材料連接技術(shù)10課件

1、材料連接技術(shù)材料連接技術(shù)Materials Welding and Joining Techniques 趙興科趙興科課程編號：302706第三章第三章 典型行業(yè)中的連接技術(shù)典型行業(yè)中的連接技術(shù)3-1 航天航空工業(yè)航天航空工業(yè)3-2 汽車工業(yè)汽車工業(yè)3-3 造船業(yè)造船業(yè)3.2 汽車工業(yè)中的連接技術(shù)汽車工業(yè)中的連接技術(shù)我國汽車工業(yè)概況我國汽車工業(yè)概況汽車制造中的連接技術(shù)汽車制造中的連接技術(shù)幾個發(fā)展方向幾個發(fā)展方向一、我國汽車工業(yè)概況一、我國汽車工業(yè)概況 在中國古代神話中，有黃帝造車之說，故黃帝又號稱軒轅氏。軒是古代一種有圍棚的車，轅是車的基本構(gòu)件。所以車輛應當是黃帝首先發(fā)明的。 春秋戰(zhàn)國時期，各

2、諸候國之間由于頻繁的戰(zhàn)爭，馬車便納入了戰(zhàn)爭的行列，對于當時來說，這便是代表一個國家強盛的極明顯標志。 19世紀末20世紀初，歐美一些主要資本主義國家都相繼完成了工業(yè)革命，隨著生產(chǎn)力大幅度地增長，要求用于交通運輸?shù)墓ぞ咭惨邢鄳陌l(fā)展。從德國人奔馳和戴姆勒于1886年制造的第一輛汽車開始，各國都爭相發(fā)展汽車，使汽車工業(yè)有了日新月異的變化。法國制成第一輛汽車的時間是1890年；美國是1893年；英國是1896年；日本是1907年；俄羅斯是1910年。 1 我國汽車工業(yè)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀中國的汽車工業(yè)誕生于1953年，毛澤東親筆題寫 “第一汽車制造廠奠基紀念” 。 1958年年5月月5日日 第一汽車制

3、造廠試制成功東風牌第一汽車制造廠試制成功東風牌CA71型轎車。型轎車。 1988年起年起, 汽車工業(yè)定位國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)汽車工業(yè)定位國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè),形成了上海桑塔納形成了上海桑塔納,一汽奧迪一汽奧迪,二汽神龍三大轎車生二汽神龍三大轎車生產(chǎn)基地。還有北京切諾基產(chǎn)基地。還有北京切諾基,天津夏利和廣州標致小轎天津夏利和廣州標致小轎車基地。車基地。 中國汽車工業(yè)從無到有、從小到大，從貨車時代到轎車時代，從“公車”到“私車”，其創(chuàng)建、成長的每一步都記載著中國的巨變，成為中國制造業(yè)發(fā)展與開拓的見證。通過合資或引進國外先進的產(chǎn)品技術(shù)和制造技術(shù)，我國的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。汽車工業(yè)已成為我國的支柱產(chǎn)

4、業(yè)之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要的地位。汽車工業(yè)是用高新技術(shù)牽動國民經(jīng)濟整體水平的典型產(chǎn)業(yè)?；A(chǔ)工業(yè)的水平與汽車制造技術(shù)具有密切的聯(lián)系。汽車重量的65以上是采用鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料并通過鑄造、鍛壓、焊接等加工方法完成的。焊接加工是汽車車體與零部件制造鏈中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與沖壓、涂裝和成車裝配等構(gòu)成了汽車制造的四大主要生產(chǎn)部門。汽車車體焊接裝配生產(chǎn)線國外汽車生產(chǎn)線的引進，大大加快了先進的焊接技術(shù)在汽車制造中的應用。汽車工業(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。汽車作為用途廣泛的消費品，具有種類多，產(chǎn)量高的特點，對汽車零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標準化以及汽車制造高質(zhì)量、高效率、低成本等提出綜合

5、要求。2 汽車制造業(yè)焊接的特點1) 接頭尺寸精確 為了保證產(chǎn)品的裝配精度和尺寸穩(wěn)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) 接頭性能好 不僅要滿足靜態(tài)和動態(tài)的力學性能指標，而且有苛刻的低周疲勞性能要求。 3)焊接質(zhì)量穩(wěn)定 以機器人為核心的自動化焊接生產(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。成就了汽車制造對焊接技術(shù)的特有要求：成就了汽車制造對焊接技術(shù)的特有要求：4) 焊接高效率。提出了高效化焊接方法與工藝的應用，同時也進一步提高了焊接接頭的質(zhì)量。 5) 產(chǎn)品零缺陷 提出了自動化焊接過程的監(jiān)測與信息化管理的要求。促進了以計算機、信息技術(shù)為平臺的焊接制造過程質(zhì)量控制

6、系統(tǒng)的應用。 6) 焊接工藝柔性與創(chuàng)新 新材料推廣應用、汽車構(gòu)造創(chuàng)新、汽車制造工藝改進，不斷推動汽車焊裝設(shè)備、工藝與工裝的發(fā)展與提高。汽車的發(fā)動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂等六大總成都離不開焊接技術(shù)的應用。覆蓋了從車身、車架、底盤到懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器、離合器、變速器直至車輪輪圈等部件的成形加工。涉及的焊接方法包括電阻焊、氣體保護焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等。3 焊接的應用范圍已經(jīng)滲透到汽車制造的各個環(huán)節(jié)。已經(jīng)滲透到汽車制造的各個環(huán)節(jié)。涉及的焊接方法包括電阻焊（點焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、螺柱焊等），電弧焊（手弧焊、氣體保護焊、高能束焊等）以及釬焊、摩擦焊等。其中，點焊、氣電

7、焊、釬焊自動化程度高，易操作的特點，在汽車生產(chǎn)中應用最多。在投資費用中點焊約占75%，其他焊接方法只占25%。1)點焊 主要用于車身總成、地板、車門、側(cè)圍、后圍、前橋和小零部件等。2)多點焊 用于車身底板、載貨車車廂、車門、發(fā)動機蓋和行李箱蓋等。3)凸焊及滾凸焊 用于車身零部件、減震器閥桿、制動蹄、螺釘、螺帽和小支架等。4)縫焊 用于車身頂蓋雨檐、減震器封頭、油箱、消聲器和機油盤等。5)對焊 用于鋼圈、排進氣閥桿、刀具等。1 電阻焊二、汽車制造中的焊接技術(shù)二、汽車制造中的焊接技術(shù) CO2保護焊用于車箱、后橋、車架、減震器閥桿、橫梁、后橋殼管、傳動軸、液壓缸和千斤頂?shù)取寤『赣糜跈C油盤、鋁合金零

8、部件的焊接和補焊。焊條電弧焊 用于厚板零部件如支架、備胎架、車架等。 埋弧焊 用于半橋套管、法蘭、天然氣汽車的壓力容器等。 2 電弧焊1)摩擦焊用于汽車閥桿、后橋、半軸、轉(zhuǎn)向桿和隨車工具等。 2)電子束焊用于齒輪、后橋等。3)激光焊割用于車身底板、齒輪等。3 特種焊1)氧乙炔焊主要 用于車身總成的補焊。2)釬焊主要用于散熱器、銅和鋼件、硬質(zhì)合金的焊接。4 其他方法1 電阻焊的節(jié)能及控制技術(shù)汽車生產(chǎn)中點焊約占汽車生產(chǎn)中點焊約占75%，其他焊接方法只占，其他焊接方法只占25%。1) 新型電阻焊機 目前電阻焊機大量使用交流50Hz的單相交流電源，容量大、功率因數(shù)低；發(fā)展三相低頻電阻焊機、三相次級整流

9、接觸焊機與逆變電阻焊機。 在用普通工頻焊機焊接難度加大甚至焊接質(zhì)量無法保證的場合，如焊接鋁合金、鈦合金、鎂合金等導熱性好的金屬，異種金屬材料焊接，高強度鋼板焊接，鍍鋅鋼板焊接，多層板、厚鋼板焊接，逆變式電阻焊機獨具優(yōu)勢。 三、幾個發(fā)展方向三、幾個發(fā)展方向 2) 電阻焊的智能化控制 將智能控制器(可編程控制器) 用于電阻焊工藝過程控制，提高焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率?？煽康乜刂齐娮韬笝C接通、關(guān)斷電源；焊接電流精確可調(diào)；焊接時間精確可調(diào)且無誤差；能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程各部分簡單或復雜的循環(huán)；能夠存儲多套焊接規(guī)范；能夠產(chǎn)生多種焊接電流波形；具有多次通電功能（多脈沖焊接）；具有對電極壓力進行閉環(huán)控制功能； 具有盡

10、可能多的故障自診斷和報警、顯示功能；能夠?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量監(jiān)控?，F(xiàn)代阻焊控制器應具有下列功能：2 新型車體材料的連接車身新材料的推廣應用不斷推動汽車車身焊裝工藝的發(fā)展與提高。為提高轎車的防銹蝕性能，車身覆蓋鋼板大量使用鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板的點焊技術(shù)成熟，激光焊具有應用潛能。鋁合金可以減輕車身重量、節(jié)約能源消耗。對傳統(tǒng)的工頻電阻焊設(shè)備和工藝提出挑戰(zhàn)。復合材料采用急需連接工藝的 “復合”，汽車車身組焊工藝已不單純?yōu)辄c焊，已有車型同時使用鉚接技術(shù)，以鉚接點代替點焊連接，生產(chǎn)過程無飛濺、無噪音，連接點質(zhì)量更加可靠，尤其對于異種材料連接效果好。在進行高強度鋼薄板、部分鋁合金板汽車覆蓋件組合連接時，使用膠接點焊結(jié)

11、合工藝接頭，具有比點焊接頭更高的強度。BMW系列車型的車身凸緣的連接加工中，采用膠接技術(shù)的已達到150m，占凸緣總長的80，而消耗粘結(jié)劑僅1.5kg；Benz CL車身結(jié)構(gòu)中，大量采用了纖維增強型熱固塑料、薄壁鋁合金壓鑄件結(jié)構(gòu)，采用膠接方法對該異種材料的連接接頭有71m。為了滿足復合材料和異種材料車體的連接，大量發(fā)展了各種機械連接或機械連接與粘結(jié)復合的連接方式，如咬接、實心或空心鉚接、折疊連接、自穿孔鉚接等，具有不受材料類型的限制、避免加熱引起的材料性能變化和變形等獨特的優(yōu)勢。拼焊板是將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板，以滿足零部件對材料性能的不同要求。1985年德國蒂森

12、鋼鐵公司與德國大眾汽車公司合作，在Audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。90年代歐洲、北美、日本各大汽車生產(chǎn)廠開始在車身制造中大規(guī)模使用激光拼焊板技術(shù)。近年來該項技術(shù)在全球新型鋼制車身設(shè)計和制造上獲得了日益廣泛的應用。奔馳、寶馬、通用等各大汽車生產(chǎn)廠相繼在車身中采用了激光拼焊板技術(shù)。3 激光拼焊板技術(shù)分離成形方法是利用不同的壓機分別成形單個零件，然后將各個零件焊接起來組成目標部件。這種方法材料選擇的靈活性高，但沖壓和加工成本、裝配成本以及形狀配合問題突出，并且由于點焊時材料的重迭額外增加了車身的重量。整體成形方法則是在一臺壓機上將一塊整體板同時成形而成為目標部件。從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的

13、觀點來看，每個車身零件具有不同的厚度和抗腐蝕性能要求，如果是單一板成形，必須對所有零部件的材料采用相同的等級、鍍層類型和材料厚度，導致對某些零件的選材裕度過大，從而增加了車身的重量，提高了成本，并且還會增大成形難度。這是整體成形方法與分離成形方法相比的一大缺點。 傳統(tǒng)上汽車車身零件有兩種成形方法，分離成形和整體成形。同時克服傳統(tǒng)分離成形方法和整體成形方法的缺點的生產(chǎn)形式拼焊板沖壓成形。 以車門內(nèi)板為例：為了保證功能的需要，車門內(nèi)板的主體必須有一定的柔性，而門板的前、后部需要有一定的強度。如果采用傳統(tǒng)的沖壓成形方法就需要另外設(shè)計加強板，而采用拼焊技術(shù)，可先將三塊不同厚度的鋼板拼焊成一塊整板，即可

14、沖壓成形。 激光焊接的高能密度、無填料、無搭接、深熔、速度快。焊接接頭的熱影響小，保留良好的材料成形性能；焊縫較狹窄且平整，消除成形過程的不利影響，避免了破壞工具、模具的危險；焊接生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化。 激光焊接憑著多項顯著的優(yōu)點，非常適合用于生產(chǎn)拼焊板。 零件數(shù)量的減少，以及隨之而來的生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝簡化，大大提高了生產(chǎn)效率，降低整車制造及裝配成本；由于產(chǎn)品的不同零件在成形前即通過激光連續(xù)焊接工藝焊接在一起，因而提高了產(chǎn)品的精度，大大降低了零部件的制造及裝配公差；通過部件的優(yōu)化減輕了重量，從而降低油耗，處于環(huán)保時代，這一點非常重要；由于不再需要加強板，也沒有搭接接縫，大大提高了裝

15、配件的抗腐蝕性能；通過消除搭接提高部件的耐腐蝕能力，大大減少了密封措施的使用；通過對材料厚度以及質(zhì)量的嚴格篩選，在材料強度和抗沖擊性方面給零部件帶來本質(zhì)的飛躍，同時改良了結(jié)構(gòu)，在撞擊過程中，可以控制更多的能量得到吸收，從而改良車身部件的抗擊沖撞能力，提高車身的被動安全性；實現(xiàn)對材料性能的最充分的利用，達到最合理的材料性能組合；材料厚度的可變性以及其可靠的質(zhì)量，保證了在對某些重要位置的強化改進可以順利進行；對產(chǎn)品的設(shè)計者而言增加了產(chǎn)品設(shè)計的靈活性。 目前，由拼焊板生產(chǎn)的汽車零部件主要有前后車門內(nèi)板、前后縱梁、側(cè)圍、底板、車門內(nèi)側(cè)的A、B、C立柱、輪罩、尾門內(nèi)板等。汽車制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品

16、質(zhì)量一致性的要求，使機器人生產(chǎn)方式在汽車焊接中獲得了大量應用。汽車制造和汽車零部件生產(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。1978年上海牌轎車底盤的焊接在國內(nèi)率先應用焊接機械手； 1984年一汽最早引進點焊機器人用于 “紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。90年代以后，焊接機器人的數(shù)量迅速增加，除點焊機器人外，還有MIG/MAG焊接機器人，應用范圍和應用量均大幅增加。 4 焊接機器人目前發(fā)達國家，日本、美國、德國等，汽車機器人焊接生產(chǎn)向柔性化和集成化方面發(fā)展。 新一代汽車正迅速地向節(jié)能、環(huán)保、更高的安全性和舒適性的目標發(fā)展。對汽車的設(shè)計、材料的選

17、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(xiàn)為輕金屬材料、復合材料等對汽車鋼制部件的替代；以液壓成形的管狀型材車體框架對傳統(tǒng)的無梁式鋼板結(jié)構(gòu)的替代。新技術(shù)的開發(fā)應用并對傳統(tǒng)技術(shù)的提升和替代，己成為近年來國際汽車行業(yè)技術(shù)進展的顯著特點。5 焊接結(jié)構(gòu) 液壓成形的管狀型材車體框架示意圖傳統(tǒng)的焊接技術(shù)正經(jīng)歷著由經(jīng)驗性工藝向材料加工科學的變革。隨著計算機與信息技術(shù)的工業(yè)應用，促進了傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)向“精量化”的先進制造方式轉(zhuǎn)變，并逐步與汽車制造加工鏈在產(chǎn)品生命全周期的有機集成。在當前汽車制造的焊接生產(chǎn)中，具體表現(xiàn)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

18、。 6 計算機與信息技術(shù)在汽車焊接中的應用基于虛擬現(xiàn)實建模的機器人焊接過程仿真技術(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程規(guī)劃、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及焊接夾具的設(shè)計等各個制造環(huán)節(jié)。對加快機器人焊接程序的編制、節(jié)約現(xiàn)場調(diào)試時間以及焊接過程位置信息的準確獲取具有重要應用價值。目前的仿真技術(shù)已有能力進行焊接工藝參數(shù)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。新型車型的車身材料將從鍍層鋼板、鋁合金、高分子聚合物、復合材料等進行選擇、優(yōu)化和組合，因此在設(shè)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、沖擊性能等進行綜合考慮，通過對接頭的仿真作出適用性評價。 基于過程參數(shù)的焊縫質(zhì)量實時監(jiān)測和缺陷檢出以及焊接生產(chǎn)過程及其產(chǎn)品質(zhì)量信息的在線反饋均在實施中。美國、德國汽車制造業(yè)的質(zhì)量管理體系中，都明確規(guī)定了對生產(chǎn)過程中的每個部件產(chǎn)品質(zhì)量的可記錄性和可追溯性。以計算機和信息技術(shù)為平臺的焊接生產(chǎn)過程信息系統(tǒng)為汽車焊接生產(chǎn)過程的質(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(jù)。 從50年代開始的中國汽車制造業(yè)，以手工焊和電阻點焊作為主要加工手段跨出了汽車制造