全鋁合金白車身焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵工藝設(shè)備探討

宋亮

摘 要：本文介紹了全鋁合金車身焊接工藝類型及現(xiàn)狀，鋁合金焊接特性及其對(duì)工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的要求。重點(diǎn)探討適用鋁合金焊接工藝需求的關(guān)鍵工藝設(shè)備，如鋁合金MIG焊機(jī)、鋁焊接夾具、除塵除濕控溫系統(tǒng)、防爆除塵等系統(tǒng)的工作原理與應(yīng)用狀況。

關(guān)鍵詞：鋁合金焊接；白車身；焊接特性：關(guān)鍵工藝設(shè)備

全鋁合金車身是新能源汽車較為理想的車身形式，車身結(jié)構(gòu)參考傳統(tǒng)轎車和SUV，骨架采用鋁合金型材及板材通過(guò)焊接、鉚接制成，外覆蓋件采用復(fù)合材料。車身設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)合理布置，在滿足性能前提下，比同類型鋼板車身減重25%以上，是新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化、長(zhǎng)續(xù)航里程的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文通過(guò)對(duì)鋁合金焊接特性和工藝需求的分析，結(jié)合奇瑞新能源車型項(xiàng)目實(shí)踐，探討鋁合金焊接工藝設(shè)備選擇和應(yīng)用的基本思路。

1 全鋁合金車身焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵工藝設(shè)備需求

1.1 全鋁車身焊接生產(chǎn)線工藝概述

鋁車身焊接生產(chǎn)線布局與常規(guī)車型類似，工藝設(shè)備與傳統(tǒng)焊接線的差異，主要來(lái)源于工藝方法的不同。典型如某型鋁車身工藝中弧焊占72%、點(diǎn)焊占7%、鉚接占21%。鋁點(diǎn)焊對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)苛、質(zhì)量控制尚不成熟；鉚接只適用于平板和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)零件連接；在鋁車身制造工藝中居主導(dǎo)地位的是MIG弧焊，此外還有焊縫打磨、門裝配等工藝。

根據(jù)工藝成熟度現(xiàn)狀，本項(xiàng)目以鋁合金MIG焊為主、鉚接為輔，生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)和設(shè)備選型主要考慮鋁MIG焊的影響。

1.2 鋁合金焊接關(guān)鍵工藝設(shè)備選擇

（1）鋁MIG焊的焊接特性與鋼差異較大，該特性決定了工藝需求和設(shè)備選型。主要焊接特性：焊接熱輸入量高，鋁合金熔化溫度5600C -6200C，導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱速度是鋼的3倍；熔融鋁合金在凝固結(jié)晶時(shí)體積減少6%，焊接熱裂紋傾向大；鋁合金線膨脹系數(shù)是鋼的6倍，焊后變形和高殘余應(yīng)力；氫氣孔傾向：濕度越大氣孔越嚴(yán)重；鋁臨界氫分壓低；鋁合金凝固時(shí)氫溶解度突降20倍；冷卻速度是鋼的4-7倍；鋁粉塵燃爆限值為37-50mg/m3，與空氣混合成易燃爆氣體。

（2）焊接特性轉(zhuǎn)化為工藝需求，即：高線能量輸入并能減少焊縫裂紋；零件具有合理的外部拘束；焊接環(huán)境要低濕、凈化；安全性能上要求能夠抑制鋁粉塵濃度聚集。

（3）根據(jù)工藝需求，在奇瑞新能源一期項(xiàng)目設(shè)備選型上，體現(xiàn)在先進(jìn)的鋁合金焊機(jī)/機(jī)器人、鋁焊夾具、除塵除濕控溫系統(tǒng)和打磨除塵系統(tǒng)。

2 全鋁合金焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵工藝裝備應(yīng)用

2.1 鋁合金MIG焊機(jī)/機(jī)器人

本項(xiàng)目焊機(jī)/機(jī)器人選用較為先進(jìn)的品牌（如福尼斯、林肯、伊薩、法拉克、松下等），焊機(jī)及機(jī)器人均為MIG數(shù)字控制脈沖型焊機(jī)，主要性能特點(diǎn)：

（1）為減少焊縫熱裂紋傾向，獲得高質(zhì)量焊縫，將脈沖與短弧焊結(jié)合，使進(jìn)入薄板的線能量較低；采用不同的脈沖組合，降低對(duì)焊縫間隙變化和焊縫拐角的敏感性，更好地控制熔深、熔寬，降低對(duì)厚薄板搭接不均勻熱傳導(dǎo)的靈敏度；優(yōu)化波形控制，使熔滴過(guò)渡均勻、飛濺小。

（2）焊機(jī)采用智能短路過(guò)渡，系統(tǒng)內(nèi)置超過(guò)200組參數(shù)。只需選擇焊絲類型/直徑、保護(hù)氣和電弧類型，按下焊槍開(kāi)關(guān)，設(shè)備能快速判斷并自動(dòng)調(diào)整焊接參數(shù)，數(shù)秒內(nèi)可獲得最佳參數(shù)。

（3）焊機(jī)采用雙脈沖控制、參數(shù)一元化調(diào)節(jié)，通過(guò)控制面板可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇、調(diào)整。系統(tǒng)可自動(dòng)記錄焊接時(shí)間和參數(shù)，用USB連接可將數(shù)據(jù)傳輸至其他用戶，將單臺(tái)焊機(jī)成熟的參數(shù)復(fù)制到其他焊機(jī)，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理和文件管理，見(jiàn)圖l。

焊機(jī)主要性能參數(shù)：焊接材料為鋁材；焊接電流16-400A、60%暫載率AN400/34、雙脈沖/一元化調(diào)節(jié)；保護(hù)氣體純氬（99.99%）；送絲速度0.8-25m/min；焊絲直徑1.0-1 .6mm；強(qiáng)制液冷。

經(jīng)過(guò)調(diào)試和驗(yàn)證，目前設(shè)備參數(shù)己趨穩(wěn)定，投入批量生產(chǎn)。鋁合金焊接對(duì)操作者的技能要求較高，后期可增加機(jī)器人或CMT焊機(jī)，減少焊接變形。

2.2 適應(yīng)鋁弧焊特性的夾具

鋁合金線膨脹系數(shù)是鋼的6倍，焊接后變形遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)車身。鋁合金MIG焊夾具采用迥異于傳統(tǒng)夾具的定位方式，以消除焊接變形，控制尺寸。主要技術(shù)措施有：

（l）零件定位：三級(jí)及以下的總成以平面定位，一、二級(jí)總成以孔定位。

（2）鋁型材定位遵守3-2-1規(guī)則，避免過(guò)定位；夾具定位點(diǎn)選在型材應(yīng)力變形的方向上，控制鈑件的變形；

（3）鋁板與型材焊接時(shí)相鄰兩個(gè)夾緊面距離小于300mm，薄板件在焊縫區(qū)要設(shè)置夾緊；

（4）壓緊面設(shè)限位防止型材變形，帶機(jī)械白鎖抑制焊接應(yīng)力；壓緊力不宜過(guò)小，一個(gè)壓臂避免帶多個(gè)壓頭。 通過(guò)充分調(diào)研，在圖紙會(huì)簽等階段反復(fù)論證，歷經(jīng)半年設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、驗(yàn)證，量產(chǎn)車身尺寸符合率達(dá)85%，精度達(dá)到國(guó)內(nèi)鋁焊接車身較高水準(zhǔn)。

2.3焊接除塵除濕控溫系統(tǒng)

（l）鋁MIG焊生產(chǎn)線采用的除塵除濕控溫系統(tǒng)，由風(fēng)冷熱泵機(jī)組、空氣處理、送回風(fēng)、控制系統(tǒng)四部分組成。以下部生產(chǎn)線為例，封閉式工作間尺寸為35m*8m*7m，控制溫度5-280C、濕度<60%。

（2）設(shè)備性能：

整體式廠房治理。系統(tǒng)采用側(cè)面底部送風(fēng)、頂部捕集分層送風(fēng)原理，利用空氣密度差在室內(nèi)形成由下而上的通風(fēng)氣流。新鮮空氣從距地面1-1.4m高送出，在地面形成一層薄薄的冷空氣層。新鮮空氣和焊接煙塵受熱源上升氣流的卷吸作用、后續(xù)新風(fēng)的推動(dòng)作用及排風(fēng)口的抽吸作用而緩慢上升，因此室內(nèi)熱濁的空氣被后續(xù)的新鮮空氣抬升到頂部并從上風(fēng)口排出。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)空氣形成上部紊流混合區(qū)和下部單向流動(dòng)清潔區(qū)。

除濕控溫與除塵凈化一體化。系統(tǒng)結(jié)合空調(diào)制冷系統(tǒng)，采用冷凍除濕法降低空氣的相對(duì)濕度。用制冷機(jī)作冷源，以直接蒸發(fā)式冷卻器作冷卻設(shè)備，把空氣冷卻到露點(diǎn)溫度下，析出大于飽和含濕量的水汽，降低空氣的絕對(duì)含濕量，再利用加熱器加熱，從而降低空氣的相對(duì)濕度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)相對(duì)濕度控制在60%以下時(shí)，焊縫中氫氣孔數(shù)量降低至濕度80%時(shí)的5 7%，從而保證焊接質(zhì)量。

工作間兩邊安裝窗戶采光，側(cè)面門采用手動(dòng)推拉門，密閉間的兩頭設(shè)車身進(jìn)出門，用軟簾封閉。

奇瑞新能源項(xiàng)目所在地位于長(zhǎng)江中下游流域，每年五月至九月為高溫高濕氣候，該系統(tǒng)的應(yīng)用既有效地保證了鋁合金焊接質(zhì)量，也創(chuàng)造了一個(gè)清潔高效的生產(chǎn)環(huán)境。

2.4 打磨除塵系統(tǒng)

（1）鋁車身焊接完后，需打磨局部焊縫以滿足外觀和裝配需求。打磨產(chǎn)生的鋁粉塵在廠房?jī)?nèi)粉塵濃度過(guò)高有爆炸的危險(xiǎn)，因此除塵系統(tǒng)采用封閉式，尺寸為16m*8m*5m，工作風(fēng)量50000m3/h。

（2）設(shè)備性能：

工作原理。封閉式打磨間內(nèi)的氣流組織采用上送風(fēng)下吸風(fēng)的形式，經(jīng)捕捉的粉塵通過(guò)管道進(jìn)入過(guò)濾凈化室處理并排放。該種方式能最大程度的捕捉鋁合金焊縫打磨產(chǎn)生的粉塵。

除塵主機(jī)采用PLC程序控制，配置防火閥和阻燃防靜電濾芯，在除塵器上設(shè)置爆破片，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、電機(jī)、電磁閥均為防爆型號(hào)，在管道上設(shè)置檢修口清理積塵。

除塵凈化器所用高效濾筒采用的是進(jìn)口PTFE聚酯覆膜濾料，具有阻燃特性；為防止設(shè)備運(yùn)行中起火，主機(jī)內(nèi)部設(shè)置有溫度傳感器，當(dāng)設(shè)備內(nèi)溫度達(dá)到臨近起火溫度時(shí)，主機(jī)將自動(dòng)關(guān)機(jī)并報(bào)警。

除塵間內(nèi)所有電器、開(kāi)關(guān)均采用防爆型號(hào)，打磨動(dòng)能為0.4-0.6MPa壓縮空氣，杜絕明火源。

打磨工作間設(shè)計(jì)采用型材做骨架、巖棉做密封，既考慮到現(xiàn)場(chǎng)的美觀性，方便采光及現(xiàn)場(chǎng)管理，又能保證對(duì)粉塵捕捉的最大有效性，避免粉塵的逃逸。

封閉式鋁粉塵防爆除塵系統(tǒng)投入使用后，經(jīng)測(cè)定除塵間內(nèi)粉塵濃度達(dá)到《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)0.1m以上超細(xì)鋁粉塵的凈化效率可達(dá)99.99%，有效控制了鋁粉塵濃度，確保了安全、清潔生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鋁合金車身項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)行，奇瑞新能源制造工藝團(tuán)隊(duì)初步掌握了全鋁合金焊接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)和要求，對(duì)工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型有了較為深入的了解，形成了鋁車身焊接線制造模型。隨著后續(xù)項(xiàng)目不斷開(kāi)發(fā)投產(chǎn)，對(duì)于鋁合金焊接線工藝設(shè)備的應(yīng)用必將更加完善和成熟。