張小云，張延松

(1.上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

轎車白車身車頂側(cè)圍連接方式研究

張小云1，張延松2

(1.上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

隨著對(duì)汽車安全性能要求的日益提高，車頂?shù)倪B接強(qiáng)度也越來越受到重視，尤其是當(dāng)汽車發(fā)生碰撞而顛覆時(shí)，車頂?shù)倪B接強(qiáng)度將直接影響車內(nèi)乘務(wù)人員生命安全。車頂和側(cè)圍的連接也一直是白車身制造中的關(guān)鍵連接技術(shù)之一，著重介紹幾種現(xiàn)有的車頂與側(cè)圍連接方式，如電阻點(diǎn)焊、激光焊接、激光釬焊、等離子釬焊、復(fù)合連接等，分別介紹它們成本、工藝、技術(shù)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后白車身車頂與側(cè)圍的連接設(shè)計(jì)提供參考。

激光焊；激光釬焊；等離子釬焊；復(fù)合連接

0 前言

圖1 車頂碰撞后形變Fig.1 Roof deformation after crashing

隨著對(duì)汽車安全性能要求的日益提高，國際上對(duì)車頂?shù)倪B接強(qiáng)度也有了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這關(guān)系到汽車碰撞翻滾時(shí)車內(nèi)乘務(wù)人員的安全[1]。例如，美國聯(lián)邦政府目前對(duì)車頂抗擊標(biāo)準(zhǔn)是車身質(zhì)量1.5倍，并建議增至車身質(zhì)量2.5倍；2009年3月，美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS(Insurance Institute for Highway Safety)率先公布了其根據(jù)自己設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)：將能抗擊車輛質(zhì)量4倍沖擊力作為良好車型的標(biāo)準(zhǔn)。圖1為車頂強(qiáng)度過低時(shí)，碰撞后的變形情況，顯然這將嚴(yán)重危及車內(nèi)人員安全。

為了達(dá)到合格的車頂連接強(qiáng)度，對(duì)車頂與側(cè)圍的連接工藝提出了更高的要求。除了傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊方式外，還產(chǎn)生了很多不同的連接形式[2]，如激光焊、激光釬焊、等離子釬焊、點(diǎn)膠復(fù)合焊接等。在此著重介紹這些連接方式的特點(diǎn)，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，為車頂與側(cè)圍的連接設(shè)計(jì)提供參考。

1 各種連接方式對(duì)比

1.1 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是車身裝配中最主要的連接方式，具有成本低、效率高等特點(diǎn)，在白車身總成及分總成上應(yīng)用廣泛，其優(yōu)勢(shì)不言而喻[3]。

但是采用電阻點(diǎn)焊連接車頂側(cè)圍時(shí)也存在一些缺點(diǎn)。首先，受電阻點(diǎn)焊電極帽尺寸的限制，在設(shè)計(jì)點(diǎn)焊接頭時(shí)必須留有足夠的搭接和凹槽寬度，典型的車頂側(cè)圍電阻點(diǎn)焊接頭截面尺寸如圖2所示，凹槽寬度達(dá)到了23 mm，增加了白車身質(zhì)量，對(duì)于節(jié)能減排也有負(fù)面影響。

圖2 車頂側(cè)圍電阻點(diǎn)焊接頭設(shè)計(jì)Fig.2 Resistance spot welding for roof to body-side design

其次，受焊點(diǎn)有效性的限制(30～50 mm／點(diǎn))，為保證車頂側(cè)圍有足夠的連接強(qiáng)度，需要增加焊點(diǎn)的數(shù)目。例如，車頂長度以1500mm計(jì)算，需要大約30～ 50個(gè)焊點(diǎn)，采用兩把焊槍操作，每個(gè)焊點(diǎn)耗時(shí)3 s，大約需耗時(shí)60 s，影響了生產(chǎn)節(jié)拍。

再次，由于電阻點(diǎn)焊不具備密封性，需在焊接區(qū)域噴涂大量PVC，總裝時(shí)還需加裝20～30 mm的黑色飾條來覆蓋凹槽，影響了車身美觀。

1.2 激光焊接

隨著激光技術(shù)的成熟、設(shè)備成本下降、可靠性和生產(chǎn)效率的提高，激光焊接在車身制造中應(yīng)用越來越廣泛，尤其是對(duì)于車頂側(cè)圍的焊接，激光焊被認(rèn)為是最有效的手段[4]。自1996年德國大眾首先應(yīng)用激光焊接車頂與側(cè)圍外板后，國內(nèi)外很多汽車公司都開始大規(guī)模的應(yīng)用激光來焊接，并且取得了不錯(cuò)的效果，如一汽大眾邁騰、上海大眾帕薩特、上海通用別克新君威等均使用激光焊接車頂和側(cè)圍。目前最新的高效激光器有Trumph公司新型固體激光Disc laser，IPG公司光纖激光器Fiber laser等，其電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%以上，而傳統(tǒng)的CO2氣體激光、Nd∶YAG泵浦激光由于電光轉(zhuǎn)換效率低、設(shè)備維護(hù)成本高而逐漸淘汰。

與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊接頭相比，采用激光焊接可大幅降低車頂接頭凹槽寬度(通常為13 mm)，從而降低車重。在設(shè)計(jì)連接方式時(shí)，可采用重疊方式(overlap joint)和搭接方式(fillet joint)，如圖3所示。

圖3 車頂側(cè)圍激光焊接頭設(shè)計(jì)Fig.3 Roof to body-side design for laser welding

圖3a為重疊方式的接頭，圖3b為搭接方式的接頭。可以看出，兩者所焊接的位置有所差別。重疊方式對(duì)激光焦點(diǎn)的定位要求較低，只需聚焦在板材重疊范圍內(nèi)即可，故不需要專門的焊縫跟蹤系統(tǒng)；但缺點(diǎn)是當(dāng)焊接鍍鋅板時(shí)，被激光氣化的鋅蒸汽無法溢出，會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔等缺陷。搭接方式對(duì)激光焦點(diǎn)的定位要求較高，需聚焦在搭接縫上，故需要專門的焊縫跟蹤系統(tǒng)，如Precitec公司的Seam Tracking System，增加了設(shè)備成本，但它可避免焊接鍍鋅板時(shí)的焊縫氣孔等缺陷問題，鋅蒸汽可從搭接頭邊緣縫隙中排出[5]。兩種不同方式下焊接鍍鋅板的質(zhì)量對(duì)比如圖4所示(4.4kW，0.8mm厚熱鍍鋅板)。

激光焊優(yōu)勢(shì)明顯[6]：焊接速度快(以6000 mm／min速度焊接1 500 mm長焊縫只需15 s)、焊縫質(zhì)量好、連接強(qiáng)度高(激光焊縫強(qiáng)度是常規(guī)電阻點(diǎn)焊的1.5倍)、密封性好。但缺點(diǎn)是設(shè)備投資成本較高，如兩臺(tái)4.4 kW ND∶YAG泵浦激光器加上附屬焊接系統(tǒng)的成本大約250萬美金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電阻點(diǎn)焊設(shè)備；此外，在總裝時(shí)仍需增加10 mm寬的飾條，但較之普通電阻點(diǎn)焊已經(jīng)有很大的改觀。

圖4 不同搭接方式鍍鋅板激光焊接質(zhì)量對(duì)比Fig.4 Quality comparison between different joint modes for laser welding galvanized sheet

1.3 激光釬焊

為克服激光焊接焊后復(fù)雜的處理工藝、降低激光器功率以縮減成本，另一種新型的焊接技術(shù)——激光釬焊應(yīng)運(yùn)而生。激光釬焊由焊縫跟蹤系統(tǒng)、激光源、送絲機(jī)構(gòu)等組成。激光釬焊示意如圖5所示，可見其與傳統(tǒng)的MIG釬焊相似，所不同的是它采用激光產(chǎn)生熱量來熔化釬料[7]。

圖5 激光釬焊示意Fig.5 Sketch for laser brazing

通常采用的激光釬焊釬料是CuSi3，熔點(diǎn)950℃，遠(yuǎn)低于鋼的熔點(diǎn)(約1 500℃)，故激光釬焊所需的激光器功率較低(約為激光焊接的一半)，可大大節(jié)省昂貴激光器的投資成本。而CuSi3浸潤后強(qiáng)度可達(dá)350 MPa，高于普通低碳鋼，激光釬焊強(qiáng)度較高。激光釬焊時(shí)，由于釬料填入車頂與側(cè)圍的接合處，無需在焊后涂膠和添加飾條，能夠節(jié)省大量工藝成本，如圖6所示。目前激光釬焊已在歐寶Tailgate、奧迪A4、大眾Polo等車型上廣泛應(yīng)用。

激光釬焊的缺點(diǎn)是該工藝對(duì)夾具定位的要求較高，每種車型均需要專門的夾具來夾持車頂側(cè)圍，如圖6所示，以保證焊縫精度，獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。因此，激光釬焊夾具的柔性較差。

圖6 激光釬焊接頭和夾具Fig.6 Laser brazing joint and its fixture

1.4 等離子釬焊

考慮到激光釬焊時(shí)激光器的投資成本仍然很高，為此人們又開始尋找其替代品。電弧被認(rèn)為是最廉價(jià)的釬焊熱源，但常規(guī)的電弧熱輸入較高，容易產(chǎn)生焊接變形且難以修復(fù)。相比傳統(tǒng)的弧焊，等離子電弧熱輸入較低、熱量集中，且設(shè)備的投資成本也很低(僅為激光的1／10)，因此等離子釬焊也逐漸開始被應(yīng)用到車頂側(cè)圍連接之中[8]。

由于等離子焊接時(shí)的弧吹等問題很難控制，釬焊質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，目前其應(yīng)用尚不多，僅在奧迪A5等少數(shù)車型上有應(yīng)用案例，如圖7所示，美國通用也在做相關(guān)的研究。一旦等離子釬焊的技術(shù)瓶頸被攻克，將會(huì)在車頂側(cè)圍焊接方面得到廣泛的應(yīng)用。

1.5 復(fù)合焊接

由于激光焊接的高成本問題、等離子釬焊的技術(shù)問題目前尚無法避免，人們又開始研究利用更有效的電阻點(diǎn)焊方式來連接車頂側(cè)圍。為了提高電阻點(diǎn)焊的生產(chǎn)效率，減少焊點(diǎn)數(shù)量，保證足夠的連接強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)膠開始應(yīng)用到車頂側(cè)圍連接之中。圖8為凱迪拉克賽威采用結(jié)構(gòu)膠、點(diǎn)焊相結(jié)合的方法來連接車頂和側(cè)圍。采用這種方法，長1.63 m的車頂僅使用8×2個(gè)焊點(diǎn)，節(jié)省了焊點(diǎn)數(shù)目，提高了連接效率。

但是采用這種方式也存在一定的缺點(diǎn)：一是增加一道涂膠工藝；二是點(diǎn)膠焊的工藝目前尚不穩(wěn)定，焊接規(guī)范也不成熟，且質(zhì)量檢測也存在一些困難。

圖7 等離子釬焊Fig.7 Plusma brazing

圖8 凱迪拉克車頂側(cè)圍復(fù)合連接方式Fig.8 Hybrid joining for Cadillac's roof to body-side

2 結(jié)論

對(duì)比分析以上五種連接方式的成本、工藝技術(shù)難度、生產(chǎn)效率、連接質(zhì)量，結(jié)果如表1所示。

綜上所述，車頂與側(cè)圍的連接是白車身制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。就目前而言，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊方式多用于低端車型，隨著對(duì)車頂連接強(qiáng)度要求的提高，電阻點(diǎn)焊會(huì)逐漸被其他方式所替代；激光焊和激光釬焊目前已成為應(yīng)用熱點(diǎn)，開始大規(guī)模的采用，但成本依舊是其進(jìn)一步推廣的最大障礙；等離子釬焊和復(fù)合焊在成本方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但由于技術(shù)還不是很成熟，還有待于進(jìn)一步的研究來克服，以獲得更廣泛的應(yīng)用。

表1 不同車頂側(cè)圍連接方式比較Tab.1 Comparison for different roof to body-side joining

[1]陳雄亮.車頂強(qiáng)度易被忽視的安全隱患[J].汽車與安全，2005(10)：52-54.

[2]張若冰.車頂焊接工藝的發(fā)展與激光焊的應(yīng)用[J].機(jī)器工人，2007(6)：48-51.

[3]熊曉華.車身點(diǎn)焊工藝研究[J].輕型汽車技術(shù)，2001(2)：12-15.

[4]姚 遠(yuǎn).激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2004(2)：19-21.

[5]魏 偉，姚 遠(yuǎn)，陳 明.車身鍍鋅鋼板激光搭接焊焊縫成形及焊接性能研究[J].汽車工藝與材料，2009(3)：14-17.

[6]Chen Xiufang，Wang Shuqin，Hu Jinlan.Investigation on coating structure of hot-dip galvanized steel sheet for cars[J].Journal of Northeastern University，1995，16(3)：336.

[7]李 帆.激光復(fù)合焊及激光釬焊在大眾VW Phaeton和奧迪A8中的應(yīng)用[J].金屬加工，2008(14)：31-34.

Research on joining methods for roof to body-side assembly

ZHANG Xiao-yun1，ZHANG Yan-song2
(1.Vehicle Manufacturing Engineering，Shanghai General Motors Ltd.，Shanghai 201201，China；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China)

As the increase of requirement for automobiles safety performance，strength of roof to body-side joint is becoming more and more important.It will affect human security especially when the automobile turn over after crash.This paper will generally introduce the present joining methods of roof to body-side including laser welding，laser brazing，plasma brazing，hybrid joining besides traditional resistance spot welding.The cost，process，technical advantage and disadvantage are related.

laser welding；laser brazing；plasma brazing；hybrid joining

TG457

B

1001-2303(2011)07-0050-04

2011-04-07；

2011-06-14

收稿日期：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50905111)；上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(0907)

張小云(1981—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，博士，主要從事車身制造的研究工作。