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(gè)發(fā)展方向幾個(gè)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(yīng)當(dāng)是黃帝首先發(fā)明的。 春秋戰(zhàn)國時(shí)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(dāng)時(shí)來說，這便是代表一個(gè)國家強(qiáng)盛的極明顯標(biāo)志。 19世紀(jì)末20世紀(jì)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(yùn)輸?shù)墓ぞ咭惨邢鄳?yīng)的發(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(shí)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(jì)念” 。 1958年年5月月5日日 第一汽車制

3、造廠試制成功東風(fēng)牌第一汽車制造廠試制成功東風(fēng)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(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)汽車工業(yè)定位國民經(jīng)濟(jì)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(biāo)致小轎天津夏利和廣州標(biāo)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(shí)代到轎車時(shí)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(jìn)國外先進(jìn)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(jì)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(jì)整體水平的典型產(chǎn)業(yè)。基礎(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(gè)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(jìn)，大大加快了先進(jìn)的焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。汽車工業(yè)在焊接新技術(shù)的應(yīng)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(fèi)品，具有種類多，產(chǎn)量高的特點(diǎn)，對汽車零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(yīng)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(xué)性能指標(biāo)，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(jī)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(yīng)用，同時(shí)也進(jìn)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(jìn)了以計(jì)算機(jī)、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(yīng)用。 6) 焊接工藝柔性與創(chuàng)新 新材料推廣應(yīng)用、汽車構(gòu)造創(chuàng)新、汽車制造工藝改進(jìn)，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(jī)、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(yīng)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(hù)焊、螺柱焊、釬焊、摩擦焊、高能束焊等。3 焊接的應(yīng)用范圍已經(jīng)滲透到汽車制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。已經(jīng)滲透到汽車制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。涉及的焊接方法包括電阻焊（點(diǎn)焊、凸焊、縫焊、滾凸焊、螺柱焊等），電弧焊（手弧焊、氣體保護(hù)焊、高能束焊等）以及釬焊、摩擦焊等。其中，點(diǎn)焊、氣電

7、焊、釬焊自動化程度高，易操作的特點(diǎn)，在汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最多。在投資費(fèi)用中點(diǎn)焊約占75%，其他焊接方法只占25%。1)點(diǎn)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(diǎn)焊 用于車身底板、載貨車車廂、車門、發(fā)動機(jī)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(jī)油盤等。5)對焊 用于鋼圈、排進(jìn)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(hù)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)?。氬弧焊用于機(jī)油盤、鋁合金零

8、部件的焊接和補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)焊約占汽車生產(chǎn)中點(diǎn)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(jī) 目前電阻焊機(jī)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(jī)、三相次級整流

9、接觸焊機(jī)與逆變電阻焊機(jī)。 在用普通工頻焊機(jī)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(dǎo)熱性好的金屬，異種金屬材料焊接，高強(qiáng)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(jī)獨(dú)具優(yōu)勢。 三、幾個(gè)發(fā)展方向三、幾個(gè)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(jī)接通、關(guān)斷電源；焊接電流精確可調(diào)；焊接時(shí)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(fù)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(jìn)行閉環(huán)控制功能； 具有盡

10、可能多的故障自診斷和報(bào)警、顯示功能；能夠?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量監(jiān)控。現(xiàn)代阻焊控制器應(yīng)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(yīng)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(diǎn)焊技術(shù)成熟，激光焊具有應(yīng)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(fù)合材料采用急需連接工藝的 “復(fù)合”，汽車車身組焊工藝已不單純?yōu)辄c(diǎn)焊，已有車型同時(shí)使用鉚接技術(shù)，以鉚接點(diǎn)代替點(diǎn)焊連接，生產(chǎn)過程無飛濺、無噪音，連接點(diǎn)質(zhì)量更加可靠，尤其對于異種材料連接效果好。在進(jìn)行高強(qiáng)度鋼薄板、部分鋁合金板汽車覆蓋件組合連接時(shí)，使用膠接點(diǎn)焊結(jié)

11、合工藝接頭，具有比點(diǎn)焊接頭更高的強(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(fù)合材料和異種材料車體的連接，大量發(fā)展了各種機(jī)械連接或機(jī)械連接與粘結(jié)復(fù)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，具有不受材料類型的限制、避免加熱引起的材料性能變化和變形等獨(dú)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(xiàng)技術(shù)在全球新型鋼制車身設(shè)計(jì)和制造上獲得了日益廣泛的應(yīng)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(jī)分別成形單個(gè)零件，然后將各個(gè)零件焊接起來組成目標(biāo)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(diǎn)焊時(shí)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(jī)上將一塊整體板同時(shí)成形而成為目標(biāo)部件。從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

13、觀點(diǎn)來看，每個(gè)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(dǎo)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(diǎn)。 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(shí)克服傳統(tǒng)分離成形方法和整體成形方法的缺點(diǎn)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(qiáng)度。如果采用傳統(tǒng)的沖壓成形方法就需要另外設(shè)計(jì)加強(qiáng)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(xiǎn)；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(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)代，這一點(diǎn)非常重要；由于不再需要加強(qiáng)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(yán)格篩選，在材料強(qiáng)度和抗沖擊性方面給零部件帶來本質(zhì)的飛躍，同時(shí)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(shí)現(xiàn)對材料性能的最充分的利用，達(dá)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(qiáng)化改進(jìn)可以順利進(jìn)行；對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者而言增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)器人生產(chǎn)方式在汽車焊接中獲得了大量應(yīng)用。汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76，成為工業(yè)機(jī)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(yīng)用焊接機(jī)械手； 1984年一汽最早引進(jìn)點(diǎn)焊機(jī)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(jī)器人的數(shù)量迅速增加，除點(diǎn)焊機(jī)器人外，還有MIG/MAG焊接機(jī)器人，應(yīng)用范圍和應(yīng)用量均大幅增加。 4 焊接機(jī)器人目前發(fā)達(dá)國家，日本、美國、德國等，汽車機(jī)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(biāo)發(fā)展。對汽車的設(shè)計(jì)、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(biāo)，表現(xiàn)為輕金屬材料、復(fù)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(yīng)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(jìn)展的顯著特點(diǎn)。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(yàn)性工藝向材料加工科學(xué)的變革。隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)了傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)向“精量化”的先進(jìn)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(jī)集成。在當(dāng)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(biāo)的信息化制造的迫切需求

18、。 6 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)在汽車焊接中的應(yīng)用基于虛擬現(xiàn)實(shí)建模的機(jī)器人焊接過程仿真技術(shù)提供了關(guān)于工件、夾具和機(jī)器人焊槍姿態(tài)的三維信息，已大量地應(yīng)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(jì)等各個(gè)制造環(huán)節(jié)。對加快機(jī)器人焊接程序的編制、節(jié)約現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間以及焊接過程位置信息的準(zhǔn)確獲取具有重要應(yīng)用價(jià)值。目前的仿真技術(shù)已有能力進(jìn)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(yīng)力與變形作出預(yù)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(fù)合材料等進(jìn)行選擇、優(yōu)化和組合，因此在設(shè)計(jì)階段就需要對多種材料的連接方式及其應(yīng)達(dá)到的性能，尤其是疲勞性能、沖擊性能等進(jìn)行綜合考慮，通過對接頭的仿真作出適用性評價(jià)。 基于過程參數(shù)的焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)部件產(chǎn)品質(zhì)量的可記錄性和可追溯性。以計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(diǎn)焊作為主要加工手段跨出了汽車制造