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车身激光焊接接头设计形式与质量评价标准

2009-04-23 15:08
老猫
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        激光焊接技术以其较高的能量密度、较快的焊接速度、较高的电弧稳定性和优质的焊缝成型在汽车车身制造过程中得到广泛应用,激光焊接技术的使用使车身的前撞、后撞、侧撞都能符合较高的设计要求,但在产品设计过程中,对焊接接头的设计和焊缝质量的评价标准以及焊后焊缝的返修也相应提出了更高的要求。

        从20世纪80年代开始,激光技术开始运用于汽车车身制造领域,主要是运用激光焊接车身。激光焊接设备使用的激光器主要有两大类:Nd:YAG固体激光器,主要优点是产生的光束可以通过光纤传送; CO2激光器,可以连续工作并输出很高的功率。

        在开发激光焊接新技术方面,激光技术在车身制造过程中经历了不等厚板激光拼接技术、车身激光焊接技术、激光复合焊接技术的发展历程。
与单一的激光熔焊技术相比,激光混合焊接技术具有显著的优点:高速焊接时电弧焊接的较高的稳定性、更大的熔深、较大缝隙的焊接能力、焊缝的韧性更好、通过焊丝可以调整焊缝组织结构等。焊缝的设计型式和焊缝标准的评价随着激光焊接技术的发展也不断进行着改变与完善,特别是近些年镀锌板、三层板和超高强钢板的广泛应用,对接头的设计型式提出了更高的要求,焊缝标准的评价也不断细化和优化,这不仅为制造优质的焊接车身提供了保证,也为焊缝的返修提供了理论依据。

        目前,一汽大众公司在Audi C6、Golf A6、宝来、速腾、迈腾、Model X等几乎所有品牌车型的车身制造过程中都不同程度地采用了激光切割、激光熔化焊接、激光复合焊接等先进的制造技术(如表1)。由于焊接部位不同,焊接接头的型式与评价标准以及焊缝存在的焊接缺陷也不同,从而导致焊缝返修标准也存在一定差别。

        以一汽大众迈腾车身为例,车身激光焊缝总长度高达42m,焊缝的接头型式涉及顶盖激光钎焊时的对接接头、前后风窗上沿的搭接I型接头、后流水槽处的搭接角焊缝以及前端的角接角焊缝等诸多形式。由于焊缝的型式不同,激光焊接时的焊接方法、参数、评价标准和焊后返修的标准均有所不同(如图1)。

图1  迈腾车身俯视激光焊缝

        激光焊原理与设备

        激光焊采用激光作为焊接热源,机器人作为运动系统。激光热源的优势在于:具有极高的加热能力,能把大量的能量集中在很小的焊接点上,所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快、焊接变形小等特点,可实现薄板的快速连接。

        当激光光斑上的功率密度足够大时(大于106W/cm2),金属在激光的照射下迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高至沸点,金属发生气化。金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池的表面,产生一个附加应力反作用于溶化的金属,使其向下凹陷,在激光斑下产生一个小凸坑。随着加热过程的进行,激光可以直接射入坑底,形成一个细长的“小孔”。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续深入。光斑密度很大时,所产生的小孔将贯穿于整个板厚,形成深穿透焊缝。金属在小孔前方熔化,绕过小孔流向后方,重新凝固形成焊缝(如图2),所以激光焊缝具有深而窄的特征。

        激光复合焊接将两个电弧进行复合,两个电弧相互影响和支持,形成的熔池比激光熔焊要大(如图3),因而搭桥能力更好,允许更大的焊接装配间隙。同时,激光复合焊接的熔池比MIG焊的要小。

图3  激光焊、MIG激光复合焊接及MIG焊接头成形比较

       一汽大众激光焊接接头型式

       迈腾长达42m的激光焊缝,保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。迈腾的激光焊接主要是在车身的顶盖和侧围的连接、底板不等厚板的拼接、车门内板不等厚板的拼接、底板与侧围、后围板、前后风窗口以及门框等连接处。

       常用的激光焊接所连接的焊接材料有冷轧钢板、低于0.02%碳当量的热轧钢板、热镀锌和电镀锌钢板,一般要求钢板的材质必须符合相应的技术标准,以实现优质连接。要实现优质连接主要取决于三个要素:即设计、加工和材料。图4 给出了焊接的可能性,以及在接头设计和加工制造之间获得优质焊接接头的相互关系。除了设计的一般性原则外,诸如设计端面的处理、必要的焊前准备、焊接接头属性的描述、焊接工艺、夹紧技术、激光束的可达性、加工精度和焊后返修都起到相应的作用。

图4  焊接性与影响因素的关系

       要获得较好的激光焊缝,必须依据以下原则:接头是通过焊接区的相互连接而形成,对于每一种接头型式必须考虑工件的设计要求。焊缝的形式最终取决于焊接端面的设计形式和加工准备的范围和型式。对于金属涂层钢板的使用,需注意连接区域必须设计排气通道,缝隙的设计一般根据涂层的厚度在 0.05~0.2mm之间选择,也可以通过设计一定的板材角度来解决。另外,工件的夹紧设计和预处理必须确保排气通畅。
               
       激光焊接接头质量评价标准

1. 汽车车身激光焊接头内部常见质量评价标准

焊接接头的质量缺陷一般分为表面缺陷和焊缝内部缺陷两大类,表面缺陷一般具有可视性,内部缺陷无法目视发现,必须通过相应的技术手段观察和发现,如借助于微观金相分析等手段观察等。

2. 汽车车身激光焊接头外表面常见质量评价标准

        焊缝在进行返修时需满足如下要求:注意不要影响总成的功能尺寸的变化和设计要求,返修后能保证车身总成的尺寸稳定性、较好的表面精度和较好的接头抗腐蚀性。另外,在返修时涂胶区域不允许焊接,以免造成不必要的焊接变形,影响焊接返修接头的质量。在法兰边较短(小于或等于8mm)时,或者不能钻孔返修的区域,要在搭接口使用贴角焊缝,或者在对接焊缝处用MIG或者等离子钎焊。所修复的焊缝长度必须至少等于焊缝缺陷位置的长度。在采取电弧钎焊(MIG, WIG, Plasma)等手段返修时,事先必须分析母材的焊接性,如通过拉延实验分析其屈服强度和断裂强度,通过金相手段分析其焊缝以及焊缝与热影响区的组织与形貌等。在一些特殊的不可能返修的情况下,如在连接时因热量导致总成变形的车身,根据标准用这种使母材加热的返修办法则是不允许的,必须考虑冷胶胶接的方法或其他冷加工处理方法。

       一汽大众作为国内知名的汽车制造企业,一直以技术领先引导国内汽车制造技术的发展方向,激光焊接及其复合焊接技术的开发与利用,是一汽大众车身制造水平发生质的飞跃的重要标志。激光熔焊及其复合焊接技术作为目前最为先进的焊接方法之一,实现了较高焊接速度与较好焊接质量的完美结合,缩短了生产时间,并提高了生产效率,使一汽大众的产品具有更强的信任度和市场竞争力。随着符合产品设计要求的激光接头设计型式和接头焊接缺陷解决方案的逐步深化与完善,更加确保了一汽大众对这项先进焊接新技术的广泛应用。

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