论文部分内容阅读
摘 要：通过介绍等离子焊接在一种CKD车型中的试验应用，描述了试验结果的不同表现，阐述了等离子焊接在车身焊接工艺应用中的可塑造性，描述了一种低成本高价值车身焊接工艺的可能性。等离子焊接工艺的应用需要在工艺参数方面进行不同的设定，调整对应的参数，找到重要参数的综合值，对得到期望的试验结果至关重要。焊接工艺的合理应用，可以使汽车公司在制造过程中在制造成本方面获得巨大优势，是在行业竞争中站稳脚跟的强力因素。
关键词：等离子焊接 低成本 试验方法
Low-cost Welding Test Method of Plasma Welding based on CKD Project Vehicle
Wang Junjie Qin Qingze Yu Dunli
Abstract：By introducing the test application of plasma welding in a CKD car model， the different performances of the test results are described， the moldability of plasma welding in the application of car body welding process is described， and a low-cost and high-value car body welding process is described. The application of plasma welding process requires different settings in process parameters， adjusting the corresponding parameters， and finding the integrated value of important parameters， which is very important to obtain the desired test results. The reasonable application of welding technology can give automobile companies a huge advantage in manufacturing costs during the manufacturing process， and is a powerful factor in gaining a firm foothold in industry competition.
Key words：plasma welding， low cost， test method
汽车行业快速发展，适者生存，汽车设计制造的低成本研究和执行始终是如何在激烈的竞争中站稳脚跟的关键性因素。中国汽车要突破当前舒适区，走出国门走向世界，基于成本及质量多方考虑的CKD方式是最常用的开发制造方式。车型CKD项目一般基于国内已开发量产或同步开发的车型，鉴于国内外不同市场的产销目标不同，本土开发和CKD开发有着不同的成本预算和质量目标。
而随着客户需求的不断提升，车身结构也越来越强，顶盖与侧围的匹配结构由以往的搭接逐渐发展至对接方式。此结构的焊接方式多种多样，常用以电阻点焊、TIG焊、激光钎焊。在常规生产中，电阻点焊/TIG焊/激光钎焊是最常用的焊接方式。其中电阻点焊因其明显的成本优势成为最常用的车身焊接工艺，但其受制于焊接空间的要求，不适应于不规则车身结构;TIG焊适用于所有金属尤其部分合金的焊接，但熔深浅熔敷速度小，效率低。而在当前汽车主机厂中，此位置处的焊接当以激光钎焊最为常用，激光钎焊适用于不规则结构的焊接，效率高，焊接质量优秀，但高昂的设备和维护成本，另加对车身超高的精度要求也局限着其在低成本车型开发中的应用。
不同于国内车型的高节拍需求，CKD车型具有低节拍的特点，为低成本满周期的的焊接工艺应用提供了更多的可能性。为实现质量、效率、成本的综合考虑，拟采用等离子焊接作为常用批量焊接工艺。等离子焊接，即等离子弧焊接，是将等离子弧作为热源并利用其温度高、能量大，穿透力强的特点进行特种焊接的的先进焊接技术，适用于多种金属及金属合金的焊接。本试验即为试验验证等离子焊接的低成本焊接工艺。
以下内容将详细介绍本次试验的样本方案、设备型号及参数设定、工艺过程具体内容。试验步骤拟通过冲压单件模拟匹配进行焊接并逐步过渡至白车身焊接。
1 试验样本方案
1.1 冲压件试样
本实验中车身结构中的侧围及顶盖的材料均在等离子焊接可使用范围内，行业内类似车型常用材料为，顶盖使用冷轧裸板材，厚度为0.7mm，侧围使用普通镀锌板材，厚度同样为0.7mm，本试验用料与行业内通用材料一致。
a.检查最新侧围和顶盖冲压件，进行全尺寸测量，记录并分析侧围与顶盖搭接位置的尺寸状态，挑选接近名义值状态的零件顶盖一套，左右侧围外板各一套，以消除尺寸偏差对搭接缝隙的影响造成的焊接不稳定性。
b.经数模测量，搭接区域长度为1500mm，均匀切割成5段并标记对应序号。
1.2 白车身样件
a.制定试验样车专项制造跟踪计划，跟踪焊接5台白车身，并进行CMM测量，比较分析三坐标分析报告，确定5台白车身上侧围与顶盖尺寸匹配状态稳定并合格，根据等离子焊接对焊缝偏差状态的要求，焊缝两侧的侧围及顶盖的三坐标测量数据需满足偏差±0.8mm，一致性1.0mm。
b.采用专门定位支基，将白車身固定在特定位置，模拟车身在生产线工装上的定位，保证车身基本定位精度，使其在焊接过程中不产生基准偏移。 2 试验设备的准备
2.1 机器人准备
a.根据白车身长宽高，确定使用的机器人型号FANUC-400L，如下。机器人行程需涵盖白车身左右及单边焊接范围
2.2 焊接设备准备
a.电源焊机-TIG电源TT3000
b.送丝机构-Fronius KD7000
c.焊枪- INOCON RE-PLT-002
d.焊缝追踪系统INOCON RE-MNV-001
2.3 焊接材料及其他
a.钎料：CuSi3，φ1.6mm
b.保护气：Ar（纯氩）
3 试验工艺过程
3.1 工艺参数设置
通过参考行业标准，以及经验输入，需要对试验过程涉及的多项参数进行精确设定。
a.送丝速度
b.机器人速度
c.焊接电流
d.气体流量
e.焊丝与钨极距离
3.2 工艺步骤
a.调整工艺参数，分别在试样单件上进行焊接
b.观察焊接结果，并固定工艺参数
c.使用上述固化的参数在白车身上进行阶段性试验，试验段长与单试片上一致
d.模拟批量生产时焊枪的焊接轨迹，并进行白车身整条焊缝焊接
e.观察焊接过程，评估焊接结果
4 焊接效果说明
提前确定不同工艺参数方案，但根据焊接结果表现实时调整下一步焊接工艺参数，并进行试验。观察并拍照记录不同工艺参数设置下的焊接效果，并进行质量、外观等方面优缺点上的准确描述和对比。
4.1 设定工艺参数，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2m/min
机器人速度：1.5m/min
焊接电流：100A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
小电流设置下，焊缝局部短小平滑焊缝，但存在焊丝未能完全融化的情况。
4.2 设定工艺参数，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2.4m/min
机器人速度：1.5m/min
焊接电流：130A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
增大电流，增大送丝速度设置下，焊缝较平整，焊丝融化，但表面存在一定发黑，打磨后表面质量符合预期。
4.3 设定工艺参数如下，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2.4m/min
机器人速度：1.25m/min
焊接电流：130A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
相比（2）中的工艺参数设置，降低机器人速度，可见焊丝完全融化，但发黑严重，且焊缝不平整，存在焊丝堆叠;更严重的是，部分焊缝存在被烧穿的迹象。
4.4 设定工艺参数同（3）保持参数设置不变，在白车身上进行持续长焊缝焊接，效果如下图
工艺参数未变，但焊缝因车身尺寸状态变化而变宽，导致焊缝焊接质量成型性极差，部分位置未起到焊合连接作用。
5 结果评估及总结
通过以上4种主要的参数的不同设置，观察并对比不同参数下的焊接表现，可以得出在固定参数及焊接轨迹下，等离子弧焊产生较少的烟尘，且焊缝质量介于TIG焊接和激光钎焊之间。重要的结论是，在工艺参数设置2的情况下，焊接结果表现最接近于期望结果，在进行必要的人工返修后可通过技术评估和质量判断，具有很大的潜力可满足CKD车型质量和成本综合考虑的等离子焊接工艺使用的基本工艺参数设定。在试验成本可加大投入的情况下，具有进一步改善焊接结果表现，进而达到要求的可能性。
6 试验优化总结
此项试验满足了低成本试验的基本目的，但是通过试验过程中的技术观察发现，由于场地等客观因素限制，试制单片及白车身样车无法到达完全模拟车身定位后的状态;且由于等离子焊接特性的弧吹问题成为当前技术上的瓶颈。但是总而言之，本次试验积累了等离子焊接在机器人速度、送丝速度及焊丝材料等方面的设置经验，且证明了其实现成本、效率及质量的综合考虑的可能性。
7 背景及展望
随着汽车行业的发展，以及国内汽车企业向海外市场的不断延伸与拓展， CKD方式将成为汽车生产的主流趋势。而车身结构的焊接结合方式将对一个车型的成本和质量控制起到决定性的作用，也是一个车型甚至企业生命力和生命周期的保证。而等离子焊接在质量和效率上比原始TIG焊接优秀，且成本比激光钎焊相对低廉。一旦突破其技术瓶颈，实现大规模常态生产，将会为行业带来翻天覆地的变化。
参考文献：
[1]张小云，张延松.轿车白车身车顶侧围连接方式研究[J].电焊机，2011，41（7）：50-53.
[2]雷玉成，郑惠锦.工艺参数对焊接等离子弧的影响[J].焊接学报，2001，22（6）：73-76.
[3]黃松.车身焊装夹具设计方法及优化[J].中国机械，2014，（20）：124-125.
关键词：等离子焊接 低成本 试验方法
Low-cost Welding Test Method of Plasma Welding based on CKD Project Vehicle
Wang Junjie Qin Qingze Yu Dunli
Abstract：By introducing the test application of plasma welding in a CKD car model， the different performances of the test results are described， the moldability of plasma welding in the application of car body welding process is described， and a low-cost and high-value car body welding process is described. The application of plasma welding process requires different settings in process parameters， adjusting the corresponding parameters， and finding the integrated value of important parameters， which is very important to obtain the desired test results. The reasonable application of welding technology can give automobile companies a huge advantage in manufacturing costs during the manufacturing process， and is a powerful factor in gaining a firm foothold in industry competition.
Key words：plasma welding， low cost， test method
汽车行业快速发展，适者生存，汽车设计制造的低成本研究和执行始终是如何在激烈的竞争中站稳脚跟的关键性因素。中国汽车要突破当前舒适区，走出国门走向世界，基于成本及质量多方考虑的CKD方式是最常用的开发制造方式。车型CKD项目一般基于国内已开发量产或同步开发的车型，鉴于国内外不同市场的产销目标不同，本土开发和CKD开发有着不同的成本预算和质量目标。
而随着客户需求的不断提升，车身结构也越来越强，顶盖与侧围的匹配结构由以往的搭接逐渐发展至对接方式。此结构的焊接方式多种多样，常用以电阻点焊、TIG焊、激光钎焊。在常规生产中，电阻点焊/TIG焊/激光钎焊是最常用的焊接方式。其中电阻点焊因其明显的成本优势成为最常用的车身焊接工艺，但其受制于焊接空间的要求，不适应于不规则车身结构;TIG焊适用于所有金属尤其部分合金的焊接，但熔深浅熔敷速度小，效率低。而在当前汽车主机厂中，此位置处的焊接当以激光钎焊最为常用，激光钎焊适用于不规则结构的焊接，效率高，焊接质量优秀，但高昂的设备和维护成本，另加对车身超高的精度要求也局限着其在低成本车型开发中的应用。
不同于国内车型的高节拍需求，CKD车型具有低节拍的特点，为低成本满周期的的焊接工艺应用提供了更多的可能性。为实现质量、效率、成本的综合考虑，拟采用等离子焊接作为常用批量焊接工艺。等离子焊接，即等离子弧焊接，是将等离子弧作为热源并利用其温度高、能量大，穿透力强的特点进行特种焊接的的先进焊接技术，适用于多种金属及金属合金的焊接。本试验即为试验验证等离子焊接的低成本焊接工艺。
以下内容将详细介绍本次试验的样本方案、设备型号及参数设定、工艺过程具体内容。试验步骤拟通过冲压单件模拟匹配进行焊接并逐步过渡至白车身焊接。
1 试验样本方案
1.1 冲压件试样
本实验中车身结构中的侧围及顶盖的材料均在等离子焊接可使用范围内，行业内类似车型常用材料为，顶盖使用冷轧裸板材，厚度为0.7mm，侧围使用普通镀锌板材，厚度同样为0.7mm，本试验用料与行业内通用材料一致。
a.检查最新侧围和顶盖冲压件，进行全尺寸测量，记录并分析侧围与顶盖搭接位置的尺寸状态，挑选接近名义值状态的零件顶盖一套，左右侧围外板各一套，以消除尺寸偏差对搭接缝隙的影响造成的焊接不稳定性。
b.经数模测量，搭接区域长度为1500mm，均匀切割成5段并标记对应序号。
1.2 白车身样件
a.制定试验样车专项制造跟踪计划，跟踪焊接5台白车身，并进行CMM测量，比较分析三坐标分析报告，确定5台白车身上侧围与顶盖尺寸匹配状态稳定并合格，根据等离子焊接对焊缝偏差状态的要求，焊缝两侧的侧围及顶盖的三坐标测量数据需满足偏差±0.8mm，一致性1.0mm。
b.采用专门定位支基，将白車身固定在特定位置，模拟车身在生产线工装上的定位，保证车身基本定位精度，使其在焊接过程中不产生基准偏移。 2 试验设备的准备
2.1 机器人准备
a.根据白车身长宽高，确定使用的机器人型号FANUC-400L，如下。机器人行程需涵盖白车身左右及单边焊接范围
2.2 焊接设备准备
a.电源焊机-TIG电源TT3000
b.送丝机构-Fronius KD7000
c.焊枪- INOCON RE-PLT-002
d.焊缝追踪系统INOCON RE-MNV-001
2.3 焊接材料及其他
a.钎料：CuSi3，φ1.6mm
b.保护气：Ar（纯氩）
3 试验工艺过程
3.1 工艺参数设置
通过参考行业标准，以及经验输入，需要对试验过程涉及的多项参数进行精确设定。
a.送丝速度
b.机器人速度
c.焊接电流
d.气体流量
e.焊丝与钨极距离
3.2 工艺步骤
a.调整工艺参数，分别在试样单件上进行焊接
b.观察焊接结果，并固定工艺参数
c.使用上述固化的参数在白车身上进行阶段性试验，试验段长与单试片上一致
d.模拟批量生产时焊枪的焊接轨迹，并进行白车身整条焊缝焊接
e.观察焊接过程，评估焊接结果
4 焊接效果说明
提前确定不同工艺参数方案，但根据焊接结果表现实时调整下一步焊接工艺参数，并进行试验。观察并拍照记录不同工艺参数设置下的焊接效果，并进行质量、外观等方面优缺点上的准确描述和对比。
4.1 设定工艺参数，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2m/min
机器人速度：1.5m/min
焊接电流：100A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
小电流设置下，焊缝局部短小平滑焊缝，但存在焊丝未能完全融化的情况。
4.2 设定工艺参数，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2.4m/min
机器人速度：1.5m/min
焊接电流：130A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
增大电流，增大送丝速度设置下，焊缝较平整，焊丝融化，但表面存在一定发黑，打磨后表面质量符合预期。
4.3 设定工艺参数如下，观察并记录焊接试验结果见图
送丝速度：2.4m/min
机器人速度：1.25m/min
焊接电流：130A
气体流量：12L/min
焊丝与钨极距离：1.5mm
相比（2）中的工艺参数设置，降低机器人速度，可见焊丝完全融化，但发黑严重，且焊缝不平整，存在焊丝堆叠;更严重的是，部分焊缝存在被烧穿的迹象。
4.4 设定工艺参数同（3）保持参数设置不变，在白车身上进行持续长焊缝焊接，效果如下图
工艺参数未变，但焊缝因车身尺寸状态变化而变宽，导致焊缝焊接质量成型性极差，部分位置未起到焊合连接作用。
5 结果评估及总结
通过以上4种主要的参数的不同设置，观察并对比不同参数下的焊接表现，可以得出在固定参数及焊接轨迹下，等离子弧焊产生较少的烟尘，且焊缝质量介于TIG焊接和激光钎焊之间。重要的结论是，在工艺参数设置2的情况下，焊接结果表现最接近于期望结果，在进行必要的人工返修后可通过技术评估和质量判断，具有很大的潜力可满足CKD车型质量和成本综合考虑的等离子焊接工艺使用的基本工艺参数设定。在试验成本可加大投入的情况下，具有进一步改善焊接结果表现，进而达到要求的可能性。
6 试验优化总结
此项试验满足了低成本试验的基本目的，但是通过试验过程中的技术观察发现，由于场地等客观因素限制，试制单片及白车身样车无法到达完全模拟车身定位后的状态;且由于等离子焊接特性的弧吹问题成为当前技术上的瓶颈。但是总而言之，本次试验积累了等离子焊接在机器人速度、送丝速度及焊丝材料等方面的设置经验，且证明了其实现成本、效率及质量的综合考虑的可能性。
7 背景及展望
随着汽车行业的发展，以及国内汽车企业向海外市场的不断延伸与拓展， CKD方式将成为汽车生产的主流趋势。而车身结构的焊接结合方式将对一个车型的成本和质量控制起到决定性的作用，也是一个车型甚至企业生命力和生命周期的保证。而等离子焊接在质量和效率上比原始TIG焊接优秀，且成本比激光钎焊相对低廉。一旦突破其技术瓶颈，实现大规模常态生产，将会为行业带来翻天覆地的变化。
参考文献：
[1]张小云，张延松.轿车白车身车顶侧围连接方式研究[J].电焊机，2011，41（7）：50-53.
[2]雷玉成，郑惠锦.工艺参数对焊接等离子弧的影响[J].焊接学报，2001，22（6）：73-76.
[3]黃松.车身焊装夹具设计方法及优化[J].中国机械，2014，（20）：124-125.