摘要：介紹了車(chē)身制造常用的焊接技術(shù)如電阻焊、電弧焊、激光焊，以及焊接機器人技術(shù)，并分別對電阻焊、電弧焊、激光焊接技術(shù)的具體分類(lèi)、應用設備及發(fā)展前景進(jìn)行研究，對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(chē)身制造中的應用。

1 前言

目前國內汽車(chē)廠(chǎng)家采用的車(chē)身焊接技術(shù)主要是電阻焊、電弧焊、激光焊。在車(chē)身制造中應用最多的為電阻焊接技術(shù)，通過(guò)電阻點(diǎn)焊技術(shù)將數目眾多的薄板零件連接起來(lái)形成白車(chē)身總成。由于汽車(chē)車(chē)身結構復雜，在有些部位難以實(shí)現點(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，少數位置采用了電弧焊接技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在車(chē)身制造領(lǐng)域應用的時(shí)間比較短，但由于其優(yōu)點(diǎn)較多，目前已經(jīng)在國外汽車(chē)公司得到大量應用，國內有些主流汽車(chē)廠(chǎng)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)，使之形成金屬結合的焊接方法。電阻焊主要分為點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、對焊。在車(chē)身制造領(lǐng)域應用最多的電阻焊技術(shù)是點(diǎn)焊，其次是凸焊，在車(chē)身制造中沒(méi)有應用縫焊及對焊技術(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)現機械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在車(chē)身制造中應用最為廣泛；目前點(diǎn)焊工藝依然是國內外各大轎車(chē)廠(chǎng)家車(chē)身焊接方法中最重要的方法。通常一個(gè)轎車(chē)車(chē)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情況也可以獲得合格的焊點(diǎn)，但其對鋼板強度、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)疲勞強度有所下降，因此四層鋼板點(diǎn)焊需要謹慎使用。

圖1 點(diǎn)焊

電阻焊是電能轉化為熱能的焊接方法，計算公式如下。

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)的具體焊接參數值由鋼板厚度、鋼板強度、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(chē)身質(zhì)量的重要指標，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、零件結構、電極對中狀態(tài)、焊鉗冷卻狀態(tài)、電
極帽修磨狀態(tài)、夾具是否分流、程序轉換開(kāi)關(guān)是否失效、焊接參數值是否合理等，在出現焊接質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，應需從多方面進(jìn)行分析 [1] 。

2.2 點(diǎn)焊設備

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

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(cháng)的次級電纜相連接，能耗比較高，價(jià)格便宜，前些年在國內汽車(chē)廠(chǎng)家應用十分廣泛；由于不符合節能環(huán)保的要求，能耗高，次級電纜容易損壞，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)次級電纜損耗，價(jià)格稍高，但由于其節能、效率高、易于操作等特點(diǎn)，最近幾年已經(jīng)在國內主流汽車(chē)廠(chǎng)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)，根據鋼板零件裝配情況可以對焊接電流、焊接壓力、焊接時(shí)間、電流遞增臺階、電極修磨記數等參數值進(jìn)行設置；其中一體式焊鉗的控制器最多可以設置64套焊接參數程序，利用焊接參數程序轉換開(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，當設備出現故障時(shí)，控制器會(huì )出現故障代碼，極大地提高了設備維修效率。

圖2 手工焊鉗

機器人焊鉗也分為兩類(lèi)：氣動(dòng)機器人焊鉗和伺服電機機器人焊鉗。氣動(dòng)機器人焊鉗由氣缸、鉗體、阻鉗變壓器、具有補償功能的浮動(dòng)機構、上下電極組件及電極等部件組成。通過(guò)壓縮空氣驅動(dòng)氣缸進(jìn)而帶動(dòng)焊鉗上下電極夾緊至預先設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)逐步被伺服電機機器人焊鉗（圖3）所取代。伺服電機焊鉗與氣動(dòng)焊鉗主要區別在于伺服焊鉗焊接壓力采用的是伺服電機驅動(dòng)，用伺服電機代替氣動(dòng)焊鉗中的氣缸。伺服電機輸出的是旋轉運動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠轉化為焊鉗電極的上下運行。在伺服焊鉗機械結構中滾珠絲杠是最重要的機械元件，由絲杠、螺母、滾珠等零件組成，具有驅
動(dòng)力矩小、精度高、可實(shí)現低速進(jìn)給及高速進(jìn)給、剛性高、可逆性強等特點(diǎn)，保證了伺服焊鉗功能的實(shí)現。.

圖3 機器人焊鉗

2.3 凸焊技術(shù)

在車(chē)身制造領(lǐng)域中凸焊技術(shù)主要應用于焊接螺釘，螺母類(lèi)零件或小件；通常情況下，單個(gè)車(chē)身使用的螺釘或螺母件數量超過(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(zhù)凸點(diǎn)或凸環(huán)被壓潰而迅速下降，否則會(huì )因為壓力上升緩慢產(chǎn)生噴濺或炸電極，因此凸焊設備的電極隨動(dòng)性要好。在對螺釘或螺母類(lèi)零件進(jìn)行焊接時(shí)，焊接參數值通常采用大電流，焊接時(shí)間短，否則會(huì )容易導致螺紋變色，精度下降等問(wèn)題。在焊接直徑為8 mm的凸環(huán)螺釘時(shí)，焊接電流需達到30 000 A，凸焊設備功率要比常用點(diǎn)焊
設備功率大的多。

2.4 電阻焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢—中頻電阻焊

目前汽車(chē)車(chē)身的發(fā)展方向是“輕量、安全、節能”，為此鍍鋅鋼板、高強度鋼板、鋁合金、鎂合金
等新材料越來(lái)越廣泛地應用在車(chē)身制造中。傳統的工頻電阻焊技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足新材料的焊接要求。使用傳統的工頻電阻焊設備焊接鍍鋅鋼板和高強度鋼板，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)量穩定等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好滿(mǎn)足鍍鋅鋼板和高強度鋼板焊接的技術(shù)要求，正在逐步應用在車(chē)身制造中。

中頻電阻焊機工作原理，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工件進(jìn)行焊接。逆變器通常采用電流反饋脈寬調制（PWM）獲得穩定的恒電流輸出。中頻直流電阻焊機工作原理見(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。尤其運用于機器人點(diǎn)焊操作時(shí)，可減輕機器人的負荷，而使用工頻焊接控制器時(shí)則需要載荷能力更大的機器人。

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

根據現場(chǎng)經(jīng)驗可知，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(cháng)的優(yōu)點(diǎn)并沒(méi)有能夠體現出來(lái)。

3 電弧焊技術(shù)

電弧焊在車(chē)身制造應用時(shí)工件容易變形，尺寸不易控制，通常只有在難以實(shí)現點(diǎn)焊工藝的時(shí)候，才使用電弧焊技術(shù)來(lái)實(shí)現零件的連接。目前國內大多的汽車(chē)整車(chē)廠(chǎng)采用電弧焊工藝熔化極氣體保護焊，它包括 CO 2 氣體保護焊、MAG 焊、MIG焊。

除了熔化極氣體保護焊之外，還有一種特殊的電弧焊工藝，即電弧螺柱焊。

3.1 熔化極氣體保護焊

熔化極氣體保護焊是采用連續等速送進(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。根據不同的保護氣體和焊絲，熔化極氣體保護焊分為CO 2 氣體保護焊、MAG焊（保護氣體為氬氣加少量 CO 2 或 O 2 ），及 MIG 焊（保護氣體為氬氣或氦氣）。

由于CO 2 氣體保護焊具有焊接速度快，成本低及易與全位置焊接等特點(diǎn)，在大多數汽車(chē)廠(chǎng)家應用最廣泛，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 氣體保護焊相比，MAG焊電弧燃燒穩定，飛濺小，焊縫成型美觀(guān)，沖擊韌性好；同時(shí)還克服了純氬氣保護時(shí)的表面張力大，液體金屬粘稠等問(wèn)題。由于保護氣體成分主要是氬氣，MAG 焊的使用成本比 CO 2 氣體保護焊的使用成本要高。MAG焊和CO 2 氣體保護焊的焊絲通常采用 H08Mn2SiA，低碳鋼中填加了硅錳元素以補償電弧燃燒時(shí)引起的焊縫合金元素的燒損。轎車(chē)車(chē)身零件厚度通常在 0.67～3.0 mm 之間，對于厚度小于1.0 mm的工件來(lái)言，使用MAG焊容易引起工件燒穿現象；為了減少工件燒穿現象的發(fā)生，一些汽車(chē)廠(chǎng)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象。使用 MIG 焊接工件，成本比較高，且釬焊焊接接頭強度不如熔焊接頭。

對于熔化極氣體保護焊來(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(zhù)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來(lái)調節焊接過(guò)程中電流、電壓，動(dòng)態(tài)響應速度慢；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象。目前國內外電焊機廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出了各具特色，性能優(yōu)異的逆變弧焊機。

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。國內某汽車(chē)廠(chǎng)家的一個(gè)車(chē)身，螺柱使用量達到200個(gè)。螺柱焊主要有儲能式（電容放電）和拉弧式兩種方式。儲能式螺柱焊，焊接時(shí)間、焊接電流不可調，熔深很淺，在汽車(chē)行業(yè)的應用很少。目前汽車(chē)行業(yè)應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(chē)行業(yè)采用的這種螺柱焊接工藝也稱(chēng)為短周期螺柱焊。

螺柱焊設備焊接電源現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)展到伺服電機控制螺柱的運動(dòng)，精確控制螺柱的運動(dòng)行程，提高了螺柱焊接質(zhì)量?，F在螺柱焊接技術(shù)發(fā)展較快，自動(dòng)化程度高，廣泛采用了計算機技術(shù)、模糊系統、專(zhuān)家系統程序等智能控制系統技術(shù)。螺柱焊設備不僅能精確設置和記錄、儲存焊接參數，而且能對焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，具有故障自我診斷專(zhuān)家系統，并能自動(dòng)調節焊接參數，以保證焊接質(zhì)量；且1臺焊接主機可以最多帶5把焊槍工作，極大地提高了焊接主機的利用率 [3] 。

國內汽車(chē)行業(yè)的螺柱焊機主要依靠進(jìn)口，存在價(jià)格高、維修成本高的問(wèn)題。目前通過(guò)國內焊接技術(shù)人員的不斷攻關(guān)，深圳和天津已經(jīng)有焊機設備廠(chǎng)家研制出可用于汽車(chē)行業(yè)使用的螺柱焊接設備，螺柱焊接質(zhì)量可以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求；填補了國內螺柱焊設備制造領(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、熱影響區窄、焊接速度高、易實(shí)現自動(dòng)控制、無(wú)后續加工的優(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)越廣泛地應用在汽車(chē)、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設備等工業(yè)領(lǐng)域。

汽車(chē)制造領(lǐng)域是當前最大規模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車(chē)零部件生產(chǎn)到車(chē)身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車(chē)制造的重要焊接方法。激光焊接在汽車(chē)車(chē)身制造中的應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)根據車(chē)身不同部位的性能要求，選擇強度等級相同或不同，厚度不同的鋼板，通過(guò)激光裁剪和拼焊在一起，然后再沖壓成車(chē)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量、縮短設計及開(kāi)發(fā)周期、減少材料浪費；合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板，減少車(chē)身重量、降低制造成本、提高尺寸精度、提高車(chē)身結構剛度和安全性 [4] 。

蒂森克虜伯公司與大眾公司合作，最早把此項技術(shù)應用在奧迪100的地板拼焊上。到目前為止，世界上幾乎所有的著(zhù)名汽車(chē)制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車(chē)結構件如行李箱加強板、行李箱內板、減震器支座、后輪罩、側圍內板、前地板、前縱梁、保險杠、橫梁、輪罩、車(chē)門(mén)內板、中立柱等 [5] 。圖6所示為車(chē)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(chēng)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)金屬浸潤工件連接處，填充接頭間隙與工件結合，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(chē)頂蓋、行李箱蓋等車(chē)身的可視工件焊接中。很多主流汽車(chē)廠(chǎng)家在中高檔車(chē)型中都應用了此項技術(shù)，國內某車(chē)型激光釬焊應用見(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(cháng)度由 40 mm 減少到 5 mm 以?xún)?，減輕了車(chē)身質(zhì)量，可以節能降耗。

b.頂蓋單側的激光釬焊縫通常在1.5 m左右，是連續的金屬連接，提高了車(chē)身的連接強度，進(jìn)而增強了車(chē)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，減少了零件數量，降低了制造成本，提高了車(chē)身的美觀(guān)度。

e.由于是局部加熱，工件熱影響區小，提高了車(chē)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，焊縫外觀(guān)質(zhì)量良好。