汽车焊接工艺和质量控制(清华大学)

汽车焊接工艺和质量控制清华大学机械工程系副主任先进成形制造教育部重点实验室副主任清华大学焊接技术中心副主任朱志明教授内容目录先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊接方法分类金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的同种或异种金属物体产生原子或分子间结合而成为一体的连接方法。焊接不仅可以连接各种钢材，而且还可以连接铝、镁、钛、铜等有色金属及锆等特种金属及其合金，广泛应用于金属产品的加工制造中。焊接方法通常被划分为三大类：熔化焊、固相焊和钎焊。熔化焊以焊接过程中是否熔化和结晶为分类准则；固相焊以是否固相结合、是否加压为分类准则；而钎焊的分类则以钎料为划分的主要依据。随着现代工业生产的需要和科学技术的发展，焊接工艺技术也在不断进步，出现了许多新型焊接设备、先进焊接工艺和电弧控制技术。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊接的特点节省金属材料。与铆接相比，可节省金属材料15％～20％。减轻了金属结构的自重。可制造双金属结构，能连接同类和不同类型的金属材料。能化大为小，以小拼大。把较小的零件用逐步装配焊接的方法制造形状复杂的结构件。结构强度高，产品质量好。在多数情况下焊接接头都能达到甚至高于母材的强度，产品质量比铆接要好。焊缝处密封性能好。焊接后易产生焊接应力与变形，导致出现裂纹。原因：受热不均匀。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊条电弧焊熔焊（熔化焊）是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。熔焊在多数情况下同时还要向焊接部位加入熔化状态的填充金属，待冷却凝固后，两部分被焊金属即结合成不可分离的整体。【焊条电弧焊】是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。是生产中应用最多、最普遍的焊接方法。它是利用焊条与焊件之间产生的电弧热，熔化焊件与焊条而进行焊接的。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊接电弧焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。阴极区指电弧紧靠负电极的区域，是发射电子的地方，阴极区产生的热量占电弧总热量的36％左右，温度大约在2400K左右。阳极区指电弧紧靠正电极的区域，是接收电子的地方，产生的能量占到电弧总热量的43％左右，温度大约在2600K左右。弧柱区是阴极区和阳极区之间的区域。弧柱区产生的热量占电弧总热量的21％左右，但弧柱区中心温度最高，大约在6000-8000K的范围内。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊接电弧的极性及应用用直流弧焊电源焊接时，工件接正极，焊条接负极，称为正接。适于焊接厚件；工件接负极，焊条接正极，称为反接。反接适于焊接薄件。用交流弧焊电源焊接时，因阳极与阴极不断交替变化，故不存在正、反接问题。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心埋弧自动焊【埋弧焊】是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧自动焊是埋弧焊的一种自动化焊接方法。在焊接过程中电弧被焊剂覆盖，用机械装置自动控制送丝和电弧移动。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心埋弧焊的特点埋弧焊可以使用较大的电流，焊接速度可以很快，生产率较高；焊接时采用渣保护，没有飞溅，焊接质量好；劳动条件好。埋弧焊在焊接过程中不易观察；适应性差，只能焊平焊位置，通常焊接直缝和环缝，不能焊空间位置焊缝和不规则焊缝。设备结构较复杂，投资大，装配要求高，调整等准备工作量较大。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心氩气保护电弧焊是利用氩气作为电弧介质并保护焊接区的电弧焊。氩气是惰性气体，它可以保护电极和熔化金属不受空气的有害作用。在高温不和金属起化学反应，也不溶于金属，是一种较理想的保护气体。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心氩气保护电弧焊按所用电极不同，氩弧焊分为熔化极(焊丝)和不熔化极(钨极)两种，如图所示。熔化极氩弧焊以连续送进的焊丝作为电极，与埋弧自动焊相似；不熔化极氩弧焊焊接时，电极不熔化，只起导电和产生电弧作用。氩弧焊的特点是焊缝金属纯净，成形美观，焊缝致密；焊接变形小；焊接电弧稳定，飞溅少，表面无熔渣；明弧可见，便于操作；易于实现自动化。其缺点是设备和控制系统较复杂，氩气较贵，焊接成本较高。氩弧焊常用于不锈钢、耐热钢和非铁金属的焊接。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心CO２气体保护焊CO２气体保护焊是利用CO２作为保护气体的气体保护焊。它用焊丝作电极，靠焊丝与焊件之间产生的电弧热熔化焊件和焊丝，以自动或半自动方式进行焊接。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心CO２气体保护焊CO２气体保护焊的特点是焊接热量集中，焊件变形小，质量较高；焊丝送进自动化，电流密度大，焊速快，生产率高；二氧化碳气体比较便宜，焊接成本仅是埋弧自动焊的40%左右，成本低；操作简便，适用范围广。CO2气体保护焊缺点是飞溅较大，烟雾较多，弧光较强，很难用交流电源焊接，焊接设备比较复杂。CO２气体保护焊主要用于焊接低碳钢和强度等级不高的低合金结构钢。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻焊方法【压焊】是指在焊接过程中必须对工件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。加压可使两个焊件之间接触紧密，并在焊接部位产生一定的塑性变形，促使原子扩散而使二者焊接在一起。加热则进一步提高原子扩散能力，也使连接处晶粒细化。最常用的是电阻焊。【电阻焊】是将被焊金属工件压紧于两个电极之间，并通以电流，利用电流经过工件接触面及临近区域产生的电阻热，将局部加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种连接方法。【电阻焊】主要有点焊、缝焊、凸焊、对焊4种。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻点焊工艺电阻点焊是将工件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。电阻点焊时两工件接触面处电阻大，发出的热量使该处温度急速升高，将该处金属熔化形成熔核。断电后，继续保持或稍加大压力，使熔核在压力下凝固，形成组织致密的焊点。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻点焊的分流问题焊接第二个焊点时，部分电流会流经已焊好的焊点，产生分流现象。分流将使焊接处电流减小，以致加热不足，造成焊点强度显著下降，影响焊点质量。因此两焊点之间应有一定距离以减小分流。工件厚度越大，材料导电性能越好，工件表面存在氧化物或赃物时，都会使分流现象加重。提高焊点质量可以通过合理选取焊接电流、通电时间、电极压力和提高工件表面清理质量等方法实现。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻缝焊工艺缝焊是将工件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压工件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。缝焊时，相邻焊点互相部分重叠，密封性良好。但缝焊分流现象严重，焊接相同厚度的工件，其焊接电流为点焊的1.5～2倍。一般只适合于焊接3mm以下的薄板结构，如易拉罐、油箱、烟道焊接等。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心对接电阻焊对接电阻焊按焊接过程不同分为电阻对焊和闪光对焊。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻对焊工艺工件装配成对接接头，使其端面紧密接触，通电后利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法称为电阻对焊。电阻对焊操作简单，接头比较光滑，但焊前对工件端面加工和清理有较高的要求，否则端面加热不均匀，容易产生氧化物夹杂，质量不易保证。因此，电阻对焊一般仅用于端面简单、直径小于20mm和强度要求不高的工件。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心闪光对焊工艺工件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点（产生闪光），使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法称为闪光对焊。闪光对焊在焊接前对工件端面清理要求不严格，因为在焊接过程中，工件端面的氧化物及杂质一部分随闪光火花带出，一部分在加压时随液体金属挤出，使得接头中夹渣很少，质量较高。但金属损耗较多，工件需留出较大余量，焊后要清理毛刺。可以焊接相同的金属材料，也可以焊接异种金属材料。广泛用于刀具、管子、自行车圈，钢轨等的焊接。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心钎焊【钎焊】是指采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接工件的方法。与熔焊相比钎焊焊接变形小，焊件尺寸精确，可以连接异种材料。生产率高，易于实现自动化。钎焊根据钎料熔点的不同可分为硬钎焊和软钎焊两种。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心硬钎焊和软钎焊【硬钎焊】使用硬钎料进行的钎焊称硬钎焊，熔点高于450℃的钎料称为硬钎料。有铜基、铝基、银基、镍基钎料等，常用的为铜基。焊接时需要加钎剂，铜基钎料常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。硬钎焊的加热方式有氧—乙炔火焰加热、电阻加热、感应加热、炉内加热等。适合于工作温度较高，受力较大的工件。如刀具的焊接。【软钎焊】使用软钎料进行的钎焊称软钎焊，熔点低于450℃的钎料称为软钎料。有锡铅钎料、锡银钎料、铅基钎料、镉基钎料等，常用的是锡铅钎料（又称焊锡）。软钎焊常用的钎剂为松香、氯化锌溶液。钎焊时可用烙铁、炉子加热焊件。软钎料强度低，工作温度低，主要用于工作温度较低，受力较小的工件。如电子元件的焊接。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心气焊【气焊】是利用气体火焰作热源的焊接法，常用的是氧乙炔焊。乙炔与氧混合燃烧所形成的火焰为氧乙炔焰。按氧和乙炔混合(容积)比例不同火焰分三种。中性焰是氧气与乙炔混合比为1.1~1.2时燃烧所形成的火焰。最高温度可达3150℃，适合于焊接低中碳钢、低合金钢、紫铜、铝及其合金等。氧化焰是氧气与乙炔混合比大于1.2时燃烧所形成的火焰。最高温度可达3300℃，适合于焊接黄铜、镀锌铁皮等。碳化焰是氧气与乙炔混合比小于1.1时燃烧所形成的火焰，适合于焊接高碳钢、高速钢、铸铁及硬质合金等。气焊的特点是所使用的设备简单、搬运方便、通用性强；火焰温度低，加热缓慢，加热面积大，焊件变形大；接头晶粒较粗，焊缝易产生气孔、夹渣的缺陷，综合力学性能较差；难于实现机械化，生产率低。气焊通常只适用于焊接厚度小于5mm的薄板件、非铁金属及其合金和铸铁件的补焊，还可作为钎焊及钢件表面淬火的热源。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心焊接方法的选择先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心汽车焊接工艺焊接作为一种应用广泛的永久性连接方法，可用于制造金属结构、连接机械零件等，在机械、造船、化工、汽车、国防等行业起着极为重要的作用。汽车的发动机、变速器、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不开焊接技术的应用。在汽车及零部件的制造中，所应用的焊接方法包括电阻焊（点焊和多点焊、凸焊和滚凸焊、缝焊、对焊）、电弧焊（焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊、氩气或混合气体保护焊）、钎焊、氧乙炔气焊和摩擦焊、电子束焊、激光焊和超声波焊等。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电阻焊在汽车焊接结构中的应用点焊主要用于车身总成、底板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。多点焊多用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机盖和行李箱盖等。凸焊及滚凸焊用于车身零部件、减振器阀杆、螺钉、螺母和小支架等。缝焊用于车身顶盖雨檐、减振器封头、油箱、消声器和油底壳等。对焊用于钢圈、排进气阀杆、刀具等。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心电弧焊在汽车焊接结构中的应用CO2气体保护电弧焊可用于车厢、后桥、车架、减振器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、液压缸等的焊接。氩弧焊用于油底壳、铝合金零部件的焊接和补焊。焊条电弧焊用于厚板零部件，如支架、备胎架、车架等的焊接。埋弧焊用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等的焊接。氩气或混合气体（氩气+氧气或CO2）保护焊用于车身镀锌钢板的焊接。先进成形制造教育部重点实验室,焊接技术研究中心