摘要：高能束焊具有加热集中、热输入量少、焊接变形小、热影响区小、焊接精度高，宜适用于难熔金属、热敏感性强的金属焊接等优点。并着重分析了激光焊接、电子束焊接、等离子焊接在汽车工业各个方面的应用。
关键词：高能束；汽车；焊接
前言
焊接工艺是汽车制造技术中最有代表性的3大工艺之一（焊装、油漆、总装）。在汽车工业中，传统的焊接工艺有手工电弧焊、氧乙炔焊、手工点焊等。但传统焊接方法存在焊缝质量较差、焊后变形大、易产生气孔、焊渣难以除清等缺点，取而代之的是机械化程度较高的CO2气体保护焊、电阻点焊。然而在点焊过程中所出现的缺陷给汽车装配带来了一定的影响，这些问题往往是到了总装流水线上装配才发现需要进行补焊、补漏、校正变形，影响流水线的作业进度[1]。尤其在铝合金方面，由于铝的导热性、低熔点和低屈服强度必须采用大电流，这使得电阻点焊铝合金产品引起的变形必定比钢制产品严重得多，同时也给焊接质量监控带来了较大的困难。
随着汽车向着安全、环保、经济、可靠、耐久的方向发展，汽车焊装生产线也在逐渐向全自动化方向发展。为了适应这一要求，各国的汽车公司在提高产量的同时，要求努力提高汽车质量和降低成本。众所周知，实现自动化的前提是零部件的制造精度很高，焊接变形小，焊接部位外观光亮，所以要求焊接技术越来越高。而CO2气体保护焊和电阻点焊已不适宜尺寸要求高、变形量小的汽车零部件的焊接。因此，在汽车工业中正广泛地采用高能束焊接。例如，美国通用汽车公司已有，3000多个汽车零件采用激光焊。据资料，美国汽车工业应用高能束焊接技术后，进行成本核算发现，每辆车节约成本100美元以上。高能束焊接提供了高速焊，而且使部件质量减轻、制造时间缩短、生产成本降低。
高能束焊特点
高能束焊是利用功率密度大于5×108W/m2的热源对材料进行焊接的技术，其中包括电子束焊接、激光焊接、等离子体焊接。在高能束焊接过程中，由于热源能量密度高，在极短作用时间内，被焊材料蒸发汽化，产生贯穿被焊材料厚度方向的空洞，称之为“ 匙孔”或者“ 小孔”。随着热源与被焊材料的相对运动，液态金属不断流向熔池后部填充小孔，从而形成连续的而且完全焊透的焊缝。“ 小孔效应”是高能束焊接过程的显著特征，改变了能量传递方式。与一般弧焊相比有明显的优点：
a.焊接时基本不需要开坡口和填丝，熔深大；
b.加热集中、热输入少，焊接变形小、热影响区很小、焊缝组织细化、焊接精度高，并具有较高的生产率；
c.适宜于难熔金属、热敏感性强的金属以及体积、尺寸悬殊工件间的焊接；
d.高能束焊接的规范参数均能进行单独调节，而且可调范围宽。
高能束焊接在汽车工业中的应用
2.1 激光焊接的应用
激光焊作为一种特殊工艺，可分为连续激光焊和脉冲激光焊两大类。它具有能量密度高、熔深大、焊接质量好、热影响区小、无污染和任何腐蚀以及易实现自动化等优点，使之在汽车领域中得到广泛应用。
在汽车工业中主要使用连续激光焊。据专家预测，汽车零件中有50%以上电阻点焊生产线被激光焊生产线所取代。世界上很多著名汽车公司都建有专门的激光焊接专用生产线：美国通用汽车公司已经采用22条激光加工生产线；Thyssen钢铁公司的轿车底板拼焊生产线；大众汽车厂的齿轮激光加工生产线；奔驰汽车厂的18个厂房里有8个厂房安装了激光加工设备[2]。
利用大功率CO2激光器可将焦点调到距镜头2.5m，采用数控系统操纵聚焦镜进行精确转动以形成扫描激光束，用以焊接相距约2.5m 处的车身工作面，其功率最大可达37kW，最大焊速4m/s最大加速度达100m/s2，焊缝位置准确度为±0.5mm。丰田公司1985年开始应用激光拼焊板胚，把5块不同厚度的板材用激光拼焊成为整体板胚，经冲压成为车身侧围，可以节约大量的厚板材，省略了许多机械加工工序，并且没有挠曲和变形。另外，奔驰300SEL轿车顶盖也同样采用了激光拼焊技术，成效卓著[3]。意大利菲亚特公司正准备用激光焊接逐步取代传统的点焊工艺，焊接操作也由安装在可移动托架上的机器人承担，机器人具有激光选择器，激光器的功率为2.5kW。据KUKA公司的研究人员介绍，车身上600个激光焊点用一个激光头只需12min就可以全部焊完。激光焊接的车身整体性好，对减振、安全都有利[4]。
用激光叠接焊代替电阻点焊，可以取消或者减少电阻焊所需的凸缘宽度，例如用传统的点焊工艺需要100mm宽的凸缘，而用激光焊只需1.0-1.5mm宽，这样，平均每辆车可以减少50kg质量[5、6]。用传统点焊焊接2片0.8mm的钢板冲压件，平均是20点min，焊距25mm，即速度为0.5m/min，用激光焊速度可以达到5m/min以上。采用激光焊接技术，不仅降低成本，还大大提高了生产效率。
激光焊还用于汽车其他部件如离合器、传动齿轮、底盘、轮盘钢圈等的焊接。美国福特汽车公司用4.7kW。CO2激光焊机焊接车轮盘钢圈，钢圈厚1mm，焊速为25cm/min。该公司还采用6kW激光系统建成汽车底盘自动化生产线，整条生产线由电子计算机控制，仅需一个操作工人。意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮，费用只比老设备提高1倍，生产效率却提高5-7倍。日本汽车电器厂用2台1kW激光焊接点火器中轴于拨板地组合件，日产1万件，熔深1.2mm，焊速3.5件/s。美国阿符科公司研制的HPL型工业用CO2激光焊机，功率为15kW。用于焊接汽车转动组件的2个齿轮，焊接时间为1ms，同心度控制在0.05mm之内，每小时可以焊接1000余个组件[7]。在美国通用公司中，激光焊接操作均由机器人承担。德国大众汽车公司用CO2激光焊接轿车底板。在Audi500型轿车底板拼焊线上，焊装线全自动化，配有焊缝监控系统，焊缝长1950mm，板厚0.9mm，热影响区1mm，焊缝光亮平整，焊缝强度好于母材，焊接单件时间为20s。
在国内，为满足汽车车身高速激光焊接的需要，华中科技大学与武汉钢铁公司采用激光焊接技术进行汽车用超宽钢板的拼焊。已完成的超深冲钢板的激光焊机研究表明：接头的力学性能、深冲加工性能与母材相当，并且无变形，焊接速度高达2.2-3.0m/min。长春一汽与北京产学研中心共同研制红旗新型轿车的激光接长拼焊技术。上海雷欧激光设备厂成功地进行五十铃汽车变速器齿轮的激光焊接加[8]。
3.2 电子束焊接的应用
电子束焊具有能量密度高、穿透能力强、热效率高、精密易控及多功能等优点，在工业领域的各个行业得到了广泛的应用，尤其是自20世纪60年代日本富士重工和美国通用汽车公司率先采用电子束焊接变速箱齿轮和飞轮以来，电子束焊接便在汽车工业中得到了广泛地应用。日本三菱电器多田公司每年要向世界各地提供约100台电子束焊机，其中,80%用于汽车工业。德国大众汽车公司的一个齿轮加工车间内就装有20余台电子束焊机。目前，世界上几乎所有的汽车制造厂都引入了电子束焊接设备。电子束焊接主要用于焊接汽车工业中的如下零部件：手动变速箱中的复合多联齿轮；自动变速箱中的行星齿轮变速器及液力变速器；涡轮增压器；ABS刹车系统的液压容器；空气包系统的气体发生器；后桥以及其他零件，如活门、火花塞、摇杆组件、配电器凸轮、喷嘴、活塞、离合器、轮缘座、轮轴、连杆轴帽、移动导管、档油圈、曲轴、轮轴、变速器托架、刹车带、飞轮等。根据国外资料报道，在汽车工业中至少有40多种零部件是采用电子束焊接[9]。
非真空电子束焊接（EBW-NV）在汽车制造领域一直倍受重视。例如，手动变速器中同步环与齿轮的非真空电子束焊接，生产率已超过500件/h。德国Aachen大学焊接研究所在进行非真空实验中，以11m/min的焊接速度获得优质焊接接头，目前正在达到25m/min的焊接速度，以满足汽车工业的需要。美国是世界上非真空电子束焊接的最大用户。有资料表明，20世纪80年代在美国已经有50台非真空电子束焊机在运行，其中包括从欧洲引进的设备，主要是用于汽车制造业中。
从20世纪80年代我国开始研究电子束焊接，其中重点研究的是汽车重型齿轮的焊接。这是因为随着汽车的发展，汽车重型齿轮需求也越来越大，采用传统的焊接方法制造，存在着劳动生产率低、焊接变形大、接头质量不易保证、消耗大、劳动条件恶劣等问题。北京航空工艺研究所、中科院北京电工所等单位对此进行了深入的研究，分别研制了齿轮专用焊机，在中科院电工所已形成一定批量生产规模。此外，哈尔滨焊接研究所在非真空电子束焊接技术研究领域、桂林电器科学研究所在60kV中压被真空电子束焊机的开发研制中都进行了大量的研究工作，卓有成效[8]。另外，陕西汽车厂已成功应用双头电子束焊接后桥。
3.3 等离子焊的应用
早在20世纪60年代末、70年代初，乌克兰巴顿焊接研究所就开始了对微束等离子焊接技术的研究。微束等离子弧具有电弧收缩，能量集中的特点。与激光焊相比，其优点是整个操作过程比较简单，成本为激光焊的二分之一，且设备维护技能要求不高，焊缝强度达到母材的90%以上，焊缝组织、成分也与母材基本接近，但焊接质量不如激光焊。与电子束焊相比，它无需在真空条件下，而电子束焊必须在真空条件下进行，生产效率低，成本高，且工件还受真空室尺寸大小的限制[10]。国内外等离子焊接主要用于铝合金、中厚度结构钢的焊接。如焊接铝合金制造的IEC车25m长的底板时，采用了双丝金属极气体保护等离子焊工艺，平均焊速可以达到1.2-1.8m/min，焊接过程稳定，焊接质量可靠。
英国Convertry大学先进连接中心研究人员与JAGUAR汽车厂的专家联合开发研制了一种新型等离子弧点焊系统，用于点焊最新设计的美洲虎车底盘，大约有40个焊点，焊点位置比较特殊，常规电阻点焊机器人无法进入。等离子弧点焊技术与电阻点焊技术相比较，具有焊枪质量大大降低、机器人操作大幅度提高、焊点的拉伸强度和疲劳强度也大大提高、焊点直径大2倍的优势。等离子点焊潜在的技术优势预示着这种新型等离子弧焊工艺可能在一定范围取代电阻点焊工艺[8]。
美国NASA宇航局马歇尔宇航中心开发了一种新型等离子弧焊接方法，称为三重气体等离子弧焊（Ternary gas plasma arc welding），并于1995年5月申请了美国专利。与常规等离子弧焊相比，这种新方法在焊枪上做了重大革新，钨极为空心，中间通入惰性气体，因而在焊枪中存在三重气体，从钨极中间通入的气体与环绕钨极的离子气联合作用，有助于得到更挺直、更稳定的等离子弧。采用这种焊枪进行焊接，焊缝热影响区的宽度减小，熔深的可控性加大，在相对低的热输入条件下可以焊接更厚的材料[8]。
国内主要是在等离子弧焊设备方面进行研究。西北工业大学的李京龙、白钢等人开展了脉动等离子喷焊技术研究，通过在工件和喷枪阳极,喷嘴2间接入高频的IGBT无触点开关，成功实现转移弧与非转移弧的高频交替工作和单一电源下的等离子喷焊。西安交通大学的王雅生等人开展了适宜于Al、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备的研究，主弧的正、负半波分别由2台直流电源供电，对工件（铝）实现了变极性焊接，它不仅使电弧稳定，而且还有可靠的阴极清理作用。北京航空工艺研究所开展了脉冲等离子弧焊的“ 一脉一孔”的工艺研究。西安航空发动机公司利用自制的电源设备配以进口的等离子焊枪，实现了某发动机工艺的改进[11]。
结论
21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性模块式生产的方式，传统加工工艺不能满足新生产方式的需要，这给高能束焊接技术的大规模应用提供了机遇，高能束焊接技术在汽车领域中一定会有更大的发展，成为汽车工业中主要的加工方法，并最终取代电阻点焊。
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3/29/2008
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