新材料与工艺手册

[多材料连接] 汽车车身铝合金焊接与连接技术

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发表于 2020-2-10 10:19:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车车身铝合金焊接与连接技术
上汽大众汽车有限公司/李勇 宋筠毅 程德富 章敏 周宇斌
本文结合上汽大众铝合金焊接与连接技术的应用情况,并结合国内外主要车企的应用情况,系统介绍了铝合金焊接与连接工艺
由于铝合金的诸多优点,目前世界主要车企在铝合金材料上不断加大使用量。例如,在全新一代奥迪A8中,铝合金的使用比例达到了58%。在国内,蔚来汽车ES8车身用铝高达96.4%,使得车身质量仅为335kg。
然而,铝合金与传统的钢材在晶体结构和物理属性上存在较大差异。例如,钢的熔点为1536℃,而铝合金仅为660℃,铝合金的热导率、电导率远远高于钢。这些都导致传统焊接工艺难以实现可靠连接。目前,汽车车身铝合金焊接与连接技术主要如下。

常见的速度控制算法主要有直线型加减速控制和S型加减速控制等,直线型加减速控制如图7所示,电动机启动时候,其速度沿一定的斜率直线上升,停止时,速度沿一定的斜率直线下降。S型加减速控制算法如图8所示,一般主要采用的是七段式控制方法[3] 。整个过程大致上可以分为加速阶段、匀速阶段、减速阶段。相比之下,S型加减速曲线在进入低速以及进入最大速度的两个过渡阶段速度曲线都比较平滑,有效地降低了电动机噪声,减少电动机抖动,提高了运动控制的精度[4-5]。
自冲铆接SPR
半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Rivet,SPR)通过将铆钉穿透上层的板材,铆钉腿部的中空结构在铆模的作用下,向下层板材料周围扩张并刺入底层板材,但是不会对下层板材进行冲裁,最后铆钉与上下层板材之间形成机械互锁结构,如图1所示。
     
图1 SPR连接工艺

其工艺过程主要包括:定位、预压、夹紧、冲刺、扩张及成型,如图2所示。
SPR技术优势主要有:
式中:γsr为系统对外散热损失比例,取0.5%;Qp为给水泵加入系统的能量,kJ/h;hBFP,in、hBFP,out分别为给水泵进、出口给水的焓,kJ/kg。
后台管理系统的核心模块包括工程车辆管理和设备状态管理,由于输电线路防外力破坏报警系统安装在大型机械设备上,需要将工程车辆与报警装置进行关联,并进行统一管理。工程车辆管理能够查看车辆的属性,包括车辆名称、车辆类型、车辆所属单位、车辆负责人和车辆安装的报警装置编号。设备状态管理能够查看报警装置的属性,包括报警装置的编号、所属单位、运行状态、报警状态、电量信息和位置信息等。工程车辆管理和设备状态管理的界面如图9所示。
1)SPR可以实现异种金属板材的连接,如铝和钢的连接。
2)当进行铝合金板材连接时,SPR的负载强度高于电阻点焊。
3)SPR属于冷连接技术,对板材表面要求较低。
4)铝合金板材的表面氧化层及油污都会加大铝点焊电极损耗,需要频繁修磨或更换电极,而自冲铆接只需定期添加铆钉即可,大大节省设备辅料时间。
5)SPR过程绿色环保,不产生焊渣、烟尘等有害物质。
SPR工艺缺点主要有:
1)SPR过程要求板材发生塑性变形,所以要求底层板材必须拥有12%以上的延伸率。
2)SPR铆钉需要穿透上层板材,因此有密封性要求的地方需做密封处理。
假定交易查询阶段记为P1,密钥协商阶段记为P2,原始交易检索时间为tgtx,交易解析时间为tdtx,协议执行的总时间为Total。我们通过bitcoin-cli查询测试链1 000次得到了交易的平均检索时间t=tgtx+tdtx为:real(21.212 s)、user(0.164 s)、sys(0.196 s),我们实际采用user时间。同时,我们通过运行miracl库10 000次得到了协议的平均执行时间,实验结果如表5、6所示。
3)SPR的铆钉属于消耗品,生产成本增加,例如在某车型中铆钉的单价成本为0.13~0.17元。
     
图2 SPR工艺过程

4)对材料的要求:厚板、硬度低、塑性好的板在下侧。两层板搭接时,底层板厚度占总板厚的1/2以上;三层板搭接时,底层板厚度占总板厚的1/3以上;避免出现相同厚度板材的搭接组合。
目前SPR是铝合金车身上应用最多的连接工艺,数量远远超过铝点焊。例如在Audi A8(D3)上使用数量达2400点,Audi TT上数量达1606点,在上汽大众某车型前轮罩的铸铝件和镀锌钢的连接使用SPR工艺,共81点。SPR技术的主要设备供应商包括:德国Böllhoff、英国Henrob、德国Tunkers以及德国TOX。

MWJ-2418智能门窗保温性能试验机基本结构由箱体和温度控制与数据采集系统2部分组成.箱体内部有冷箱和热箱,中间隔有试件框,如图1所示.
无铆钉铆接Clinchen
无铆钉铆接Clinchen的工艺过程是,通过一个凸模将被连接件挤压进凹模,在进一步的压力作用下,凸模这一侧的材料被挤压,使凹模内的材料向外流动。结果形成一个既无棱边又无毛刺的连接点。如图3所示。
3.3.2 有效驱虫。在环境气候、栽植方式等因素的作用下,花卉易受病虫害的侵染,采用常规防治措施通常难以取得满意效果。为有效驱虫,需遵照“预防为主、防治结合”的原则。明确各类病虫害高发时期与周期,有针对性的喷药防治,以规避大面积病虫害。结合不同植物病虫害发生季节与周期,实施相关防治方法,并及时清除、销毁病虫寄居体内的植物,以防进一步繁殖与传播。
     
图3 Clinchen工艺原理

Clinchen的优点是:工艺过程简单且成本低、能耗低、零件无热变形且无额外辅料。缺点是:静态强度和疲劳强度都较低,通常只应用于行李箱盖、发动机罩、翼子板等非承载部位。例如在上汽大众某车型前盖使用数量为28点,后盖使用数量为80点,翼子板使用数量为28点。
目前,Clinchen工艺的主要设备供应商有:德国TOX、德国Eckold和美国BTM。

摩擦塞铆焊 EJOWELD
摩擦塞铆焊EJOWELD是一种新型连接技术,利用“钉子”的高速旋转穿透上板板料(如铝合金),并利用钉子和下层板的旋转摩擦生热熔化下层板料(如22MnB5硼钢),并在压力的作用下,完成“钉子”(钢质)与下层板料的焊接,从而形成稳固结合。如图4所示。
     
图4 EJOWELD工艺原理

摩擦塞铆焊EJOWELD特别适用于铝合金和高强钢、超高强钢及热成型零件的连接。例如在Audi A8中,由于外覆盖为铝合金,A、B柱为热成型钢板,由于热成型钢的塑性较差,SPR技术不能使用。Audi A8将此工艺称为Friction Element Welding(简称FEW),共使用数量为238点。
摩擦塞铆焊EJOWELD的优点是:
1)是一种少有的可以直接连接铝合金(如6061)和高强钢(热成形硼钢22MnB5)的新工艺。
2)无需预开孔。
江西省报经国务院同意,建立了河湖长制表彰奖励制度。江苏省印发《江苏省河长制湖长制工作2018年度省级考核细则》,把河湖长制工作年度考核结果作为党政领导干部综合考核评价重要依据。浙江省《2017年度河长制长效机制考评细则》《2017年度“五水共治”(河长制)工作考核评价指标体系及评分细则》也把河长履职考核情况列为干部年度考核述职内容,作为领导干部综合考核评价的重要依据。湖北省将全面推行河湖长制纳入2018年度对市州党委政府目标责任制考核项目清单,考核结果与生态环境损害责任追究、干部选拔任用、“奖补资金”安排挂钩。
摩擦塞铆焊EJOWELD的缺点是:
1)双面可达,必须双面都能操作。
2)需要一个额外的连接元件。
3)在需要严格密封的位置(如海洋环境),在钉头处需要使用密封胶。

热融旋转攻丝铆接FDS
热融旋转攻丝铆接,又称流钻螺钉(Flow Drill Srew,FDS)技术,其原理是利用螺钉的高速旋转产生的热量熔化母材,增加压力打穿母材并在母材上制作螺纹,使两层或多层板料固定在一起。其工艺过程主要包括:材料加热、热熔穿透、锥孔成形、螺纹成形、螺钉拧入及螺钉紧固。如图5所示。
     
图5 FDS工艺过程

FDS连接的优势是:
1)可以连接不同材料。
2)单面连接工艺,特别适用于等管状封闭结构的连接。
FDS连接的缺点是:
1)由于下层板被穿透,下层板与FDS 螺钉之间的间隙容易使腐蚀介质进入,使得接头容易出现电化学腐蚀问题。
2)铆钉的使用增加整车的质量,同时,铆钉的存在不能影响后序的生产。
3)FDS螺钉的单价成本高,例如某车型使用的FDS单价成本为0.29元。
4)连接点处需要高的刚性支撑。
目前,FDS连接技术现已经在部分高端车型中得到运用。例如在Audi TT中使用数量达到229个,全新一代Audi A8中数量达到885个。
FDS连接技术主要设备供应商有:德国EJOT、德国WEBER、德国STÖGER、美国ARNOLD、美国Semblex 和美国ATF 。

铝电阻点焊
常见的铝合金点焊形式有:常规铝合金点焊、螺旋状电极铝合金点焊和电极带式铝点焊。
1.常规铝合金点焊
常规铝合金点焊(见图6)的主要焊钳供应商有加拿大Centerline、法国ARO等公司。铝点焊焊钳在焊钳结构、最大压力、电极帽尺寸上都与传统焊钳有些差异。
其原因是多方面的,一是因为铝合金的电阻远小于钢,需要4倍于钢的焊接能量;二是因为电极极易被污染,30个左右的点焊就需要修磨电极,生产的连续性受到影响;三是因为焊接一致性较差。
一般来说,普通铝电阻点焊需要高压力(如5000~7000N)、高电流(如32~45kA)、焊接周波少(2层板5周波,3层板10周波)且电极头会黏连氧化物,必须要提供适当的清洁与维护,相对与钢材焊接,冷却水流量需求至少增加2倍,电极端面一般建议在10~16mm。
     
图6 常规铝合金点焊

2.螺旋状电极铝合金点焊
螺旋状电极铝合金点焊(见图7)为GM专利技术,在凯迪拉克CT6等生产线有应用。这种电极头表面有特殊的环状纹路(Multi-Ring Domed Electrode),可在铝材表面产生不同的应力区,破碎氧化膜以得到可控制的接触电阻。在铝点焊生产时,还需配备相应的四刀片修磨器修出螺纹,修磨频次为普通碳钢点焊的5倍,约40~50点/次。
     
图7 螺旋状电极铝合金点焊

3.电极带式铝点焊
奥地利伏能士(Fronius)公司研发的电极带式铝点焊(Delta Spot),将传统点焊的电极帽改为电极带,增大焊接电阻,有效提升了焊接过程中的电阻热量,帮助铝合金板材的熔化及焊点的形成。如图8所示。
     
图8 电极带式铝点焊

焊接时电极压住电极带接触工件进行焊接,当一个焊点完成后,电极带自动转到下一个位置,以电极带保证工艺的稳定性。电极带的使用不仅可用来保护电极,还可以根据不同的材料选用不同电阻性能的电极带,以增加焊缝热量的输入,从而达到增加核心直径的目的。上、下电极选用不同的电极带,可以实现电极两端的热平衡,可应用于厚薄不均的多层板、钢和铝异种材料的连接等。
电极带式铝点焊的优势如下:
1)每个焊点均可达到100%的重复精度,每个焊点都使用全新的有效电极。
2)焊接表面无飞溅,尤其是在焊接铝板时,电极带的涂层能够优化与铝材的接触,避免了飞溅及由此造成的部件损坏。
3)不需要修模设备,不需要频繁更换修模电极或更换电极帽,生产的连续性可以保证。
4)节约能源,由电极带增加的电阻可以减少大约50%的电流需求。

冷金属过渡焊接CMT
2005年,奥地利伏能士公司(Fronius)推出了冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT),该技术在世界上首次实现了钢和铝的连接。它是通过焊丝回抽来帮助熔滴过渡,熔滴过渡时电流几乎为零。冷金属过渡焊接与传统焊接工艺比较,零件热变形小,不产生飞溅,焊缝的成形更美观,真正地实现了无飞溅焊接。
2013年,Fronius联合Audi 公司开发了CMT Braze+技术,它的核心在于设计了一个极其狭窄的圆锥形新式气体喷嘴,使得保护气体能够压缩电弧,获得更集中的电弧温度。目前该技术应用于Audi A7的侧围落水槽区域,该焊缝为客户可视区域。传统的连接方式为激光钎焊,但其使用成本较高,而采用CMT Braze+技术获得的焊缝质量可以媲美激光钎焊。

激光焊Laser Beam Welding
常用的激光焊接方法主要分为3类:
1)激光焊接,即单纯使用激光作为单一热源进行焊接的方法。目前,在汽车工艺中应用最多的是激光飞行焊接技术。
2)激光填丝焊接,这类焊接方法是在焊接过程中,通过自动送丝装置往金属熔池中添加焊丝,并利用激光束的热能使其熔化。
六十年岁月如歌,一甲子沧桑砥砺。在改革开放40周年,广西壮族自治区成立60周年之际,在举国上下深入学习贯彻习近平总书记在全国教育大会上的讲话精神和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神之际,我们十分欣喜地迎来学校 60周年华诞。60载风雨兼程,学校立足老少边穷地区不动摇,不断奏响自强不息的奋斗凯歌;60年开拓奋进,一代代右医人高举“大医精诚”的旗帜,不断续写发展壮大的历史新篇章。
3)激光复合焊接,即复合激光束和其他焊接热源,利用两种热源的优势来进行焊接的方法。
1.激光飞行焊接技术
激光飞行焊接技术(Laser Welding ‘On-the-fly’)或者称为远程激光焊接(Remote Laser Welding,RLW)、激光扫描焊接(Laser Scanner Welding,LSW),是在机器人的第六轴上安装一个可编辑聚焦光学头(PFO,常称“振镜”),仅通过镜片摆动反射,实现激光轨迹运动,而机器人手臂的移动则是辅助作用。如图9所示。
     
图9 激光飞行焊接技术

主要优点如下:
1)焊接速度快的同时与工件无接触,可以最大限度地消除每段焊接前不断重复定位造成的非生产性时间的浪费,使得激光束在线时间最大化,生产效率得到大幅度提高。据测算,效率比一般的激光焊接更高,一套系统可取代6~9套普通机器人点焊。
2)激光飞行焊实现了在线时间最大化,有效生产时间占整个工作时间的90%以上。
3)可达性好,焦距一般超过0.5m,可以加工原先激光头被干涉区域。
目前该技术已应用于Audi A8 的门框连接,采用通快公司(Trumpf)的Trudisk激光源和Scansonic公司的AlO3激光头,其接头形式有角接焊缝和搭接焊缝,
2.激光填丝焊
激光焊接过程中对接头装配、拼缝间隙要求很高。激光束照射在焊件上的光斑直径仅有几百微米,一般对于零件间隙最大为0.2mm。采用激光填丝焊(见图10)的优势之一是放宽了装配精度,并且由于填丝,焊缝微微突出,成形美观。除了拓宽焊缝加工和装配精度外,激光填丝焊接还可通过调节焊丝成分,可控制焊缝区组织性能,对裂纹等缺陷更容易控制。
在教学中,教师不需要灌输太多高深的理论知识,学生在以后的实际工作中不一定要死记硬背许多“条条本本”,但必须知道出现问题该怎么办。药学专业的学生在未来职业生涯中,必须清楚了解药学系统可能出现的问题及其解决办法。教师在教学中创设问题情境,加强问题设计,激发学生解决问题的内在动机,将问题作为学习的起点[6]。同时,向学生提供一些操作手册或工具书,供学生自己查找解决问题的办法。教师边讲解、边演示,找到问题关键所在,有的放矢进行指导,让学生自己对出现的问题进行排除和解决,教学效果很好。
     
图10 激光填丝焊

目前,激光填丝焊已开始用于铝合金外覆盖件可视区域的焊缝,例如在Audi A8、TT的车顶,Audi Q5、Q7、A6等车型的后盖。焊接过程中使用的焊丝为AlSi或AlMg焊丝,采用氦气作为保护气体。
遗传性因素和环境因素都对2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的发生和发展有着重要的影响,相关研究也发现2型糖尿病与炎症反应有着密切的联系。脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是一种在神经系统中有着重要作用的神经营养因子,除与血糖血脂等代谢等相关,许多文献报道了血清BDNF与全身性或局限性炎症反应的相关性。现对BDNF的抗糖尿病作用及其与炎症反应的相关性予以综述。
3.激光复合焊
MIG焊焊缝搭桥能力好,对接头装配要求低;激光焊热输入集中、熔深大、速度快,而激光复合焊则兼容两者优点。激光复合焊(LaserHybrid)主要指激光与MIG电弧复合焊接。激光和电弧相互作用、取长补短,激光复合焊技术并不是两种焊接方法依次作用,而是两种焊接方法同时作用于焊接区。如图11所示。
     
图11 激光复合焊

激光复合焊的优点如下:
1)降低对工件坡口加工装配和焊缝对中的精度要求,间隙的搭桥能力很强。
基于3.2节得到的SAD项目加权知识超网络模型,应用本文提出的稳定性研究方法对SAD项目CPIKN的稳定性进行测度与分析。
根据管道总体规划设计情况作出总体施工方案,对人员投入、设备投入、材料用量、施工质量管理、进度管理、资金管理、安全管理、计划管理、工程质评与验收、档案资料管理等方面作出全面的部署规划,并根据分段情况作出相应的施工子方案。对工程施工涉及的某个专项作出相应的专项方案,如土石方开挖堆放专项方案、爆破专项方案、施工用电专项方案、管道吊装专项方案、破公路专项施工方案、穿越输油管道专项施工方案、管道水压或气压试验专项方案等,在施工中严格按照批准的施工方案和专项方案执行,落到实处,确保施工质量、进度和安全。
2)高效率,焊接速度最快可达9m/min。相比于MIG焊,热输入低,减小零件变形。
有改革的魄力,有信念的支撑,有责任的驱使,这就是焕然一新的凤凰新华印务。敢作为、敢担当、敢创新,这也是新时代对凤凰新华印务最真实的期许。“凤凰新华印务人要做的就是胸怀责任、创新未来!”王忠春语气坚定地说道。
3)获得更大的熔深,从而用较小的激光功率就可以实现厚板的焊接。
4)显著增强反射率高的铝及铝合金材料对激光的吸收,因此能够明显改善这些材料的激光焊接性。
激光复合焊一般应用于高端豪华车型的铝合金零件中,以德国大众旗舰车型辉腾(Phaeton)的铝制车门为例,车门的焊缝总长4980mm,其中包括48条激光-MIG复合焊缝(总长3570mm)。激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在其侧顶梁上有各种规格和形式的接头采用MIG-激光复合焊工艺,焊缝共计4.5 m长。

结语
目前,能源、环境、安全等已经对汽车轻量化提出了迫切需求,而铝合金材料由于优良的性能,已经成为使用最广的轻量化材料。由于铝合金和传统钢材在物理属性等方面存在巨大差异,传统的点焊技术已不是最佳的连接工艺。目前,铝合金常见的连接方式主要包括:自冲铆接SPR、无铆钉铆接Clinchen、摩擦塞铆焊EJOWELD和热融旋转攻丝铆接FDS;主要的焊接工艺包括:铝电阻点焊、冷金属过渡焊接CMT和激光焊接。各种焊接与连接工艺都有一定的优势和局限性,需要综合考虑实际的应用场合、经济性等方面选择最佳的工艺。未来,随着轻量化材料、轻量化设计的不断发展,必将会有新的焊接与连接工艺的不断创新和发展。
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