焊鉗。分體式手工焊鉗，其阻焊變壓器與鉗體分離，中間采用較長(zhǎng)的次級(jí)電纜相連接，能耗比較高，價(jià)格便宜，前些年在國(guó)內(nèi)汽車廠家應(yīng)用十分廣泛；由于不符合節(jié)能環(huán)保的要求，能耗高，次級(jí)電纜容易損壞，近些年逐步被淘汰。一體式手工焊鉗，其阻焊變壓器與鉗體直接連接，無(wú)次級(jí)電纜損耗，價(jià)格稍高，但由于其節(jié)能、效率高、易于操作等特點(diǎn)，最近幾年已經(jīng)在國(guó)內(nèi)主流汽車廠家得到大量采用。手工焊鉗無(wú)論分體式還是一體式，焊鉗控制器都采用了微處理器技術(shù)，根據(jù)鋼板零件裝配情況可以對(duì)焊接電流、焊接壓力、焊接時(shí)間、電流遞增臺(tái)階、電極修磨記數(shù)等參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置；其中一體式焊鉗的控制器最多可以設(shè)置64套焊接參數(shù)程序，利用焊接參數(shù)程序轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，一把焊鉗可以焊接多種不同裝配的焊點(diǎn)；且控制器具有故障自診斷功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制器會(huì)出現(xiàn)故障代碼，極大地提高了設(shè)備維修效率。

圖2 手工焊鉗

機(jī)器人焊鉗也分為兩類：氣動(dòng)機(jī)器人焊鉗和伺服電機(jī)機(jī)器人焊鉗。氣動(dòng)機(jī)器人焊鉗由氣缸、鉗體、阻鉗變壓器、具有補(bǔ)償功能的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下電極組件及電極等部件組成。通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)而帶動(dòng)焊鉗上下電極夾緊至預(yù)先設(shè)定壓力以完成焊接動(dòng)作。由于氣動(dòng)焊鉗在焊接加壓時(shí)無(wú)法精確控制電極移動(dòng)速度，對(duì)工件沖擊較大，容易使工件產(chǎn)生變形、焊接飛濺、焊接時(shí)噪音較大等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步被伺服電機(jī)機(jī)器人焊鉗（圖3）所取代。伺服電機(jī)焊鉗與氣動(dòng)焊鉗主要區(qū)別在于伺服焊鉗焊接壓力采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用伺服電機(jī)代替氣動(dòng)焊鉗中的氣缸。伺服電機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠轉(zhuǎn)化為焊鉗電極的上下運(yùn)行。在伺服焊鉗機(jī)械結(jié)構(gòu)中滾珠絲杠是最重要的機(jī)械元件，由絲杠、螺母、滾珠等零件組成，具有驅(qū)
動(dòng)力矩小、精度高、可實(shí)現(xiàn)低速進(jìn)給及高速進(jìn)給、剛性高、可逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，保證了伺服焊鉗功能的實(shí)現(xiàn)。.

圖3 機(jī)器人焊鉗

2.3 凸焊技術(shù)

在車身制造領(lǐng)域中凸焊技術(shù)主要應(yīng)用于焊接螺釘，螺母類零件或小件；通常情況下，單個(gè)車身使用的螺釘或螺母件數(shù)量超過(guò)兩百個(gè)。凸焊實(shí)際上是點(diǎn)焊的一個(gè)變形，通常在螺釘或螺母上沖出凸點(diǎn)或凸環(huán)，或在小件上沖出凸點(diǎn)。凸焊焊接時(shí)由于電流集中，克服了點(diǎn)焊時(shí)因零件厚度不同而造成的熔核偏移，零件的厚度比可以超過(guò)6∶1，而點(diǎn)焊工藝不同零件的厚度比通常不超過(guò)4∶1。凸焊時(shí)，電極要隨著凸點(diǎn)或凸環(huán)被壓潰而迅速下降，否則會(huì)因?yàn)閴毫ι仙徛a(chǎn)生噴濺或炸電極，因此凸焊設(shè)備的電極隨動(dòng)性要好。在對(duì)螺釘或螺母類零件進(jìn)行焊接時(shí)，焊接參數(shù)值通常采用大電流，焊接時(shí)間短，否則會(huì)容易導(dǎo)致螺紋變色，精度下降等問(wèn)題。在焊接直徑為8 mm的凸環(huán)螺釘時(shí)，焊接電流需達(dá)到30 000 A，凸焊設(shè)備功率要比常用點(diǎn)焊
設(shè)備功率大的多。

2.4 電阻焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)—中頻電阻焊

目前汽車車身的發(fā)展方向是“輕量、安全、節(jié)能”，為此鍍鋅鋼板、高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金
等新材料越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在車身制造中。傳統(tǒng)的工頻電阻焊技術(shù)已經(jīng)難以滿足新材料的焊接要求。使用傳統(tǒng)的工頻電阻焊設(shè)備焊接鍍鋅鋼板和高強(qiáng)度鋼板，容易造成焊接飛濺，電極粘連，焊接毛刺等缺陷。中頻電阻焊由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、焊接電流脈動(dòng)小、加熱集中、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好滿足鍍鋅鋼板和高強(qiáng)度鋼板焊接的技術(shù)要求，正在逐步應(yīng)用在車身制造中。

中頻電阻焊機(jī)工作原理，由三相交流電（380 V/50 Hz）經(jīng)整流電路和濾波電容轉(zhuǎn)換成 500 V 左右脈動(dòng)直流電，再經(jīng)由功率開(kāi)關(guān)器件組成的逆變電路轉(zhuǎn)換成中頻方波（1 000 Hz），然后輸入變壓器降壓后，經(jīng)大功率二極管整流成直流電供給電極對(duì)工件進(jìn)行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調(diào)制（PWM）獲得穩(wěn)定的恒電流輸出。中頻直流電阻焊機(jī)工作原理見(jiàn)圖4。

a.與工頻交流電流相比，由于中頻逆變直流電流沒(méi)有明顯的峰值電流，電流波形平直，減少了焊接飛濺，提高了焊接質(zhì)量。

b.三相負(fù)荷均衡，不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，即使在網(wǎng)壓波動(dòng)+15%情況下，仍可將焊接電流精度控制在2%以下，且功率因素高。

c.中頻變壓器體積小、質(zhì)量輕，輸入熱量低，便于使用一體化焊鉗。尤其運(yùn)用于機(jī)器人點(diǎn)焊操作時(shí)，可減輕機(jī)器人的負(fù)荷，而使用工頻焊接控制器時(shí)則需要載荷能力更大的機(jī)器人。

d.中頻焊接控制器的調(diào)節(jié)反饋控制周期為千分之一秒，響應(yīng)速度是工頻焊接控制器的20倍，能瞬時(shí)分析及調(diào)整焊接參數(shù)，焊接質(zhì)量控制更精確 [2] 。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，中頻電阻焊的焊接質(zhì)量得到提高，焊接飛濺有大幅度的下降；不過(guò)能耗降低及電極帽壽命延長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有能夠體現(xiàn)出來(lái)。

3 電弧焊技術(shù)

電弧焊在車身制造應(yīng)用時(shí)工件容易變形，尺寸不易控制，通常只有在難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊工藝的時(shí)候，才使用電弧焊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的連接。目前國(guó)內(nèi)大多的汽車整車廠采用電弧焊工藝熔化極氣體保護(hù)焊，它包括 CO 2 氣體保護(hù)焊、MAG 焊、MIG焊。

除了熔化極氣體保護(hù)焊之外，還有一種特殊的電弧焊工藝，即電弧螺柱焊。

3.1 熔化極氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊是采用連續(xù)等速送進(jìn)可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法。根據(jù)不同的保護(hù)氣體和焊絲，熔化極氣體保護(hù)焊分為CO 2 氣體保護(hù)焊、MAG焊（保護(hù)氣體為氬氣加少量 CO 2 或 O 2 ），及 MIG 焊（保護(hù)氣體為氬氣或氦氣）。

由于CO 2 氣體保護(hù)焊具有焊接速度快，成本低及易與全位置焊接等特點(diǎn)，在大多數(shù)汽車廠家應(yīng)用最廣泛，其缺點(diǎn)為飛濺大、煙塵大、焊縫成型不良、沖擊韌性低。與CO 2 氣體保護(hù)焊相比，MAG焊電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成型美觀，沖擊韌性好；同時(shí)還克服了純氬氣保護(hù)時(shí)的表面張力大，液體金屬粘稠等問(wèn)題。由于保護(hù)氣體成分主要是氬氣，MAG 焊的使用成本比 CO 2 氣體保護(hù)焊的使用成本要高。MAG焊和CO 2 氣體保護(hù)焊的焊絲通常采用 H08Mn2SiA，低碳鋼中填加了硅錳元素以補(bǔ)償電弧燃燒時(shí)引起的焊縫合金元素的燒損。轎車車身零件厚度通常在 0.67～3.0 mm 之間，對(duì)于厚度小于1.0 mm的工件來(lái)言，使用MAG焊容易引起工件燒穿現(xiàn)象；為了減少工件燒穿現(xiàn)象的發(fā)生，一些汽車廠家在厚度小于 1.0 mm 的工件上采用了MIG焊。MIG焊的焊絲成分為銅鋁合金，保護(hù)氣體為純氬氣。MIG 焊和 MAG 焊不同點(diǎn)為 MAG 焊是熔焊，而MIG焊是高溫釬焊，在焊接過(guò)程中，通常工件（低碳鋼）不熔化，鋁青銅焊絲熔化滴到工件接口，熔化的金屬液體填充到工件縫隙中。從使用的效果來(lái)看，MIG 焊在焊接厚度小于 1.0 mm 的工件時(shí)，避免了工件易燒穿現(xiàn)象。使用 MIG 焊接工件，成本比較高，且釬焊焊接接頭強(qiáng)度不如熔焊接頭。

對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊來(lái)說(shuō)，如何精確控制熔滴過(guò)渡，減少或避免飛濺問(wèn)題，一直是廣大焊接工作者關(guān)心和研究的問(wèn)題。隨著焊接電源從電磁控制式發(fā)展到逆變式，這個(gè)問(wèn)題得到了很大的改善。電磁控制式焊接電源是利用電感效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)焊接過(guò)程中電流、電壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；逆變電源是利用電子電容器來(lái)控制焊接過(guò)程中電流、電壓的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，可以實(shí)時(shí)控制熔滴過(guò)渡過(guò)程，最大限度地避免飛濺現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外電焊機(jī)廠家開(kāi)發(fā)出了各具特色，性能優(yōu)異的逆變弧焊機(jī)。

3.2 螺柱焊

螺柱焊接具有快速，可靠、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以替代鉚接、鉆孔等工藝。國(guó)內(nèi)某汽車廠家的一個(gè)車身，螺柱使用量達(dá)到200個(gè)。螺柱焊主要有儲(chǔ)能式（電容放電）和拉弧式兩種方式。儲(chǔ)能式螺柱焊，焊接時(shí)間、焊接電流不可調(diào)，熔深很淺，在汽車行業(yè)的應(yīng)用很少。目前汽車行業(yè)應(yīng)用最多的是拉弧式螺柱焊，螺柱接觸工件后，扣動(dòng)焊槍開(kāi)關(guān)，螺柱被拉起，離開(kāi)工件，然后工件與螺柱之間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的熱量熔化螺柱頂部法蘭和工件表面，隨后螺柱下降浸入工件表面形成的熔池里，設(shè)備斷電，熔池冷卻形成焊接接頭，焊接完畢。焊接過(guò)程見(jiàn)圖5。螺柱焊接時(shí)間非常短，以 ms 為單位，通常在20～40 ms之間，汽車行業(yè)采用的這種螺柱焊接工藝也稱為短周期螺柱焊。

螺柱焊設(shè)備焊接電源現(xiàn)在以逆變式電源為主，已經(jīng)基本替代了晶閘管控制弧焊整流器電源。螺柱焊槍已經(jīng)從氣動(dòng)發(fā)展到電動(dòng)，可通過(guò)彈簧的伸縮來(lái)控制螺柱的提升、下降過(guò)程，發(fā)展到伺服電機(jī)控制螺柱的運(yùn)動(dòng)，精確控制螺柱的運(yùn)動(dòng)行程，提高了螺柱焊接質(zhì)量?，F(xiàn)在螺柱焊接技術(shù)發(fā)展較快，自動(dòng)化程度高，廣泛采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、模糊系統(tǒng)、專家系統(tǒng)程序等智能控制系統(tǒng)技術(shù)。螺柱焊設(shè)備不僅能精確設(shè)置和記錄、儲(chǔ)存焊接參數(shù)，而且能對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有故障自我診斷專家系統(tǒng)，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量；且1臺(tái)焊接主機(jī)可以最多帶5把焊槍工作，極大地提高了焊接主機(jī)的利用率 [3] 。

國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的螺柱焊機(jī)主要依靠進(jìn)口，存在價(jià)格高、維修成本高的問(wèn)題。目前通過(guò)國(guó)內(nèi)焊接技術(shù)人員的不斷攻關(guān)，深圳和天津已經(jīng)有焊機(jī)設(shè)備廠家研制出可用于汽車行業(yè)使用的螺柱焊接設(shè)備，螺柱焊接質(zhì)量可以滿足生產(chǎn)要求；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)螺柱焊設(shè)備制造領(lǐng)域的空白。

4 激光焊接

由于激光焊接具有能量密度高、工件變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為金屬材料加工與制造的重要手段。越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國(guó)防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。

汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造的重要焊接方法。激光焊接在汽車車身制造中的應(yīng)用主要包括激光拼焊板、激光釬焊、激光熔焊。

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板技術(shù)根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇強(qiáng)度等級(jí)相同或不同，厚度不同的鋼板，通過(guò)激光裁剪和拼焊在一起，然后再?zèng)_壓成車身零件。激光拼焊技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為減少了零件及模具的數(shù)量、縮短設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)周期、減少材料浪費(fèi)；合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性 [4] 。

蒂森克虜伯公司與大眾公司合作，最早把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件如行李箱加強(qiáng)板、行李箱內(nèi)板、減震器支座、后輪罩、側(cè)圍內(nèi)板、前地板、前縱梁、保險(xiǎn)杠、橫梁、輪罩、車門(mén)內(nèi)板、中立柱等 [5] 。圖6所示為車身某些部位的激光拼焊板。

圖6 激光拼焊板零件

4.2 激光釬焊

激光釬焊也稱激光填絲釬焊，其基本原理為激光發(fā)生器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（工件未熔化）成高溫液態(tài)金屬浸潤(rùn)工件連接處，填充接頭間隙與工件結(jié)合，液態(tài)金屬冷卻后，形成焊縫，見(jiàn)圖7 [6] 。通常采用的焊絲為直徑1.2 mm的CuSi 3 焊絲，其熔點(diǎn)950 ℃左右，被焊工件為低碳鋼鍍鋅板（鋼板熔點(diǎn) 1 400 ℃以上），在焊絲熔化的情況下，工件不熔化。

激光釬焊目前主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等車身的可視工件焊接中。很多主流汽車廠家在中高檔車型中都應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)某車型激光釬焊應(yīng)用見(jiàn)圖8。以頂蓋的激光釬焊為例，與電阻點(diǎn)焊相比的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

a.搭接凹槽長(zhǎng)度由 40 mm 減少到 5 mm 以內(nèi)，減輕了車身質(zhì)量，可以節(jié)能降耗。

b.頂蓋單側(cè)的激光釬焊縫通常在1.5 m左右，是連續(xù)的金屬連接，提高了車身的連接強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)了車身安全性。

c.點(diǎn)焊需要涂膠工藝，激光釬焊不需要涂膠工藝，在減少工藝內(nèi)容的同時(shí)降低了制造成本。

d.搭接凹槽無(wú)須使用裝飾條，減少了零件數(shù)量，降低了制造成本，提高了車身的美觀度。

e.由于是局部加熱，工件熱影響區(qū)小，提高了車身安全。

f.正離焦方式加熱，加熱帶寬，無(wú)飛濺，填充劑熔化后自然浸潤(rùn)，焊縫外觀質(zhì)量良好。