中國的汽車(chē)工業(yè)誕生于1953年。毛澤東主席寫(xiě)下“第一汽車(chē)制造廠(chǎng)奠基紀念”的題詞至今已走過(guò)了50年的歷程。歷經(jīng)了幾代人的艱苦奮斗，中國汽車(chē)工業(yè)從無(wú)到有、從小到大，從貨車(chē)時(shí)代到轎車(chē)時(shí)代，從“公車(chē)”到“私車(chē)”，其創(chuàng )建、成長(cháng)的每一步都記載著(zhù)中國的巨變，成為中國制造業(yè)發(fā)展與開(kāi)拓的見(jiàn)證。

如今，汽車(chē)工業(yè)已成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要的地位。

汽車(chē)工業(yè)是用高新技術(shù)牽動(dòng)國民經(jīng)濟整體水平的典型產(chǎn)業(yè)?；A工業(yè)的水平與汽車(chē)制造技術(shù)具有密切的聯(lián)系。汽車(chē)重量的65％以上是采用鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料并通過(guò)鑄造、鍛壓、焊接等加工方法完成的。其中，焊接加工是汽車(chē)車(chē)體與零部件制造鏈中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，與沖壓、涂裝和成車(chē)裝配等構成了汽車(chē)制造的四大主要生產(chǎn)部門(mén)。同時(shí)，汽車(chē)產(chǎn)品的車(chē)型眾多、成形結構復雜、零部件生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)化、標準化以及汽車(chē)制造在質(zhì)量、效率、成本等方面的綜合要求，都決定了汽車(chē)制造中的焊接加工是一個(gè)多學(xué)科、跨領(lǐng)域、技術(shù)集成性強的生產(chǎn)過(guò)程。因此，汽車(chē)制造業(yè)的需求對焊接科學(xué)技術(shù)的巨大牽動(dòng)以及焊接科學(xué)技術(shù)對汽車(chē)這一支柱產(chǎn)業(yè)的重要支撐作用構成了基礎制造技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間依存與互動(dòng)的發(fā)展史和不斷進(jìn)步的動(dòng)力。

1 汽車(chē)制造中的焊接技術(shù)的特點(diǎn)

焊接是汽車(chē)制造鏈中的一項重要的加工環(huán)節。汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機、變速箱、車(chē)橋、車(chē)架、車(chē)身、車(chē)廂等六大總成都離不開(kāi)焊接技術(shù)的應用。各種焊接方法“覆蓋”了從白車(chē)身、車(chē)架、底盤(pán)到懸掛系統、制動(dòng)系統、轉向器、離合器、變速器直至車(chē)輪輪圈等部件的成形加工。各類(lèi)已有的焊接單元技術(shù)和工藝方法，如電阻焊、氣體保護焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等都得到應用[1]。例如，在一輛Passat車(chē)身上有電阻焊焊點(diǎn)5892個(gè)；螺栓焊206個(gè)；MIG焊焊縫累計2397mm等。圖1是汽車(chē)主要部件焊接加工方法應用的一個(gè)簡(jiǎn)要的描述。

圖1 汽車(chē)主要部件焊接加工的示意圖

在以“鋼結構”為主的汽車(chē)車(chē)身及主要支撐部件的焊接加工中，形成了汽車(chē)制造與焊接技術(shù)特有的結合點(diǎn)：

（1）對焊接產(chǎn)品有高的尺寸要求。為了保證產(chǎn)品的裝配精度和尺寸穩定性，要求盡可能減少薄板沖壓組合部件在焊后的熱應力與變形。

（2）對焊縫接頭有高的性能要求。不僅要滿(mǎn)足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的力學(xué)性能指標，而且有苛刻的低周疲勞性能要求。

（3）批量化焊接生產(chǎn)有高品質(zhì)的要求。以機器人為核心的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)方式代替手工焊接操作方式，以確保焊接產(chǎn)品的一致性。

（4）對焊接生產(chǎn)過(guò)程高節拍、高效率的要求。提出了高效化焊接方法與工藝的應用，同時(shí)也進(jìn)一步提高了焊接接頭的質(zhì)量。

（5）對“零缺陷”、“零次品”的質(zhì)量控制與保證，提出了自動(dòng)化焊接過(guò)程的監測與信息化管理的要求。促進(jìn)了以計算機、信息技術(shù)為平臺的焊接制造過(guò)程質(zhì)量控制系統的應用。

（6）對汽車(chē)的車(chē)身及零部件在結構與功能上的要求，使汽車(chē)用新材料及其相應的焊接新方法、新工藝與新的焊接材料成為當前汽車(chē)業(yè)與制造業(yè)多學(xué)科交叉與攻關(guān)的熱點(diǎn)。

（7）我國的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)通過(guò)合資或引進(jìn)國外先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)和制造技術(shù)，大大縮短了汽車(chē)國產(chǎn)化率的周期，也大大加快了先進(jìn)的焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應用。尤其是近10年以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)在焊接新技術(shù)的應用與推廣方面起了積極的示范作用。具有以高新技術(shù)提高競爭力、促進(jìn)傳統生產(chǎn)方式改造與更新的明顯特征。

2 汽車(chē)制造中的先進(jìn)焊接技術(shù)

針對汽車(chē)產(chǎn)品“更輕、更安全、性能更好且成本更低”的發(fā)展目標，當前的汽車(chē)焊接技術(shù)正從傳統的材料連接概念與方法的基礎上迅速地延伸和拓展，并向先進(jìn)的“精量化焊接制造”的方向前進(jìn)。

2．1 汽車(chē)制造中焊接機器人技術(shù)的應用

汽車(chē)制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使機器人生產(chǎn)方式在汽車(chē)焊接中獲得了大量應用。據2001年的統計，全國共有各類(lèi)焊接機器人1040臺，而汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76％，成為工業(yè)機器人的最主要用戶(hù)。

早在70年代末，上海電焊機廠(chǎng)與上海電動(dòng)工具研究所合作研制出4軸直角坐標焊接機械手，成功地應用于上海牌轎車(chē)底盤(pán)的焊接。在我國的汽車(chē)制造企業(yè)中，最早引進(jìn)焊接機器人的是長(cháng)春“一汽”，自1984年起從KUKA公司先后引進(jìn)了三臺點(diǎn)焊機器人，曾用于當時(shí)“紅旗牌”轎車(chē)的車(chē)身焊接和“解放牌”車(chē)身頂蓋的焊接。20世紀90年代以后，焊接機器人的數量增加很快，如一汽的“捷達”車(chē)身焊裝車(chē)間，13條生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化率達80％以上，在焊接中應用了R30型極坐標機器人和G60型關(guān)節式機器人共61臺；上?！皡R眾”自1993年至今已使用的焊接機器人共143臺，其中弧焊機器人120余臺，以機器人焊接為主的生產(chǎn)線(xiàn)有11條，機器人焊接工作站73個(gè)。機器人MIG/MAG焊接工作量占75％以上，為上海大眾、上海通用汽車(chē)公司提供后橋、副車(chē)架、搖臂、懸架、減振器等轎車(chē)底盤(pán)零件。

與目前國際上的工業(yè)化國家相比，如機器人應用較普遍的日本，在1988-1997年的10年間，汽車(chē)制造中的焊接機器人已達50,022臺。其中弧焊和點(diǎn)焊機器人的數量分別為28,235臺和21,787臺[3]。在美國、德國等汽車(chē)行業(yè)，機器人焊接及自動(dòng)化率均已超過(guò)了鋼結構行業(yè)、建筑行業(yè)和造船行業(yè)等其他行業(yè)。以此亦反映出汽車(chē)焊接生產(chǎn)所具有的柔性化、集成化的制造特征。

2.2 汽車(chē)制造中激光等高能束加工技術(shù)的應用

汽車(chē)工業(yè)是激光加工技術(shù)應用最多的領(lǐng)域之一。激光焊接具有熱影響區小，變形小、成形好、生產(chǎn)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。在汽車(chē)制造中激光技術(shù)最早是應用于A(yíng)udil00的底板焊接，對板厚為0.9mm，長(cháng)為1950mm的焊縫僅用20s時(shí)間完成[4]。如今已作為一項成熟的工藝廣泛地應用于白車(chē)身、車(chē)頂、車(chē)門(mén)等的焊接加工。其中，較為典型的應用是激光“裁焊拼板”(Tailor-welded blanks)工藝，即在單一部件上實(shí)現板材厚度的優(yōu)化和板材性能的組合。不僅提高了材料的利用率，減少模具的數量，同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)身的輕量化、設計的靈活性和安全性等多個(gè)方面的需求。圖3是對車(chē)門(mén)坯料的激光“裁焊拼板”的一個(gè)實(shí)例。

車(chē)門(mén)坯料(5合1)的激光“裁焊拼板”

以激光為代表的高能束以其綜合的技術(shù)優(yōu)勢對傳統的白車(chē)身電阻點(diǎn)焊提出了挑戰。移動(dòng)式激光焊接工作站(RLW—Remote Laser Welding)已能夠在一個(gè)相當大的空間進(jìn)行焊接操作，聚焦距離可達lm以上，每秒可焊5個(gè)焊點(diǎn)，移動(dòng)的速度可達每秒2m[4，6]。美國的三大汽車(chē)公司已將50％的車(chē)身部件點(diǎn)焊生產(chǎn)用激光焊接代替，使制造成本與傳統的點(diǎn)焊工藝相比降低了約30％。全鋁結構的AudiA2車(chē)身部件由50種型材、20種鑄件和168塊板件構成，在該車(chē)體的制造中，由激光完成的焊縫達30m，MIG焊縫20m，并采用1700個(gè)自穿孔鉚釘，成功地替代了傳統的電阻點(diǎn)焊工藝，顯著(zhù)地提高了車(chē)身成形的質(zhì)量[7]。表1給出了激光點(diǎn)焊(LSW)、等離子點(diǎn)焊(PSW)與傳統的電阻點(diǎn)焊(RSW)在工藝性方面的比較[8,9]。另外，激光釬焊工藝以最小的熱輸入量用于對鍍鋅板的焊接，達到最少的表面鍍層燒損。該工藝已應用于A(yíng)udi車(chē)的外殼層、后防護板，大眾Bora和Golf車(chē)的行李箱蓋等[4]。

汽車(chē)制造工業(yè)也是高能束加工之一的電子束焊接的最大用戶(hù)。我國自1986年以來(lái)，用于汽車(chē)變速齒輪的電子束焊接設備已有近30臺[10]。目前局部真空和非真空電子束技術(shù)的發(fā)展，提高了生產(chǎn)過(guò)程的適應性和靈活性，并開(kāi)始應用于汽車(chē)鋁合金結構件的焊接”[11]。

2.3 汽車(chē)制造中高效弧焊技術(shù)的應用

脈沖GMAW(P-GMAW)、雙絲MIG/MAG焊(Twin-Wire，Tandem-Wire)等代表了當前在汽車(chē)制造中應用的高效、高速焊接新工藝。這兩種焊接方法與機器人相配合，能充分體現高效化焊接的特點(diǎn)，實(shí)現了機器人系統在空間可達性和焊接速度之間的協(xié)同和完美組合。

P-GMAW電弧過(guò)程具有好的穩定性，能有效地保證焊縫質(zhì)量的一致性，改善了由于短路過(guò)渡焊接過(guò)程較低的熱輸入而造成的熔深不足。P-GMAW的射流過(guò)渡方式適用于薄板材料的高速焊接、鋼或鋁合金的車(chē)身框架結構的全位置焊接。在A(yíng)udi A8全鋁合金車(chē)身框架結構的管狀型材和接合點(diǎn)的焊接中，均大量地采用了P-GMAW的工藝[9]。

雙絲MIG/MAG焊有兩種基本形式：一種是雙絲焊接工藝(Twin—Wire)，兩個(gè)焊絲都是采用同樣的焊接參數：另一種是Tandem-Wire，采用兩個(gè)獨立的噴嘴和兩個(gè)獨立的電源，每個(gè)電弧有自己獨立的焊接參數。圖4顯示的是機器人的鋁合金脈沖MIG焊接及Tandem的焊接。前者的焊速為60～80cm/min；后者的焊速為180～210cm/min，用于寶馬5系列及奔馳(S級和E級)車(chē)型的鋁合金后軸[12]。

2.4 汽車(chē)制造中焊接新材料的應用

從我國8個(gè)行業(yè)的用鋼量的統計結果及調查預測表明，我國的汽車(chē)行業(yè)用鋼已居建筑、機械制造兩大行業(yè)之后的第三位。其用鋼量超過(guò)了造船、鐵路、石油與天然氣三個(gè)行業(yè)的總和。表2和圖4分別給出了汽車(chē)及相關(guān)行業(yè)的用鋼和焊絲用量的情況。從這些數據表明，從當前到今后的近十年中，是我國汽車(chē)制造業(yè)的大發(fā)展時(shí)期，對于汽車(chē)用鋼的焊接加工亦預示了相當大的發(fā)展空間。同時(shí)，圖5的數據進(jìn)一步表明，自動(dòng)化焊接工藝在汽車(chē)焊接中始終具有主導的地位。

圖4 鋁合金后軸的焊接

近年來(lái)，汽車(chē)產(chǎn)品在輕量化、安全性以及防腐耐蝕方面的需求，促進(jìn)了高強鋼板、鍍層鋼板等新型材料的研制，亦對焊材品種及其相關(guān)工藝不斷提出了新的課題。例如，為滿(mǎn)足機器人焊接高效率的需求，從提高送絲性能和引弧成功率、減少飛濺、改善電弧穩定性等方面考慮，開(kāi)展了不鍍銅型MAG焊實(shí)芯焊絲的研制；新開(kāi)發(fā)的脈沖MAG焊接用的實(shí)芯焊絲，通過(guò)改變成分，降低熔滴的粘度和表面張力，焊絲經(jīng)過(guò)表面處理，促進(jìn)了電弧噴射過(guò)渡，與普通的焊絲相比較，焊接速度達到1.5倍左右；針對焊接管板、輕型鋼架等鍍鋅鋼材的專(zhuān)用藥芯焊絲，能明顯減少鍍鋅鋼材焊接時(shí)的飛濺量和氣孔數量，獲得優(yōu)良的焊接性能(見(jiàn)圖6)。另外，低塵低飛濺型藥芯焊絲、極薄板的MAG焊焊絲等都在迅速地發(fā)展中[13,14]。同時(shí)，根據汽車(chē)焊接加工的特點(diǎn)和汽車(chē)用鋼的焊接材料專(zhuān)業(yè)性，正逐步形成從焊接對象、焊接材料、焊接方法三者匹配的總體工藝思路[13]。

圖6 鍍鋅鋼板用藥芯焊絲焊縫成形的對比

3 新一代汽車(chē)制造中的焊接科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展

新一代汽車(chē)正迅速地向節能、環(huán)保、更高的安全性和舒適性的目標發(fā)展。由此對汽車(chē)的設計、材料的選擇及其焊接加工等關(guān)鍵技術(shù)提出了全新的概念和對新技術(shù)的緊迫需求。以輕量化為目標，表現為輕金屬材料、復合材料等對汽車(chē)鋼制部件的替代；以液壓成形的管狀型材車(chē)體框架對傳統的無(wú)梁式鋼板結構的替代(見(jiàn)圖7)[15]。新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用并對傳統技術(shù)的提升和替代，己成為近年來(lái)國際汽車(chē)行業(yè)技術(shù)進(jìn)展的顯著(zhù)特點(diǎn)。

圖7 液壓成形的管狀型材車(chē)體框架示意圖

3.1 汽車(chē)制造中焊接新技術(shù)的進(jìn)展

如前所述，以激光焊接為代表的精量化焊接生產(chǎn)方式用一種新的技術(shù)理念促進(jìn)和加快了汽車(chē)焊接制造的進(jìn)步和創(chuàng )新。此外一些新的連接方法也率先在汽車(chē)制造中獲得應用。如變極性MIG／MAG焊接方法、激光-電弧復合焊接方法、磁脈沖焊接方法、膠接和機械連接方法等都已開(kāi)始成功地應用在各類(lèi)新車(chē)車(chē)型的制造中。表3列舉了當前先進(jìn)的焊接連接技術(shù)的特點(diǎn)及應用。

在BMW7系列車(chē)型的車(chē)身凸緣的連接加工中，采用膠接技術(shù)的已達到150m，占凸緣總長(cháng)的80％，而消耗粘結劑僅1.5kg；在Daimler Chrysler公司最新生產(chǎn)的Mercedes Benz CL車(chē)身結構中，大量采用了纖維增強型熱固塑料、薄壁鋁合金壓鑄件結構，采用膠接方法對該異種材料的連接接頭有71m。此外，為了滿(mǎn)足復合材料和異種材料車(chē)體的連接，大量發(fā)展了各種機械連接或機械連接與粘結復合的連接方式，如咬接、實(shí)心或空心鉚接、折疊連接、自穿孔鉚接等，具有不受材料類(lèi)型的限制、避免加熱引起的材料性能變化和變形等獨特的優(yōu)勢。

3.2 計算機與信息技術(shù)在汽車(chē)焊接中的應用

傳統的焊接技術(shù)正經(jīng)歷著(zhù)由經(jīng)驗性工藝向材料加工科學(xué)的變革。隨著(zhù)計算機與信息技術(shù)的工業(yè)應用，促進(jìn)了傳統的焊接生產(chǎn)向“精量化”的先進(jìn)制造方式轉變，并逐步與汽車(chē)制造加工鏈在產(chǎn)品生命全周期的有機集成。在當前汽車(chē)制造的焊接生產(chǎn)中，具體表現在對以減少消耗和提高綜合效益為目標的信息化制造的迫切需求。

基于虛擬現實(shí)建模(Virtual reality modeling)的機器人焊接過(guò)程仿真技術(shù)提供了關(guān)于工件、夾具和機器人焊槍姿態(tài)的三維信息，已大量地應用于焊接過(guò)程規劃、工藝參數的優(yōu)化以及焊接夾具的設計等各個(gè)制造環(huán)節。對加快機器人焊接程序的編制、節約現場(chǎng)調試時(shí)間以及焊接過(guò)程位置信息的準確獲取具有重要應用價(jià)值。圖8分別給出由清華大學(xué)研制的“轎車(chē)車(chē)身機器人裝焊生產(chǎn)線(xiàn)”實(shí)體模型(a)和“奔馳”公司對卡車(chē)車(chē)身機器人點(diǎn)焊過(guò)程的仿真(b)。

目前的仿真技術(shù)已有能力進(jìn)行焊接工藝參數對焊縫質(zhì)量的影響的評估，以及對焊后的應力與變形作出預測。新型車(chē)型的車(chē)身材料將從鍍層鋼板、鋁合金、高分子聚合物、復合材料等進(jìn)行選擇、優(yōu)化和組合，因此在設計階段就需要對多種材料的連接方式及其應達到的性能，尤其是疲勞性能、沖擊性能等進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)對接頭的仿真作出適用性評價(jià)。

為確保汽車(chē)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)高效、高質(zhì)量地進(jìn)行，實(shí)現“零次品”、“零缺陷”的產(chǎn)品管理目標，基于過(guò)程參數的焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)監測和缺陷檢出以及焊接生產(chǎn)過(guò)程及其產(chǎn)品質(zhì)量信息的在線(xiàn)反饋均在實(shí)施中。在美國、德國汽車(chē)制造業(yè)的質(zhì)量管理體系中，都明確規定了對生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)部件產(chǎn)品質(zhì)量的可記錄性和可追溯性。如由美國Chrysler,Ford，GM三大汽車(chē)公司制定的基于QS-9000的統計過(guò)程控制(SPC)以及由德國汽車(chē)工業(yè)聯(lián)合會(huì )制定的基于DIN EN ISO9001和DIN EN IS09004-1的汽車(chē)工業(yè)質(zhì)量管理體系審核(VDA 6)等，對生產(chǎn)過(guò)程要素如工序能力、設備能力、產(chǎn)品質(zhì)量受控能力等都作了明確的定義。因此，以計算機和信息技術(shù)為平臺的焊接生產(chǎn)過(guò)程信息系統為汽車(chē)焊接生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量狀況分析與優(yōu)化、以及企業(yè)的管理與決策提供準確的依據。

圖9 基于過(guò)程參數的汽車(chē)部件

焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)監測和缺陷檢出

4 結束語(yǔ)

汽車(chē)作為20世紀最顯著(zhù)的人文標志之一，己成為人類(lèi)社會(huì )的科技與文明進(jìn)步的一個(gè)象征。從50年代開(kāi)始的中國汽車(chē)制造業(yè)，以手工焊和電阻點(diǎn)焊作為主要加工手段跨出了汽車(chē)制造的第一步，如今已進(jìn)入了世界汽車(chē)生產(chǎn)大國的行列。我國汽車(chē)制造業(yè)在高速增長(cháng)的同時(shí)，對基礎制造技術(shù)上的認識深化和自主開(kāi)發(fā)的需要已越來(lái)越迫切。從一個(gè)“支柱產(chǎn)業(yè)”對基礎制造技術(shù)的強大牽動(dòng)作用及其對傳統制造方式的巨大挑戰，充分反映了發(fā)展制造業(yè)的極其重要性和技術(shù)創(chuàng )新的緊迫性。中國與發(fā)達國家的汽車(chē)工業(yè)還存在巨大的差距，汽車(chē)工業(yè)是世界性的產(chǎn)業(yè)，面對國際競爭的全球化、國內競爭的國際化的形勢，為使我國的汽車(chē)工業(yè)能快速跨越到全球經(jīng)濟的高度，在世界汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展中占有一席之地，唯有依靠包括焊接科學(xué)與技術(shù)在內的基礎制造技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng )新能力的提高，才能實(shí)現具有中國特色的汽車(chē)工業(yè)自主發(fā)展的目標。