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浅谈铝钢自动焊接技术的应用与发展

2020-07-17 355 上传者：管理员

摘要：随着轻量化的发展，铝钢自动焊接技术已经成为了当前研究的热点之一。其中，摩擦搅拌焊接（以下称为“FSW”）的连续焊接工艺已应用于钢和铝压铸件的焊接，并且已首次用于批量生产。与以前的模型相比，这种新的焊接工艺的使用使副车架的重量减轻了25%，并且悬挂系统中安装点的刚度提高了20%，增强了可操作性。为了将该焊接技术应用于批量生产，开发了使用通用多关节机器人的独特焊接系统，并且实现了与传统MIG焊接相当的制造效率水平和基础设施投资成本。

关键词：
工业技术
搅拌摩擦焊
自动焊接
轻量化
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如今，对减少汽车重量和在制造阶段实现节能的要求越来越高，力求于减少碳排放并节约能源以保护全球环境，并提高动力性能。汽车副车架应具有足够的刚度，以支撑悬架，动力装置和转向系统。迄今为止已经使用的钢副车架（由钢板制造）和铝副车架（使用膨胀材料）需要大量的金属惰性气体（MIG）焊缝，这对精度管理提出了挑战，并且存在一定的局限性。

另外，由于螺栓联接被用作机械联接的方法，因此在减轻重量和增加刚度方面的能力也受到限制，结果不能实现动力性能的显着提高。本文研究集中于搅拌摩擦焊（以下简称“FSW”），与MIG焊接相比，其输入热量更低，因此降低了功耗，降低了运行成本，此外，已知FSW的使用涉及大型焊接设备，将其引入到现有的工厂空间中需要大量的占地面积，并且需要大量的基础设施投资。因此，将其纳入现有生产线至关重要，考虑到批量生产并旨在实现与MIG焊接类似的生产时间，因此开发了一种采用高度灵活的多关节工业机器人的自动焊接系统，大大提高了焊接效率，可以实现批量生产。

一、铝钢焊接方法及机理

选择FSW作为钢和铝的双金属焊接方法，该方法可以使用低输入热量进行材料焊接。如图1所示，由于FSW在低于熔化温度的情况下进行固相焊接，因此可以控制粗大和脆性的金属间化合物（以下称为“IMC”）形成。焊接过程中，首先在焊接前将密封剂涂在金属表面上，以填充任何缝隙。

图1 搅拌摩擦焊的焊接温度

图2显示了焊缝的形成，FSW探针在旋转的同时从铝侧插入，然后分解并清除焊接界面（镀锌，阴极电沉积和密封剂）上存在的杂质层。在钢和铝之间创建了新的界面，并且由于形成了IMC而发生了焊接。IMC的组成为Fe4Al13金属间化合物，其厚度控制在1μm左右。其中，塑性流动的稳定和探头插入位置的管理是设置合适的FSW焊接条件的重要因素，并且有必要根据线圈的盘绕形式差异来考虑FSW搅拌器的结构优点。

图2 铝钢焊接界面层的形成

关于焊接条件，探针插入位置的深度对于双金属焊接尤为重要。如果探头插入较浅，则杂质从界面的排出将不充分，同时也无法获得稳定的焊接界面。但是，如果将探头插入得太深，虽然会从界面充分排出多余的杂质，但钢与探头之间的接触会过强，钢表面可能会刻痕过多，或者卷取过多塑性流动的强度，这可能导致强度下降。另外，必须设置适当的范围，因为它也会影响探头的耐用性。

二、机器人自动化搅拌摩擦焊焊接技术

FSW连续焊接通常使用大型浇口式焊接机进行，这是因为在焊接期间对工具施加了很大的负荷，因此需要高刚性的机器。将这种大型机器应用于批量生产需要大的安装面积和大量的投资，这使得引入现有工厂和生产线变得困难。因此，决定通过使用工业用铰接式机器人来开发需要小的安装面积并抑制投资的焊接单元。有一些使用铰接式机器人进行FSW连续焊接的研究案例，但迄今为止，已经认为有必要开发一种具有高刚性，能够承受焊接过程中大载荷的特殊机器人。在本文中，当在副框架结构上进行FSW连续焊接时，工具轴向的载荷为1 kN或更大。但是，代替开发能够承受这种载荷的特殊机器人，开发了图3所示的FSW焊接系统，其目的是不给机器人施加高载荷。是将具有高刚性C形框架结构的FSW单元安装到机器人上，该焊接系统消除了工具轴向上的机器人负载。

图3 FSW设备的外观

在该焊接方法中，将钢制零件和铝制零件设置在被支撑的焊接夹具中，并且FSW焊接单元通过将工件与夹具扣紧而将零件焊接在一起。另外，C形框架的夹具侧是辊，其使得能够在焊接前进方向上产生的载荷充分地减小到机器人的允许载荷范围内。此外，焊接速度也与普通MIG焊接的速度相同，从而实现了常规批量生产中的生产节拍。使用的机器人执行6轴控制，但是开发的系统将两个轴（焊接工具的旋转和插入位置）合并到机器人自己的控制系统中，并执行集成控制。

这样就实现了一个简单的系统，不需要特殊的控制单元或其他焊接设备。这个系统可以通过与普通机器人相同的方式在线和离线进行教学，并且可以轻松创建二维或三维焊接程序。此外，焊接工具的旋转和插入位置，焊接速度以及其他参数得到了共同控制，从而可以持续监控焊接状态并进行实时质量控制。使用工业机器人使现有工厂和生产线的生产质量稳定。另外，这种FSW焊接系统用途广泛，也可用于焊接铝对铝结构，在一定程度上实现了铝钢焊接自动化。

三、自动化搅拌摩擦焊在铝钢金属焊接中的应用

副车架的功能是支撑悬架，动力装置和转向齿轮箱，并且还能提供足够的支撑刚度并有助于在碰撞模式下进行控制，如图4所示。后部部件由铝压铸件制成，旨在为动力装置和转向齿轮箱提供并增加支撑刚度，以减轻重量和减少零件数量。此外，该铝压铸后部部件的位置也得到了提高，以提高对动态性能有很大贡献的悬架下臂支架的刚度。

图4 车辆的前副车架结构

下部侧板使用钢板材料，以稳定能量吸收并防止副车架在发生碰撞时分离。在先前的模型中，钢板构件和铝压铸构件的组件使用多个螺栓机械连接。混合副车架具有由各种钢板构件和铝压铸构件形成的凸缘的结构，并且这些异种金属凸缘使用FSW焊接，这样既减轻了重量，又降低了成本，节省了能源。

新开发的后部部件重3.2倍，产品投影面积是前一个模型部件的2.4倍，如图5所示。修改产品形状并使用紧凑的铸造计划，可以使用与先前型号相同的铸造机，使用单个模具铸造两个零件，从而提高了铸造质量并降低了成本。另外，FSW焊接表面的厚度精度对焊接质量有很大影响。因此，通过优化铸造计划和铸造条件，修改副车架功能所需的横截面和肋形状，并提高流动性，可以确保所需的机械性能并提高厚度精度。

图5 新开发的后部部件

这样就消除了FSW接合面的机加工，从而降低了成本。结果表明，通过采用铝压铸后构件，并通过使用FSW建立和应用异种金属焊接技术，零件数量减少了40%，重量减少了25%，并且悬架安装的刚性点增加了20%。与以前的模型相比，MIG焊接长度也缩短了，从而使焊接过程中的电耗降低了50%。

四、结语

使用新型的自动化搅拌摩擦焊焊接技术，使得车身副车架的重量减轻了25%，副车架的零件数量减少了40%，实现了相同水平的生产和设施投资成本，使悬架安装点的刚度提高了20%，并将焊接能耗降低了50%。我们认为，未来铝钢自动化焊接技术将为减轻汽车重量和降低生产过程中的能源做出进一步的贡献。

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