汽车侧围焊接问题及其控制研究 1.docx

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汽车侧围焊接问题及其控制研究1

摘要

随着汽车制造业的发展，侧围焊接问题已经成为制约汽车行业向智能化、集成化、自动化的关键因素。

因此，基于汽车行业对于侧围焊接问题的需求，开展了侧围焊接技术的相关研究。

首先，介绍了侧围焊接的定义，存在的问题，以及国内外现状等，进而对侧围焊接有了初步的了解。

其次，针对侧围结构，介绍了常见焊接工艺，包括点焊、凸焊、二氧化碳气体保护焊工艺、激光焊工艺等，熟悉了常见的焊接工艺。

然后，基于常见侧围焊接问题，给出了相关解决方案。

最后，介绍了侧围焊接质量控制技术、以及侧围焊接未来的发展趋势。

关键词：

侧围焊接；漏焊；虚焊；焊点击穿；点焊控制技术

Abstract

Withthedevelopmentoftheautomobilemanufacturingindustry,thesidewallweldingproblemhasbecomeakeyfactorrestrictingtheautomotiveindustrytobeintelligent,integratedandautomated.Therefore,basedontheautomotiveindustry'sdemandforsidewallweldingproblems,relatedresearchonsidewallweldingtechnologywascarriedout.Firstofall,thedefinitionofsidewallwelding,theexistingproblems,andthestatusathomeandabroadareintroduced,andthepreliminaryunderstandingofsidewallweldingisobtained.Secondly,forthesidewallstructure,thecommonweldingprocess,includingspotwelding,projectionwelding,carbondioxidegasshieldedweldingprocess,laserweldingprocess,etc.,isfamiliarwiththecommonweldingprocess.Then,basedonthecommonsideweldingproblem,therelevantsolutionsaregiven.Finally,thequalitycontroltechnologyofsidewallweldingandthefuturedevelopmenttrendofsidewallweldingareintroduced.

Keywords:

sidewallwelding;leakagewelding;virtualwelding;weldingclick-through;spotweldingcontroltechnology

第一章绪论

随着制造业向智能化、信息化、自动化的转变过程中，汽车行业也随之发生突飞猛进[1]。

其中，传统的车身结构包括车顶纵梁、车门防装梁、前纵梁、A柱、B柱和C柱等结构，如图1.1所示。

在构成整个车身主体的同时，这些结构都需要解决一些技术问题，来保证整个汽车系统的稳定性、安全性。

此外，车身结构存在成百上千的焊点需要焊接，在焊接的过程中，保证焊接不出现漏焊、虚焊和焊点击穿现象，需要展开相关技术研究。

图1.1车身结构

其中，侧围是车身系统的关键结构，包括A柱、B柱、C柱、外覆盖件、后轮罩、门槛梁和上边梁等[2]。

汽车运动过程中必将产生逆向气流，此时，侧围起到了降低逆向气流的作用。

同时，侧围的巧妙设计也增加了其下压力。

当汽车保持高速运动过程中，确保汽车不飘起来，进而更加地平稳。

侧围对于整个汽车有着至关重要的作用，对于汽车安全性、舒适性的提高有着重要的意义。

图1.2侧围结构

1.1侧围焊接定义

侧围结构作为车身的关键结构，存在许多技术问题需要解决。

其中，侧围焊接问题便是最为突出的问题[3]。

目前，包括侧围在内的车身主体是采用钢制冲压的形式压制而成，其中，钢制冲压件之间的连接则需要借助点焊、凸焊等焊接工艺来完成。

简单来说，整个车身结构是通过焊接技术来完成各个结构的连接，并且其连接的好坏直接决定了车身的结构好坏。

因此，侧围焊接问题直接决定了整车的性能和安全性。

1.2侧围焊接问题

侧围焊接工艺主要包括点焊工艺、凸焊工艺、二氧化碳气体保护焊工艺和激光焊工艺等。

这些焊接工艺存在自身的优点与劣势，在焊接过程中也造成一些焊接问题的出现[4]。

基于侧围焊接工艺的经验，主要存在以下几个问题：

（1）漏焊；

（2）虚焊；（3）焊点击穿。

这些问题对于焊接技术而言是急需解决的关键难题，也是汽车制造行业需要解决的重要课题。

因此，解决好侧围焊接的问题，对于汽车智能化、自动化的提高，有着重要的知道意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

国外焊接技术起步较早，而且有着系统的研究。

上个世纪末，就陆续出版了现代焊接技术、激光焊接、焊接技术等书籍，对于焊接技术的发展起到了极大地促进作用[5]。

2012年，BenjaminGraf等人，使用激光金属沉积的技术将不锈钢和钛合金进行了无缝焊接。

2012年，西里西亚大学的Węgrzyn,T等人通过研究喷射冷却焊接技术，并将该技术应用到车身焊接上去[6]。

2015年，JFRappl等人发明了一种焊接气体泄漏检测系统和方法，并且取得了很好的应用[7]。

2018年，CorneliusSchinzel等人研究激光焊接技术，并将该技术应用到铝制车身焊接上[8]。

这些最新的研究成果，对于目前的侧围焊接技术，有着重要的理论指导作用。

此外，国内激光焊接技术处于世界领先地位，因此，将这些技术应用到车身制造行业中去是未来技术发展的趋势。

1.3.2国内研究现状；

近年来，国内对于侧围焊接问题也开展了相关的工作[9]。

2010年上海通用汽车公司，卢兵兵等人通过搭桥工艺，解决了焊接处存在气孔的问题[10]。

2013年，邹凤祥等人分析了车身侧围漏焊的问题来源，以及解决方案[11]。

2016年，上汽通用公司余可杏等人对侧围虚焊问题进行了研究，其中，包括分析侧围虚焊的定义，造成原因，预防和解决措施等[12]。

2019年，刘萌等人开展了点焊机的相关研发，并对焊点击穿给出了相关的优化方案[13]。

此外，国内大学对侧围焊点进行了顺序优化研究[14]。

例如，2006年，上海同济大学刘海江等人对焊点焊接的顺序进行了算法研究，解决了焊接机器人的最短工作距离的问题。

2013年，湖南大学袁毅硕士针对侧围焊点的布局与优化，开展了相关的算法研究，提出了相关的路径规划方案[15]。

针对侧围焊接技术的国内外研究现状，了解侧围焊接技术的发展方向：

（1）智能化焊接；未来的焊接技术将彻底地放弃人工焊接。

随着AI技术的持续发展，必将应用到侧围焊接技术中去。

其中，不仅能够自动化焊接，还能够根据侧围存在的问题，及时做出智能化的判断。

（2）理论集成化；目前。

计算机视觉技术、超声波技术的发展，多学科融合发展必将使侧围焊接技术有进一步的提升。

基于技术的发展现状，未来将形成焊接技术学科，融合物理学知识，计算机知识等多种学科，促使人工劳动力解放。

1.4本文结构

基于国内外研究情况，本文通过以下几部分开展：

（1）侧围焊接工艺；介绍了常见的侧围焊接工艺，包括：

点焊工艺、凸焊工艺、二氧化碳气体保护焊工艺和激光焊工艺等。

（2）侧围焊接问题与解决方案；介绍了常见的侧围焊接问题，包括漏焊、虚焊和焊点击穿等。

针对这些焊接问题，通过查阅文献和相关经验，给出了对应的解决方案。

通过这些方案的提出，对于焊接问题的解决打下了重要的理论基础，能够有效解决目前焊接技术面临的问题。

（3）侧围焊接质量控制技术；该部分主要针对侧围焊接的质量检验和控制技术等两个方面入手，分别开展论述。

侧围焊接质量控制技术是对于产品焊接前，焊接过程中，焊接后等程序进行完整理论研究的一门技术。

在焊接技术前，要把控各项焊接参数，确保焊接质量的合理性；在焊接过程中，要确保焊接的实时检测，确保焊接不出意外，造成产品资源的浪费；在焊接程序完成后，要确保最后的检验能够保证产品出厂，质量有保障。

（4）侧围焊接技术发展趋势；本章节将针对侧围焊接技术的现有特点和未来发展趋势展开论述。

汽车正朝着自动化、智能化、集成化等特点发展，因此，汽车的研发与制造过程中，也势必对焊接技术提出了更高的要求[16]。

因此，通过了解侧围焊接技术的现在特点，以及未来的发展趋势，对于研究汽车制造技术提供了良好的理论基础。

第二章侧围焊接工艺

2.1点焊工艺

点焊工艺的基本定义是通过柱状电极在两个待焊件之间形成焊点，并将其焊接起来的一种工艺方法，如图2.1所示。

其中，点焊工艺的基本流程如下：

（1）需要对待焊工件进行清洗，保证其表面的整洁度；只有保证焊接表面的整洁度，才能够避免焊接过程中，不容易出现焊接缺陷、虚焊等情况的发生。

（2）在点焊工艺系统之间，放入工件；该过程需要机械臂来完成，确保每次重复性很好。

（3）通电并加压，让工件充分接触，并且受热融化成所谓的融核；

（4）断电后，压力促使融合凝固成焊点。

持续地压力能够确保焊料及时地凝固，保证焊点的硬度，确保焊接的质量。

（5）去压，完成焊接的整个过程。

（6）焊接质量检验，焊接完成以后，需要实时检验焊接质量。

图2.1点焊工艺

通过研究点焊工艺的基本流程，了解了点焊工艺存在以下特点：

（1）加热和降温速度快，焊接效率高，时间短；

（2）点焊属于电焊的一种，无需其他材料的消耗，能源利用率相对比较高；

（3）点焊工艺基本上都是在电焊机系统上完成的，该系统自动化程度较高，进而焊接工艺效率高；

（4）点焊也存在自身的缺点，例如焊透率大，容易造成表面裂纹和缺陷。

此外，焊接部位也容易造成纹理的产生，以及搭建边缘出现错移等现象的发生。

2.2凸焊工艺

凸焊工艺是侧围焊接的常见工艺。

其中，凸焊原理是在焊接的表面加工多个焊接凸点，并通过接触、加热、挤压等工序形成多个焊接点的过程[17]。

如图2.2为凸焊机，保证了凸焊工艺的系统性与自动化，其中工艺流程如下：

（1）物理接触阶段。

通过电极加压，增加了焊接件的接触面积。

（2）通电并且加热。

在加热和加电的作用下，焊接件先是经过压溃过程，保证了凸点和焊接件的充分地融化。

（3）冷却塑形阶段。

去除通电和加热，焊接件的两个接触面开始冷却结晶，该过程与点焊工艺相同。

图2.2凸焊机

通过研究凸焊工艺的整体流程，了解凸焊存在以下特点：

（1）保证多焊点焊接，极大地提高了焊接的效率。

（2）侧围焊接过程中，针对较窄的焊边，凸焊接保证了焊点的距离，进而保证了焊接的效果。

（3）需要做一些凸起特征，进而增加了工艺程序。

（4）多焊点焊接，需要精准控制焊点的位置，保证焊点的质量。

2.3二氧化碳气体保护焊工艺

图2.3二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊属于一种常见的黑色材料焊接方法，以CO2作为气体，利用其特殊的物理性能，保证焊接接头无缺陷，质量较好，其原理如图2.3所示。

此外，该焊接方法价格低廉，适用于室内焊接，其主要存在以下几个特点：

（1）碳合金材料的焊丝保证了焊接的飞溅控制在一定范围内。

（2）焊缝质量比较好，抗裂的性能相对比较好。

（3）成本低，是普通焊接成本的50%左右。

针对二氧化碳气体保护焊，焊接过程中，焊接件经过加热容易产生蒸汽氧化，并且经过冷空气凝结产生气体污染。

（1）物理污染，焊接过程中产生红外线和紫外线等。

（2）化学污染，CO2作为保护气体，在与焊接件接触过程中，容易产生一些污染气体和微小固体颗粒物。

2.4激光焊工艺

图2.4激光焊工艺

激光焊接工艺是利用高能量激光加热来完成焊接的整个过程。

目前，激光焊接是广泛应用于汽车焊接领域，其中，侧围焊接使用最广泛的焊接方式是激光焊工艺。

激光焊存在以下特点：

（1）基础环境简单，无需真空需要，不受真空影响，便可以精准焊接。

（2）可以实现高速自动化焊接，

（3）激光束容易对焦，焊接速率快，效果好。

但是，焊接也存在一定缺点：

（1）精准焊接对于激光束的要求较高。

（2）激光焊接的能量较大，因此不适合焊接生产线上的车身侧围。

第三章侧围焊接问题与解决方案

3.1漏焊与解决方案

3.1.1漏焊问题

在侧围焊接过程中，出现焊接缺陷的问题时常发生。

因为一个焊接工艺需要几百个焊点，且分布在很小的一个区域内，因此精准判别焊点位置十分困难[18]。

出现漏焊的原因很多，经过相关汽车研究所与公司研究，总结了以下几个原因：

（1）缺乏漏焊自动提醒设备；

（2）焊接完成后，缺乏漏焊自动识别装置，进而缺乏漏焊确认程序；

（3）人为原因，其中，人员交换过程最容易引起漏焊发生。

随着汽车制造工业的发展，汽车行业开始朝着安全性、美观性等方向发展。

在焊接过程中，汽车侧围存在几百个焊点，难免会出现漏焊[19]。

漏焊的出现容易造成侧围整体质量的下降。

此外，在行驶过程中，漏焊很容易造成事故的出现。

3.1.2解决方案

图3.1漏焊解决方案

如图3.1所示，针对侧围漏焊问题，目前主要存在以下思路来解决：

（1）人工检测；该方法经常用于焊点较少的零件部位，无需借助其他工具，检测成本低。

但是，人工检测的缺点是可靠性比较差，需要考虑人眼疲劳与误差的影响，降低工艺线的生产效率。

（2）通过焊缝填丝量，来判断漏焊的问题。

基于人工检测方法的低效率性，结合焊缝填丝量，来判断漏焊的问题。

如图3.2所示，为漏焊自动检测系统。

该系统主要由计算机系统、系统总线、模数转换、电流电压传感器、焊机和报警装置等结构构成。

通过电流、电压传感器感知焊机的电流和电压，并通过模数转换将采集的模拟信号转换为数字信号，传送到计算机系统。

此外，输入输出装置读取家具台和变位机的位置等相关信息，进而到计算机系统中运算是否发出报警信息。

图3.2自动检测系统

首先，将无漏焊的相关信息输入到自动检测系统的计算机控制总台中，类似建立一个模型标准数据库。

其次，当有漏焊的信息导入计算机控制系统后，通过数据比对，以及夹具台和变位机的相关信息，综合判断漏焊的相关信息[20]。

该系统自动化程度高，是漏焊检测的关键步骤。

但是，只是起到了判断是否漏焊，而对于漏焊位置信息的精准判别效果较差。

（3）图像处理法；随着图像处理技术和AI技术的发展，以图像处理技术为基础的漏焊检测方法，逐渐成为了相关的热点研究方向。

图3.3图像处理流程

如图3.3所示，为图像处理的相关流程。

主要经过灰度处理、平滑处理、图像二值化、形态学处理以及边缘检测等过程[21]。

图像检测系统主要包括CCD相机、支架、光源、软件系统等。

该方法的关键主要集中在图像处理算法的研究，进而能够更好地检测出侧围漏焊点的结构特征，针对该思路，主要从以下两个角度出发，来解决问题：

1）算法研究；研究识别相关特征的图像处理算法，改善算法的识别效率，进而能够保证准确无误地识别出漏焊点特征[22]。

例如边缘检测算法、霍夫圆检测算法研究等。

2）数据库的建立；针对大量的漏焊点特征，建立特征数据库，识别图像特征快速地与数据库特征进行特征匹配。

该方法识别效率高，但是由于数据库不能包括所有的漏焊点特征，因此不能够保证所有的漏焊点都能够检测出来。

但是，基于AI技术的快速发展，对比三种解决方案，图像处理方法因为自动化效率和识别率高，未来更有可能应用大规模生产线。

3.2虚焊与解决方案

3.2.1虚焊问题

虚焊是指由于工艺的失误，造成焊件之间并没有完全结合，造成焊件的接载面没有融合的一种焊接问题[23]。

如图3.4所示，造成虚焊的原因有以下几种：

图3.4虚焊原因汇总

（1）设计因素；在侧围焊点的设计过程中，出现了设计方面的漏洞，造成虚焊的产生。

例如侧围焊件的焊盘十分小，且分布十分密集，容易造成虚焊事情的发生。

（2）工艺问题；针对侧围进行焊接时，未将焊件表面的焊点进行处理，造成焊点表面严重氧化，进而出现虚焊的可能。

（3）选材问题；每个侧围的材质可能存在差异，相比之下，有些材料的可焊接性比较差，因此，如果事先没有了解清楚焊件的材料特质，容易造成虚焊事情的发生。

（4）焊剂问题；如果焊剂材料使用不当可能导致虚焊问题的产生。

例如焊丝的铅和锡比例不当，容易造成焊接过程中，虚焊事情的产生。

（5）焊接工具；在焊接过程中，焊接工具起到了决定性作用。

如果焊接工具的尺寸、温度等参数控制不当，容易造成焊接件虚焊产生。

因此，焊接工具对于整个焊接过程起到了十分重要的作用。

（6）焊接方法；如何控制焊接工具与焊接件的间距；如何控制焊接电流的问题；如何控制焊接的电阻问题；如何控制焊接时间的问题等都是造成虚产生的重要原因。

1）如何控制焊接的电流问题；焊接的电流问题如电流减小、电流分流等从而造成焊接件的接触面积增大，进而供给热量不足，引起虚焊的发生。

2）如何控制焊接的电阻问题；图3.5为焊接电路的相关电阻分布情况，当焊接电路的电极压力突然变大，焊接表面存在污染物的时候，引起焊接电阻发生比较大的变化，进而造成热量分布不均匀，最后出现虚焊的问题。

图3.5焊接回路电阻

3）如何控制焊接时间的问题；焊接的整个过程分为加压阶段、焊接阶段以及保持阶段。

加压阶段是为了保证焊件能够充分地接触，焊接阶段是属于两个焊接件的融合阶段，保持阶段是为了能够让焊剂材料充分地冷却凝固，进而进一步加固焊件的强度。

合理地安排焊接的整个时间，才能够充分地保证焊接的质量。

例如维持时间如果过短，则会引起焊接件的凝固强度减弱，进而造成焊件虚焊情况的发生。

3.2.2解决方案

针对虚焊问题的产生，主要从以下几种方案着手：

（1）合理地设计与选材；合理地设计焊点的位置，保证受力均匀，合理布局。

此外，在选材上一定要反复地试验，尽可能地了解材料的可焊性，建立相应材料数据库，保证实时了解各项材料的相关性能。

进而减少虚焊问题。

（2）反复检查工艺合理性；要尽可能地合理设置焊接工艺的相关参数，综合考虑，多次实验的情况下最后敲定焊接工艺的相关参数。

要合理地设置焊接电路的电流和电阻，防止受热不均匀的情况发生，进而减少虚焊发生的概率。

除了合理设置相关参数以外，还需要不间断检测工艺的合理性，实时调节相关参数，保证参数的最优化[24]。

此外，需要制定合理的工艺验证方法，组织专门的人员来检测工艺参数的变化，进而建立工艺参数管理的方法。

（3）合理选择焊剂和焊接工具；焊剂和焊接工具是焊接过程中的必备工具，选择材料可使用性强的材料，保证焊剂的可使用性。

此外，需要多次做焊接前的预焊接实验，进而减少因选材造成虚焊的事情发生。

焊接工具是焊接工艺选择过程中需要多次考虑的事情。

因此，选择合适的焊接工具是减少虚焊发生的重要前提。

（4）合理把控焊接方法；对于焊接整个过程时间的把控要合理；对于焊接电路的电流和电阻等问题，要多次实验选择合理相关参数。

通过实时调整焊接的各项参数，保证焊接过程能够具有可调节性、可持续性等。

3.3焊点击穿与解决方案

3.3.1焊点击穿问题

在焊点焊接过程中，由于操作者焊接程序不当、或者自动焊接程序不准确，容易造成焊接过程中，焊点被击穿的现象。

焊点被击穿后，容易形成巨大的孔洞，对于后来补焊等都造成了严重的困扰。

因此，焊点击穿容易引起以下几个严重问题的出现：

（1）存在严重的安全性缺陷；如果在侧围焊接过程中，出现了焊点击穿而没有及时修补的情况下，容易造成侧围焊点严重破坏，甚至在汽车高速行驶过程中，容易造成车辆严重损坏，对于人员的安全造成不可挽回的损失。

（2）影响汽车的生产效率；目前的生产产线都是智能化、集成化的生产线，如果出现了某一个焊点击穿，造成整个生产的进度滞后，则会严重影响生产进度。

因此，汽车制造厂商是十分关注该问题的解决进度，也投入了相应地研发经费和人力去采用最新的技术解决该问题。

3.3.2解决方案

针对焊点击穿问题对汽车整体性能的严重影响，目前存在以下解决方案：

（1）控制焊接过程各项参数；通过控制焊接过程中的各项参数，来保证焊接电路的电压值、电流值以及焊头的热量。

通过实时控制这些参数，保证在焊接过程中，避免焊点击穿的发生。

（2）智能实时检测手段；通过智能检测手段，保证出现焊点击穿问题发生后，能够及时增加补救工艺程序，确保焊接工艺线能够完整不间断进行。

第四章侧围焊接质量控制技术

4.1焊接质量控制技术

随着汽车制造技术向智能化、自动化发展，相应的质量控制技术也在借鉴计算机视觉技术、超声波技术等相关技术对焊点质量进行检验与控制。

其中，焊接质量控制技术是通过检测焊接参数和焊接过程中相关物理量的变化，来实时提供焊接数据的一种实时检测与控制的技术。

目前，在焊接领域，国内外研究机构与学者开展了许多研究，即希望采用相应的技术手段，实时获取焊点的质量信息，并且对获取的信息有一个智能化、信息化的判断。

近些年，一些数学理论学者，更是开展将神经网络技术等最先经的算法理论，应用到焊点的质量控制中，确保效率更高、破坏性更小、准确率更高。

焊接质量控制技术的发展对于汽车制造技术的发展有着重要的指导作用。

此外，能够保证在焊接程序的合理性。

4.2焊接质量检验

侧围焊接是一个复杂的工程，为了保证侧围焊接的质量，需要进行最后的质量检验过程。

在车身的焊接过程中，质量检验是必须的关键环节，也是防止有问题的车辆出厂的不可缺少的手段。

在焊接之前，通过检验相关的焊接环境和参数，实时采用关键的技术来调整相关参数，进而确保产品最后质量。

在焊接完成后，必须采取抽样的方法，进行性能疲劳测试。

测试方法可以选取破坏性检验，也可以采取非破坏性测试，如图4.1所示。

图4.1焊接质量检验

4.2.1人工检验与自动化检验

结合目前的工艺水平，人工检测往往是最直接、最廉价并且十分有效的做法。

工艺车间里有经验的师傅，经常结合自身的经验，对焊件上面的焊点扭曲、漏焊、虚焊等问题进行判断。

人工检验存在以下优点：

（1）检验效率高；人眼分辨率高，对于一些焊接质量问题能够快速地甄别出来，保证了检验的效率。

人眼的分辨率是比相机分辨率高，加上人的因素，能够快速地分辨出相应缺陷的位置。

（2）成本低；仅凭具有工作经验的老师傅就可以解决工件的质量问题，对于降低工艺成本，有着很大的作用。

但是，人工检验的局限性是显而易见的。

结合现有的技术，自动化检验是开展产品在线与自动化检验。

目前自动化检验使用的技术有：

AI技术、超声波技术、图像处理技术等。

自动化检验存在以下优点：

（1）识别率高；例如在进行尺寸检验的过程中，使用AI技术与图像处理技术能够将检验的过程大大地缩减，此外，识别率能够高达99.5%左右。

这也是目前汽车行业推广的智能制造的一个主要环节。

（2）能够在线检测；自动化检测可以作为工艺线一部分来进行检测，能够提高生产的效率，保证产品的实时生产、监控与质量检验。

4.2.2检验内容

（1）尺寸检验；主要是针对侧围的焊点位置、尺寸、质量等展开相关检验工作。

该参数的检验主要借助于计算机视觉技术来完成。

例如，可以通过CCD相机图像采集，以及后期的图像处理，完成焊点的位置精准定位，焊点尺寸大小的精准计算。

针对虚焊、漏焊、焊点缺陷等表面质量参数，采用超声波技术来完成参数的检验。

超声波检验的基本原理是通过发射高频声波，让声波在侧围部位传播，通过分析反射回来的声波波形来判断器件的质量。

使用超声波无损检验的手段，可以快速检测