摘要：随着汽车工业日益进步，为提高汽车品质，降低汽车生产成本，各大汽车生产商寻求更好的加工手段及制造生产工艺，以降低成本，节能增效。电阻点焊广泛运用于汽车工业中，其焊接质量成为汽车白车身焊接质量的主要影响因素。对当今汽车产品的制作过程而言，在针对汽车白车身研发及总成环节中相关作业技艺及质管经验进行了深入辩析，确定汽车白车身制作质量管控的有效路径及手段，以此给汽车白车身研发和制作过程中的质量管控工作提供有益参考与借鉴，旨在推进汽车制造加工产业的有序进步。
关键词：汽车；白车身；焊接；质量；检测
1汽车白车身激光焊接生产线自动化系统架构
汽车白车身激光焊接生产线自动化系统主要由自动化控制柜、机器人电柜、稳压电源及机器人本体、除尘器、焊接头总成、光纤、光源、水冷机、激光防护房等模块构成。
其中，自动化控制柜又包括触摸屏控制系统与PLC控制器，其主要用于控制系统除尘器、通道门、工装夹具、防护房及焊接头等外围设备，使它们按照相关控制时序完成操作。机器人电柜与自动化控制柜联动实时通讯，以对机器人本体进行运行控制。稳压电源主要为激光焊接设备提供配电保护装置与稳定动力电源。送丝机和机器人本体分别为焊接提供填充填料及负责焊接工艺参数的调用、焊接移动，以此提高焊缝质量。而除尘器能够及时过滤并清除有害烟雾，工装夹具主要确保车身精度以及对焊接车身进行准确定位。焊接头总成集焊缝跟踪、激光焊接、车身识别等功能为一体；光纤及光源可为激光焊接提供稳定激光能量。水冷机能够为光纤和焊接头、激光器等提供恒温循环水，激光防护房为激光焊接人员提供了一个安全操作环境。
2白车身主要焊接类型介绍
2.1电阻焊
电阻焊，是指利用电流通过焊件及接触处产生的电阻热作为热源将想件局部加热，同时加压进行焊接的方法。焊接时，不需要填充金属，生产率高，焊件变形小，容易实现自动化。常见电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊，如图1。
图1 电阻焊示意图
2.2激光焊
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
2.3 二氧化碳保护焊
二氧化碳气体保护电弧焊的保护气体是二氧化碳，主要用于手工焊。由于二氧化碳气体的热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断、因此，与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。
2.4 钎焊
钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。钎焊时，首先要去除母材接触面上的氧化膜和油污，以利于毛细管在钎料熔化后发挥作用，增加钎料的润湿性和毛细流动性。根据钎料熔点的不同，钎焊又分为硬钎焊和软钎焊。
3点焊常见故障模式分析
3.1电极头端面尺寸
电极头端面尺寸的选取主要由所焊接工件的厚度来决定的，常见的电极头端面尺寸为6mm-8mm。电极头使用过程中，受热塑性变形、磨损、员工修磨电极头均会使电极头端面尺寸产生变化。
3.1.1电极头端面尺寸偏大
接触面积增大，电流密度减小，加速散热，直接导致焊接区域加热程度减弱，熔核尺寸减小，焊点承载能力下降，严重时将导致焊点虚焊、无熔核。
3.1.2电极头端面尺寸偏小
接触面积减小，电极压强增大，电流密度增大，热量集中，塑性环尺寸减小，导致焊接区域过热，产生压痕过深、飞溅、击穿、熔核尺寸偏小等焊接缺陷。
3.1.3控制手段
采用定期修磨电极头，常用的为150至300个焊点/次的频次来控制电极头使用过程的塑性变形及磨损量；焊接机器人修磨电极头过程可通过修磨刀自动控制电极头端面尺寸，人工修磨电极头以后多采用电极头端面尺寸测量卡板或打点测试纸测量控制电极头端面尺寸。
3.2电极头压力
电极头压力大小、通电电流、通电时间三个焊接参数的选定是互相影响制约的。生产过程中通过设定焊接设备输入气压值来实现电极头压力输出，电极头压力值主要受气路设备、焊接设备稳定性影响。
3.2.1电极头压力偏大
接触面积增大，电流密度减小，接触电阻减小，工件间产生的热量减少且散热增加，导致熔核尺寸减小，焊点承载能力下降，严重时将导致焊点虚焊、无熔核。
3.2.2电极头压力偏小
焊接区域塑性变形程度及面积均减小，难以形成稳定的塑性环，接触电阻增大，焊接工件间过热，产生焊接前期飞溅，同时焊点承载能力下降。
3.2.3控制手段
生产前或巡检通过气压表确认输入气压是否符合工艺要求，并作焊点非破或者全破确认；定期采用电极压力计实测电极压力，监控频次一般为每月一次。
3.3通电时间
主要受焊接设备稳定性影响。
3.3.1通电时间过长
焊接区域热影响时间增加，形成粗大的晶粒，焊点承载能力下降，表面发黑，形成环形裂纹。
3.3.2通电时间过短
焊接区域热影响时间减少，熔池凝结过快，形成气孔夹渣，且熔核尺寸偏小，严重的将导致虚焊无熔核。
3.3.3控制手段
生产前或巡检通过焊接参数设置面板确认输入时间是否符合工艺要求，并作焊点非破或者全破确认；定期采用电流表实测电极压力，通常关键焊点监控频次为每周一次，一般焊点监控频次为每月一次。
4试验检测分析
4.1试验主要方法
4.1.1破拆检查
主要是运用气铲、撬棍、扩张机、钣金錾等破拆工具对电阻焊点进行破开，如图5，按照具体板厚焊接的熔核大小要求，使用游标卡尺以及卡规对焊点熔核大小进行检查，同时亦可以对钣金涂胶进行检查。
4.1.2金相试验
金相试验是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将图像处理系统应用于金相分析，具有精度高、速度快等优点，主要是运用于白车身钎焊、激光焊、二氧化碳保护焊的焊缝的质量检查，输出金相报告。
4.2试验主要设备
4.2.1气铲
气铲作为破坏性实验目前主要的一种破拆设备，是以压缩空气为动力，使其内部的锤体进行往复运动，并击打铲钎，从而实现铲子对钣金焊接焊点进行凿打作业，对于撑开焊点的非常实用，优点是设备比较简单，维护方便，价格合理，工作平稳，安全可靠，缺点就是笨重，震动强，噪音大，损耗快。
4.2.2手动液压钳
主要是通过讲钳头插入分离的缝隙中，手摇液压泵，产生压力，推动锲铁内部的扩张头，使锲铁向外扩张，从而使物件分离，优点是省时省力，快捷方便，安全可靠，经久耐用，缺点就是笨重，效率差。该种设备主要是用于白车身拆下来的小块零件破坏，对于零件焊接件比较大的部位，仅靠人力作用，不仅破坏效率差，也不符合人机工程，因此这类设备使用的厂家比较少，已经普遍采用自动式的液压钳。
4.2.3便携式自动液压钳
主要是通过液压钳本身自带的电池提供电源，然后通过里面的液压电机，驱动开口钳张合，优点是轻便易携带，价格合适，缺点是续航能力差，电池需要经常更换，不适用长时间的破坏性工作。这套设备本身是属于消防器材，所以只能临时破一些小的焊接件，不可以长时间进行使用，否则容易造成设备损坏。
4.2.4非便携式自动液压钳
主要是用于长时间换人不换机的工作状态，对钳体本身的制造水平要求很高，也是通过电能转液压能再传递给机械能的传递方式，组成主要是泵站，钳体，以及管线。优点是扩张力大，能24小时工作，操作方便，缺点是价格昂贵，对场地有一定的要求。此类设备在国内使用比较少，主要是用于国际知名汽车厂家破坏性实验使用，比如德国宝马，奔驰等，由于其直接有正常电源提供，能长时间工作，对于国内的厂家，由于破车任务繁重，所以该设备是非常适合的，目前已经有多家国内车企破坏性实验开始采购使用，从实际情况反馈回来的信息，效果还是非常不错的。
5汽车白车身焊接质量控制与评价
5.1汽车白车身激光焊接生产线自动化系统
5.1.1硬件回路
系统硬件安全回路主要包括激光、维修门及急停回路等，通过硬件线路串连，使维修门与急停安全回路串连接入安全PLC输入接口。通过硬件线路使激光安全回路分别连入激光器与机器人安全回路。
5.1.2软件安全
安全信号主要通过PLC安全程序以及硬件回路进行连接处理，以提高系统设备安全等级。
5.1.3总线网络结构
系统外围设备均通过PROFIBUS现场总线实现连接，如远程站、送丝机、机器人、触摸屏及PLC控制器、激光器等，两个PLC的CPU主要通过总线耦合器进行通讯隔离，系统通过以太网连接机器人控制柜与焊缝跟踪装置。
5.2规范参数的选择
焊接电流、焊接时间、电极压力、电极直径是影响焊接质量的重要参数；被焊材料的热物理性能和机械性能、焊接设备的性能以及焊接材料的状况等都直接影响焊件的焊接参数。因此，选择零件的焊接参数应先找出合格焊点的参数范围，然后优选出一组最佳焊接规范。
5.3产品结构设计中的模型化构建
过去模式的汽车白车身结构研发及制作是以主导模型、主体样板、主体图板三者之间的紧密结合作为其外观形状及结构尺寸选取的依据，白车身研发和设计一般都是选取逆向模式。伴随着当今对新产品研发和设计周期要求的持续缩短，白车身的结构设计及研发过程也逐渐采取正行和逆行的复合式工程，也就是说白车身的外观设计选取逆行工程，车体结构设计选取正行工程，并且在车身构架设计、模具研发、紧固器具研发等环节中选取并行工程、参数模式设计以及利用WAVE控制技术等，确保其产品在制作过程中参数传送的精准、稳定、便捷。在车身研发拟建阶段，即应密切关注产品性能参数在冲压、焊制阶段中传送的统一性。比如恰当地利用PLP控制技术，即可获取一个较为理想的、精准的参数传送。
5.4PLC控制系统
系统采用两套触摸屏与PLC控制装置为激光焊接提供控制操作系统，触摸屏主要负责信息输入与监控，其实时与焊接头、送丝机、光纤激光器、焊接机器人以及滚压轮等进行通信，同时还与光栅、通道门、安全门等安全设备进行连接，通过与主线系统控制构成结构清晰、操作便捷以及性能安全的整条生产线自动化控制系统。
5.5焊缝三维视觉系统
焊缝三维视觉系统能够提高激光焊对车身的定位精度，通过对焊缝进行预处理，可借助机器人轨迹对车身精度进行调整，只需将激光三维视觉系统安装于第六轴上，即可进行三维图像处理，识别焊缝准确几何位置，同时还可通过总线将坐标值传输给机器人进行控制，机器人通过计算实际位置偏差，可自动校正焊接运动轨迹，由此实现对焊缝实时跟踪。
5.6焊点内在质量
目前在车身上装焊线上检测点焊质量的方法主要采用非破坏性检查和破坏性检查（进行扭转试验）并结合剪切拉伸试验。检查方法：使用锤子和扁铲，将扁铲楔入两焊点之间，以厚板处建立支点向薄板一方掰动，直到薄板焊点焊核处发生变形为止。评价依据：焊点焊核处变形时焊点未发生破坏则为合格，若发生破坏则为不合格。一般不宜使用非破坏性检查方法来判定焊点质量的情况有：最薄板件厚度大于1.5mm；有外观要求的焊点；胶接焊点；扁铲无法作用到的部位；单个焊点部位。
5.7强度检查
5.7.1非破坏性检查
检查方法：特制套筒配合扭力扳手检测，采用剥离试验检查焊接螺母的焊接强度。如图9所示，先将焊接的钢板固定住，施加与螺母的中心轴成直角的回转力，测定使螺母剥离所需要的扭矩。
5.7.2外观检查
检查方法：肉眼观察凸焊螺钉表面状况（必要时配合螺母或卡子试装配）。
评价依据：凸焊螺钉表面不允许出现以下缺陷。
1）螺钉螺纹上有影响螺母装配的焊渣、飞溅或其它杂物；
2）钉外螺纹因过烧等其它原因被损坏。
5.8车型识别系统
为了安全，车型识别系统能够用于检验和判断主线给定的车型码，由此可防止碰撞事故发生。系统在工作时主要通过激光测距，判断不同车型信号，然后将其反馈给自动化控制系统，系统经过判断，若车型与车型码一致，则按照对应循环程序进行焊接，若二者不一致，则返回原位跳出循环，同时系统报错等待操作人员干预。
5.9通讯控制系统
系统自动化控制与除尘系统、光纤控制系统均通过主控制柜PLC控制器和工艺控制柜PLC控制器工作，采用PROFIBUSA总线可将不同控制系统连接在一起，信号交换主要通过无源触点方式来实现，电气之间通过DP/DP耦合器隔离，可提高系统稳定性。在除尘控制中，系统采用高负压真空吸附除尘，为降低设备投入成本，自动化控制系统基于双通道光纤控制方案，根据机器人焊接实际情况，分别对功率等参数、两个光路进行切换与控制。
5.10白车身质量管控的路径和手段
新款车的白车身在其研发和制作工序中，时常会发生各式各样的质量缺陷问题，因此针对白车身产品的先期质量确定是极为关键的工作内容。在展开质量管控的计划工作时，需依照产品所在的不同时期拟定出配套的管控计划。在新产品研发及制作环节中，不同时期须对产品质量的控制过程要选用不同种类的管理手段。在制造环节中，质量管控过程要满足PDCA基准要求。
一般情况下，白车身经过特定的生产加工程序后，出现车身质量问题，多数情况可归结于焊接过程出现了问题或存在疏漏，技术人员多采用串联方式处理上述问题，具体来说，即首先检查汽车白车身的夹具，确保其符合标准，若发现问题，则需及时采取处理措施，而若不存在质量问题，则随后检查冲压件，若确认其无误后，再次检查夹具、同时对兼具进行再分析，这种传统的质量检测方式浪费了大量的时间、人力以及物力，但处理问题的效果却并不理想，甚至根本无法解决问题，因此，相关研发人员开始不断优化白车身质量问题改进流程，采用并行的工作方式，当出现了车身质量问题时，相关的冲压件应及时检测，并提交相应检测报告给焊接现场工程师，对于有问题的零件要及时修正，同时焊接总成件也要及时检测，并结合每个零件的检测报告，进行分析确认，从而明确何处出现问题，并及时提出切实的改进方案。
结束语
综上所述，电阻点焊质量对汽车质量控制起着关键作用。了解电阻点焊的焊接工艺，设计阶段选定合适的电极头，采用经验证合格的焊接参数，生产过程中采取可靠有效的监控管理手段，才能保证电阻点焊的焊接质量及焊接稳定性。伴随着汽车白车身零部件大规模地使用专用检验夹具检测、模拟装配块检测，以及激光在线检测技术的运用，汽车白车身的品质控制必将达到新的水平，汽车产业亦随之获得持续发展。
参考文献：
[1]杨晨，黄建根，寿颜波，蒋宇鹏，王志家，徐锐.薄板焊接自动化技术研究[J].工程建设与设计，2017（23）：190-191.
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[3]吴兴敏，王立刚.汽车车身结构，人民邮电出版社，2010.9.
论文作者:沈建元
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/1/7
标签：车身论文; 电极论文; 激光论文; 焊点论文; 金相论文; 质量论文; 汽车论文; 《基层建设》2018年第35期论文;