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全铝合金焊接生产线的关键工艺设备

 论文栏目:铝合金论文     更新时间:2017/10/9 9:30:30   

摘要:本文介绍了全铝合金车身焊接工艺类型及现状,铝合金焊接特性及其对工艺设计和设备选型的要求。重点探讨适用铝合金焊接工艺需求的关键工艺设备,如铝合金MIG焊机、铝焊接夹具、除尘除湿控温系统、防爆除尘等系统的工作原理与应用状况。

关键词:铝合金焊接;白车身;焊接特性;关键工艺设备

全铝合金车身是新能源汽车较为理想的车身形式,车身结构参考传统轿车和SUV,骨架采用铝合金型材及板材通过焊接、铆接制成,外覆盖件采用复合材料。车身设计时通过合理布置,在满足性能前提下,比同类型钢板车身减重25%以上,是新能源汽车实现轻量化、长续航里程的关键技术之一。本文通过对铝合金焊接特性和工艺需求的分析,结合奇瑞新能源车型项目实践,探讨铝合金焊接工艺设备选择和应用的基本思路。

1全铝合金车身焊接生产线关键工艺设备需求

1.1全铝车身焊接生产线工艺概述

铝车身焊接生产线布局与常规车型类似,工艺设备与传统焊接线的差异,主要来源于工艺方法的不同。典型如某型铝车身工艺中弧焊占72%、点焊占7%、铆接占21%。铝点焊对设备要求严苛、质量控制尚不成熟;铆接只适用于平板和简单结构零件连接;在铝车身制造工艺中居主导地位的是MIG弧焊,此外还有焊缝打磨、门装配等工艺。根据工艺成熟度现状,本项目以铝合金MIG焊为主、铆接为辅,生产线规划设计和设备选型主要考虑铝MIG焊的影响。

1.2铝合金焊接关键工艺设备选择

(1)铝MIG焊的焊接特性与钢差异较大,该特性决定了工艺需求和设备选型。主要焊接特性:焊接热输入量高,铝合金熔化温度560℃-620℃,导热系数大,导热速度是钢的3倍;熔融铝合金在凝固结晶时体积减少6%,焊接热裂纹倾向大;铝合金线膨胀系数是钢的6倍,焊后变形和高残余应力;氢气孔倾向:湿度越大气孔越严重;铝临界氢分压低;铝合金凝固时氢溶解度突降20倍;冷却速度是钢的4~7倍;铝粉尘燃爆限值为37-50mg/m3,与空气混合成易燃爆气体。(2)焊接特性转化为工艺需求,即:高线能量输入并能减少焊缝裂纹;零件具有合理的外部拘束;焊接环境要低湿、净化;安全性能上要求能够抑制铝粉尘浓度聚集。(3)根据工艺需求,在奇瑞新能源一期项目设备选型上,体现在先进的铝合金焊机/机器人、铝焊夹具、除尘除湿控温系统和打磨除尘系统。

2全铝合金焊接生产线关键工艺装备应用

2.1铝合金MIG焊机/机器人

本项目焊机/机器人选用较为先进的品牌(如福尼斯、林肯、伊萨、法拉克、松下等),焊机及机器人均为MIG数字控制脉冲型焊机,主要性能特点:(1)为减少焊缝热裂纹倾向,获得高质量焊缝,将脉冲与短弧焊结合,使进入薄板的线能量较低;采用不同的脉冲组合,降低对焊缝间隙变化和焊缝拐角的敏感性,更好地控制熔深、熔宽,降低对厚薄板搭接不均匀热传导的灵敏度;优化波形控制,使熔滴过渡均匀、飞溅小。(2)焊机采用智能短路过渡,系统内置超过200组参数。只需选择焊丝类型/直径、保护气和电弧类型,按下焊枪开关,设备能快速判断并自动调整焊接参数,数秒内可获得最佳参数。(3)焊机采用双脉冲控制、参数一元化调节,通过控制面板可实现参数的选择、调整。系统可自动记录焊接时间和参数,用USB连接可将数据传输至其他用户,将单台焊机成熟的参数复制到其他焊机,以实现质量管理和文件管理,见图1。焊机主要性能参数:焊接材料为铝材;焊接电流16-400A、60%暂载率A/V400/34、双脉冲/一元化调节;保护气体纯氩(99.99%);送丝速度0.8-25m/min;焊丝直径1.0-1.6mm;强制液冷。经过调试和验证,目前设备参数己趋稳定,投入批量生产。铝合金焊接对操作者的技能要求较高,后期可增加机器人或CMT焊机,减少焊接变形。

2.2适应铝弧焊特性的夹具

铝合金线膨胀系数是钢的6倍,焊接后变形远大于传统车身。铝合金MIG焊夹具采用迥异于传统夹具的定位方式,以消除焊接变形、控制尺寸。主要技术措施有:(1)零件定位:三级及以下的总成以平面定位,一、二级总成以孔定位。(2)铝型材定位遵守3-2-1规则,避免过定位;夹具定位点选在型材应力变形的方向上,控制钣件的变形;(3)铝板与型材焊接时相邻两个夹紧面距离小于300mm,薄板件在焊缝区要设置夹紧;(4)压紧面设限位防止型材变形,带机械自锁抑制焊接应力;压紧力不宜过小,一个压臂避免带多个压头。通过充分调研,在图纸会签等阶段反复论证,历经半年设计、安装调试、验证,量产车身尺寸符合率达85%,精度达到国内铝焊接车身较高水准。

2.3焊接除尘除湿控温系统

(1)铝MIG焊生产线采用的除尘除湿控温系统,由风冷热泵机组、空气处理、送回风、控制系统四部分组成。以下部生产线为例,封闭式工作间尺寸为35m*8m*7m,控制温度5-28℃、湿度<60%。(2)设备性能:整体式厂房治理。系统采用侧面底部送风、顶部捕集分层送风原理,利用空气密度差在室内形成由下而上的通风气流。新鲜空气从距地面1-1.4m高送出,在地面形成一层薄薄的冷空气层。新鲜空气和焊接烟尘受热源上升气流的卷吸作用、后续新风的推动作用及排风口的抽吸作用而缓慢上升,因此室内热浊的空气被后续的新鲜空气抬升到顶部并从上风口排出。在稳定状态时,室内空气形成上部紊流混合区和下部单向流动清洁区。除湿控温与除尘净化一体化。系统结合空调制冷系统,采用冷冻除湿法降低空气的相对湿度。用制冷机作冷源,以直接蒸发式冷却器作冷却设备,把空气冷却到露点温度下,析出大于饱和含湿量的水汽,降低空气的绝对含湿量,再利用加热器加热,从而降低空气的相对湿度。据统计,当相对湿度控制在60%以下时,焊缝中氢气孔数量降低至湿度80%时的5.7%,从而保证焊接质量。工作间两边安装窗户采光,侧面门采用手动推拉门,密闭间的两头设车身进出门,用软帘封闭。奇瑞新能源项目所在地位于长江中下游流域,每年五月至九月为高温高湿气候,该系统的应用既有效地保证了铝合金焊接质量,也创造了一个清洁高效的生产环境。

2.4打磨除尘系统

(1)铝车身焊接完后,需打磨局部焊缝以满足外观和装配需求。打磨产生的铝粉尘在厂房内粉尘浓度过高有爆炸的危险,因此除尘系统采用封闭式,尺寸为16m*8m*5m,工作风量50000m3/h。(2)设备性能:工作原理。封闭式打磨间内的气流组织采用上送风下吸风的形式,经捕捉的粉尘通过管道进入过滤净化室处理并排放。该种方式能最大程度的捕捉铝合金焊缝打磨产生的粉尘。除尘主机采用PLC程序控制,配置防火阀和阻燃防静电滤芯,在除尘器上设置爆破片,系统风机、电机、电磁阀均为防爆型号,在管道上设置检修口清理积尘。除尘净化器所用高效滤筒采用的是进口PTFE聚酯覆膜滤料,具有阻燃特性;为防止设备运行中起火,主机内部设置有温度传感器,当设备内温度达到临近起火温度时,主机将自动关机并报警。除尘间内所有电器、开关均采用防爆型号,打磨动能为0.4-0.6MPa压缩空气,杜绝明火源。打磨工作间设计采用型材做骨架、岩棉做密封,既考虑到现场的美观性,方便采光及现场管理,又能保证对粉尘捕捉的最大有效性,避免粉尘的逃逸。封闭式铝粉尘防爆除尘系统投入使用后,经测定除尘间内粉尘浓度达到《大气污染物综合排放标准》,对0.1μm以上超细铝粉尘的净化效率可达99.99%,有效控制了铝粉尘浓度,确保了安全、清洁生产。

3结语

通过铝合金车身项目开发和生产运行,奇瑞新能源制造工艺团队初步掌握了全铝合金焊接生产线设计的基本特点和要求,对工艺设计和设备选型有了较为深入的了解,形成了铝车身焊接线制造模型。随着后续项目不断开发投产,对于铝合金焊接线工艺设备的应用必将更加完善和成熟。

参考文献:

[1]奚国华,王炎金.铝合金车体焊接工艺学[M].(第一版).北京:机械工业出版社,2009.10.

[2]宋晓琳,周水庭.汽车车身制造工艺学[M].(第二版).北京:北京理工大学出版社,2006.9.

[3]卢本,卢立楷.汽车机器人焊接工程[M].北京:机械工业出版社,2005.11.

作者:宋亮 单位:奇瑞汽车股份有限公司

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