焊接在汽車行業中的應用分析

  一、我國汽車行業產量和分布現狀

  中國的汽車工業誕生於1953年。毛澤東主席寫下「第一汽車製造廠奠基紀念」的題詞至今已走過了60年的歷程，汽車行業現在已經成為中國經濟的支柱產業之一。從汽車產銷量來看，中國汽車市場的高速發展改變了世界市場格局，中國汽車市場的年產銷量分別由2006年的728萬輛和722萬輛，迅速上升至2013年的2212萬輛和2198萬輛。如圖一所示。從工業總產值看，1998至2012年間，我國汽車工業總產值從2,787.3億元增加到3.58萬億元，佔全國工業總產值的比重從4.1%提高至4.5%。

 

圖1 2006年-2013年中國汽車產量

  數據顯示，汽車產量居前三位的省份為廣東省2542909輛、吉林省2342273輛、上海2268857輛，分別佔汽車行業全國總產量比重為10.65%、9.81%、9.50%，三地合計佔全國比重為29.36%。如圖2所示。

 

圖2 2013年中國汽車行業產量集中度情況

  二、我國汽車行業特點  1.依靠合資模式發展  改革開放後，我國正式把汽車工業列為國家支柱產業，並提出引入國外資金和技術力量，以合資的形式發展汽車產業的方針，確定了汽車工業「高起點、大批量、專業化」的發展原則。從此，我國汽車工業走上了合資發展的道路，大眾、標緻、福特等國外大型汽車企業開始與國內汽車企業對接，陸續成立了一些合資公司。  2.自主品牌發展快速，但與國際水平相比仍有差距  與國外知名品牌相比，我國自主品牌汽車仍然存在技術水平較低，生產企業及車型數量不集中，品牌影響力較小和產品附加值偏低等劣勢。  3.消費結構主要以乘用車為主  1980年前後，我國轎車年產量只有約5000輛，大部分的轎車市場需求只能靠進口解決。在確定以合資方式發展汽車產業的方針後，國家把轎車作為發展重點，2005年，我國乘用車銷量第一次超過商用車，2014年，我國乘用車產量接近2,000萬輛。2006年-2014年，我國乘用車市場的平均增速為20%左右，高於商用車市場9%左右的平均增速。  4.乘用車消費市場以小排量車型為主  隨著經濟發展和居民生活水平的提高，我國汽車市場的消費結構逐漸改變，汽車產品的消費屬性逐漸從以前的奢侈品轉變為一般消費品。作為家庭用車，考慮到居民可支配收入水平及油耗的因素，乘用車的車型結構趨向於輕型化、小排量化。  5.汽車零部件本土化  汽車行業具有全球化的特徵，自20世紀90年代以來，汽車零部件行業已經形成了全球生產、全球採購的體系，整車生產企業按照一定的原則在全球範圍內對汽車零部件實行統一採購。  三、汽車輕量化  1.汽車輕量化對現代汽車發展的重要意義  1.1汽車輕量化能夠有效節約油耗和減少排量  據相關資料介紹，一般情況下，車重每減輕1 kg，則1 L的汽油就可以使汽車多行駛0.011 km，也就是說汽車每運行10000 km，就能夠節省汽油0.7 L。與此同時，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了大氣中二氧化碳的排放量，車重減少50%，CO2的排放量就會減少13%。同時也減少了其他有害物質的排放，如氮化物、硫化物等，對提高環境的質量也起到了很大作用。  1.2汽車輕量化能夠提高汽車的行駛性能以及安全性能  減輕汽車的質量，可以提高汽車的行駛性能，根據美國鋁業協會提出車重每減輕25%，就能夠使汽車加速到96.56 km•h－1的時間從原來的10 s減少到6 s［6］;減輕汽車的質量，同時可以降低動力和動力傳動系統的負荷，能夠使汽車在較低的牽引負荷狀態下即可表現出同樣的或者更好的性能。  2.鋁合金材料在現代汽車生產中的應用  歐美國家的汽車工業很發達，而且很早就開始注重汽車的節能減排以及鋁合金在汽車輕量化上的重要作用。奧迪作為第一個真正將鋁帶入汽車輕量化量產階段的廠商在1994年就製造出了全球第1輛全鋁車表1列出了世界汽車工業在1980、1990、2000、2010年的汽車所用材料的組成比例。由表1可以看出，汽車工業在30年的發展中，鋼鐵、非金屬和其他材料的比例都在不斷下降;相反，鋁材的比例從1980年的4%提升到了2010年的29%，並還有上升趨勢，可以部分替代鋼材在汽車上的基礎地位。

 

 

  3.用於汽車上的鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。  鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多,可分為重力鑄造件、低壓鑄件和其他特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等。世界各國汽車工業用鋁合金材料的品種構成大體是相同  的。其品種構成:鑄件佔80%左右,鍛件佔1%～3%,其餘為加工材。表2為汽車用鑄造鋁合金的主要部件系統,表3是汽車用變形鋁合金的主要部件。

 

 

  四、新能源汽車的發展  新能源汽車包括混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、氫發動機汽車、其它新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產品。其中，混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車是中國新能源汽車三大主流發展方向。  2012年我國新能源汽車生產了12552輛，其中純電動汽車11241輛，插電式混合動力汽車1311輛。2013年中國新能源汽車生產了1.75萬輛，其中純電動汽車14243輛，插電式混合動力3290輛。2014年中國新能源汽車生產了1.75萬輛，其中純電動汽車48605輛，插電式混合動力29894輛。具體情況如圖3所示。  五、焊接在汽車上的應用

 

圖3 2012-2014年中國新能源汽車產量統計表（單位：輛）

  焊接是汽車製造鏈中的一項重要的加工環節。汽車的發動機、變速箱、車橋、車架、車身、車廂等六大總成都離不開焊接技術的應用。各種焊接方法「覆蓋」了從白車身、車架、底盤到懸掛系統、制動系統、轉向器、離合器、變速器直至車輪輪圈等部件的成形加工。各類己有的焊接單元技術和工藝方法,如電阻焊、氣體保護焊、螺柱焊、釺焊、摩擦焊、高能束焊等都得到應用。  1.1汽車製造工業所用的焊接方法  汽車是焊接應用面最廣的行業之一，所用的焊接方法也種類繁多，其主要方法如表4.

 

 

  1.2車工業中主要電弧焊接工藝應用方法的應用  目前，汽車的結構件焊接中，常會應用電弧焊工藝，使用較廣的是CO2氣體保護焊、熔化極氣體保護焊(GMAW)和鎢極惰性氣體保護焊(TIG)。MlG/MAG法是汽車工業中常用的一種焊接方法,它的主要優點表現在焊著率高、焊條或焊料成本低、填料金屬利用率高、可以實現半自動或全自動焊接、操作簡單、對其操作技術要求低、產生焊弧準時以及可減少煙氣的產生等。可以看到,高速度、高質量的堆焊以及清理工作量很小是MIG/MAG電弧焊法成為理想的焊接方法的關鍵。  MAG焊接方法主要使用的汽車部件如圖4所示。點焊主要用於車身部件，MAG焊接則不同，它多用於要求高強度的腳邊部件和形狀複雜的部件等。

 

圖4適於MAG焊接的代表性汽車部件。

  1.3焊接汽車零部件的焊接工藝  目前，在汽車生產製造中使用的焊接工藝有很多種，如CO2氣體保護焊、電阻焊、氬弧焊、電弧焊、雷射焊等。在這些焊接工藝中，CO2氣體保護焊、電阻焊具有生產量大、焊接變形小、效率高、便於操作、自動化程度高、低能耗等特點，比較適合汽車車身薄板覆蓋零部件以及車廂、車架和車橋等的焊接。  ①CO2氣體保護焊該焊接工藝主要用於汽車車身蒙皮、後橋、車架以及車箱等的焊接。  ②電阻焊點焊工藝是電阻焊的一種，具有操作快捷、生產效率高等優點，成為了白車身製造的主要焊接工藝，已經在汽車製造中得到廣泛應用，也是當前汽車用高強鋼的主要焊接方法[2]。在現代汽車製造中，白車身約有4000～5000個焊點。  ③汽車板的雷射焊接具有高能、高速、熱影響區小和焊縫質量高等優點，且焊接精度高，零件變形小，並能顯著提高車身的強度和剛度，已經在白車身的製造中得到廣泛應用。  ④MIG釺焊，對於鍍鋅板，由於鋅的熔點和沸點低，使用MAG熔化焊時，在電弧作用下，鍍鋅層易氣化和氧化，形成氣孔、未熔合及裂紋等缺陷。可以使用MIG焊對鍍層板實行電弧釺焊，選擇合適的保護氣體，優化焊接參數，減少熱量輸入，減少鋅的揮發，並降低內應力，達到減小板料變形的目的。  1.4鋁合金焊接技術在汽車製造中的應用  汽車用鋁合金可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量最多，佔80％以上，其中又分為重力鑄造件、低壓鑄造件和其他特種鑄造零件。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材及鍛件等。世界各國工業用鋁合金材料的品種構成雖然有一定的差異，但大體是相同的。其品種構成：鑄件佔80％左右，鍛件佔1％～3％，其餘為加工材。  相應的鋁合金焊接技術的種類比較多，除了直流脈衝MIG焊鋁技術以外，還有以下幾種：  交流TIG鋁焊  較好的熔深和清除氧化膜分別是正、負極性鎢極氣保焊的基本特性，使用交流電源的鎢極氣保焊在這兩種特性上取得了平衡，在正極性的半周，電弧有效地破除了附著材料表面的氧化鋁薄膜，而在負極性的半周，則將材料熔合。  交流脈衝熔化極氬弧焊(AC PMIG)  鎢極氬弧焊(TIG)  雖然可以焊接薄板，但是焊接速度低、變形大。脈衝熔化極氬弧焊直流且焊絲為正(DCEP PMIG)時雖然電弧穩定，熔滴過渡容易，但是電弧  鋁合金變極性等離子弧焊（VPPA）  鋁合金的雷射焊  直流脈衝MIG焊是一種應用較廣泛的高效焊接方法  雖然交流電源可以有效的去除氧化膜，但是在電流過零時，電弧難以再引燃，破壞電弧穩定性，所以通常採用直流反極性電源。P-GMAW方法即用於奧迪A8鋁構架的焊接中，見圖5。低頻調製型脈衝MIG焊接方法（雙脈衝）也被成功地應用於的摩託車鋁車架的焊接生產。

圖5用P-GMAW方法焊奧迪A8鋁構架

  1.5汽車行業對焊接自動化和焊接電源的需求  1.5.1汽車行業對自動化的需求  ①高效、高速、智能化焊接是現代焊接技術的發展方向,是實現現代化焊接的必由之路,焊接機器人在提高焊接質量、降低焊接成本、實現焊接自動化方面扮演著重要角色汽車焊接機器人的應用需求目前,在中國有30%的工業機器人應用於汽車製造業,其中50%以上為焊接機器人。  ②提高焊接過程自動化是一個系統工程,對焊接設備、焊接工藝/方法、焊接輔具等都有很多新的要求。為了實現高速、高效率焊接,對焊接電源的要求也逐步提高。  ③自動化、智能化焊接是大勢所趨。車身品種多、換代快,要求汽車焊接裝備更新快,並儘量實現柔性化生產,機器人焊接、塗膠、搬運等組成柔性化生產系統;  1.5.2汽車行業對電焊機企業的要求  不管是汽車整車還是零部件，基本上都涉及到焊接技術的應用。但是整車角度電焊機企業要想直接進入參與，一方面需要較強的品牌度和技術實力，另一方面還需要有一定的人脈資源，能夠在項目落戶之前甚至車企與地方政府談判初期就提前介入。這種競爭目標集中、涉及全球、難度很大。相反，如果從零部件配套的角度進入和參與，相對要容易一些，畢竟零部件配套涉及的企業數倍於整車企業，突破口多，競爭強度明顯弱於有限的整車市場。汽車行業對焊機的要求，如表5所示。

 

 

  六、麥格焊機在汽車行業的機遇和挑戰  基於對熔化極氣體保護焊接方法和工藝在國內汽車行業的應用了解，以及對麥格米特現有的和即將上市的產品，能更好的在國內汽車行業得到推廣和使用，需要從以下幾點切入。  1.二氧化碳低飛濺、低變形、高速焊工藝  汽車領域所使用的高強鋼，厚度最大不到2mm，要求焊後變形量小，強度高，成本低，易操作，易實現自動化。所以二氧化碳低飛濺工藝能夠好滿足用戶需要。  2.鍍鋅板材料焊接工藝  可以在現有的工藝基礎上開發MIG釺焊工藝。  3.MAG焊機與機器人配合滿足汽車製造的柔性自動化生產的需要。  4.雷射MAG複合焊在汽車領域的使用也越來越多，可以使焊機和雷射設備配合使用。  5.在新能源汽車領域  最近幾年新能源汽車發展迅速，產量大幅增加，越早進入越易立穩腳跟。  6.在汽車鋁及鋁合金材料焊接領域  因為最近幾年，由於鋁合金的重量輕，降低汽車油耗等方面特點，鋁合金的使用也越來越廣，根據市場變化需要，擴大鋁焊機在汽車領域的使用。