激光焊接,结构胶接,用于白色车身总成

竞争或互补的加入方法?

制造商2007年5月

通过Johnny Larsson

选择最先进的白车身(BIW)工程和制造中的最佳连接方法是一项艰巨的任务。考虑到这一点,原则上,一个车身工程师只有三个参数可以组合,以获得最佳的几何形状解决方案,材料,而连接方法的选择,则是必要的。这就解释了为什么新的装配技术最近受到了广泛的关注,并且正在以牺牲传统焊接方法为代价稳步发展。


考虑可用连接方法的调色板(请参见图1)对于设计工程师来说,为每个应用选择最合适的连接方法是很容易理解的。因此,it may be useful to review what a BIW joint's purpose is.

简单地说,连接的主要目标是将单独的组件连接到功能结构上。此外,the joint must balance the properties of the materials it connects so that the assembly becomes as strong as possible,从而减轻车辆重量,优化燃油效率。

对不同的车身部件和总成采用哪种连接方法提出建议是一项具有挑战性的任务。多年来,已尝试创建一般规则。例如,对于1999-2000年发布的车辆,Volvo Cars was using traditional spot welding as the reference standard from which to evaluate the positives or negatives of alternative joiningmethods on various body properties and attributes.

激光焊接,粘合连接连续线

随着焊接频率的增加,有两种焊接方法:激光束焊接和结构胶接。They both offer long,连续的粘合线,因此可以被认为是相互竞争的方法。

了解这两种技术的优缺点,可以决定哪种白车身应用更适合激光焊接或粘合,为工程师提供设计指南和建议。

Assembling car body parts using either laser welding or structural adhesive bonding provides some advantages.因为它们产生了连续的键线,它们为部件之间的负载转移创建了一个更大的区域。This larger load transfer results in better crash performance,提高耐用性,and improved torsion and bending stiffness.That,in turn,可以降低材料厚度并减轻重量,while maintaining good car body performance.

Body in white assembly diagram figure 1

图1白车身装配过程中目前使用的连接方法多种多样。

In the case of traditional unitized car body structures,使用激光焊接和粘合都有助于通过使用高强度钢(HSS)实现重量节约。

激光焊接

如今,世界各地的汽车制造商生产的大多数车身都至少有两个激光焊接部件(参见汽车制造商使用激光焊接

激光焊接的优点

单侧访问。激光焊接的一个主要优点是只需要单侧进入连接位置,与传统电阻点焊(RSW)相反,它与上下电极一起工作。这为全新的设计方案提供了可能性;然而,要真正利用这些新的激光焊接设计方案,还需要一种开放的设计方法。例如,激光焊接典型的RSW法兰没有意义,因为这种类型的布局是为点焊枪访问而优化的,并且不会受益于窄激光焊接的可能性。Single-sided welding must take into consideration the necessity to reach fixture arrangements,such as pressure devices and fixed clampings,在重叠配置中,在板材组件之间创建最小的焊接间隙。


看不见的关节。通过将激光焊接定位在板材边缘,或者结合某种类型的光阱结构使用激光钎焊技术(参见图2)可以创建几乎不可见的关节。这给人的印象是门等领域的工艺,行李箱盖,和尾门孔。

材料减少。激光焊接的另一个优点是它需要的法兰比点焊需要的小孔,如侧门开口小。在正确的法兰设计下,从16 mm减径至6 mm减径为10 mm是可行的。Not only do such narrow weld flanges reduce weight and improve visibility,它们还允许增加支柱的体积,悬臂,以及密闭空间中的碰撞,增加了刚度和强度。后者,当然,也是连续焊缝的结果,哪一个,in this respect,优于间歇RSW间距。This,in turn,使板材组件能够向下测量,同时保持与较重的点焊相当的性能。

从制造业的角度来看,the high process speed is favorable because it improves productivity,缩短循环时间,可用于减少车身车间昂贵的地板空间。但是,高的加工速度也会减少热量输入,降低零件变形,哪一个,in turn,帮助提高最终产品的准确性和质量。

激光焊接的缺点

投资成本高。尽管听起来激光焊接可能是白车身装配的最终工具,some drawbacks exist.一个明显的缺点是安装设备齐全的激光焊接电池的高投资成本。因此,重要的是,车身设计应使增强的性能和性能能够证明更高的投资成本。

精密公差。It is also important to bear in mind that laser welding puts more stringent requirements on parts and positioning tolerances to ensure a successful result.在早期的汽车激光历史中忽视这一点导致了许多故障。

具体修理方法。Finally,因为激光焊接是一种比较新的连接方法,必须使用专门为激光焊接设计的修复技术。

结构胶接

粘合似乎是当今欧洲汽车制造商的话题。In reality,他们正在讨论焊接/粘合问题,其中,在热固化粘合剂在油漆过程中硬化至最大强度之前,先进行点焊,以准确地定位和固定零件。

粘合剂陷阱设计图3

图3附着式陷阱设计(从左到右平面,right-angle,倾斜)防止在油漆和固化过程之前的清洁步骤中发生粘合剂冲洗的风险。

Today the most commonly used adhesives are epoxy-based,但随着环境问题日益突出,正在进行密集的研发,以期开发出更环保的产品。橡胶基替代品。The presence of about 132 to 231 feet (40 to 70 meters) of epoxy adhesive in a modern car body structure is considered more or less "state-of-the-art." Current examples include theAudi A4® and A6® models,宝马5和7-Reihe®,奔驰E-,S- and CLK-Klasse®.

结构胶接优点

防止裂缝。Adhesive bonding is a well-known complement to help resolve problems with cracks around spot welds occurring as a result of fatigue loads.Distributing the stress forces over a larger area reduces the stress concentration on the spot welds.因此,可以在不影响疲劳性能的情况下减小板件厚度,减少点焊数量。This,in turn,车身车间需要的焊接机器人更少,在新的自动化设备和公用设施(如电力和冷却水)方面的投资大大降低了成本。

NVH。Replacing otherwise necessary sealant materials with adhesive automatically achieves a double functionality.这样做不仅密封了水,它还能改善噪音,振动,和严厉(NVH)。在这里,这种粘合剂不仅能抑制空气中的噪声分布,由于其刚度,它还可以帮助减少临界频率下的车身振动。

性能。正在开发从工程角度来看可能具有吸引力的特制粘合剂,williamhill彩票例如,提高疲劳和碰撞性能。

结构胶接缺点

环境影响。目前使用胶粘剂的缺点主要与工作环境有关。因为粘合剂的长期危害,最初提出了一些问题,似乎已经被证实了。使用环氧粘合剂的一个问题是它们会引起皮肤过敏。Environmentally conscious automakers have fully robotized theapplication of structural adhesives.通过精确的挤压,excessive amounts of adhesives that could contaminate equipment and personnel can be avoided.后加热操作,比如补焊,在存在粘合剂的区域应避免。

Section height diagram figure 5

Figure 5Section height within a restricted space can be gained by using minimum flange length and laser fillet welding.


冲洗。另一个缺点是,在油漆和固化过程之前的各种清洁步骤中,存在所谓的粘合剂冲洗的风险。由于粘合剂在这种状态下没有固化,重要的是要将其固定到位,以保持预期的产品改进。This can be done either by smart adhesive trap designs (see图3),或者特别重要的应用,把粘合好的零件放在车身车间的预热炉里。

结论和建议

考虑到已概述的激光焊接和粘合的优缺点,对于每种方法的使用时间,可以给出一些明显的建议。然而,在某些情况下,选择并不那么明确,特别是在复杂的负载和抵消产品特性时,如结构构件的横截面。

到目前为止,还没有证据表明动态碰撞载荷的连续激光焊接有所改善。Where loads are parallel to the weld seam—which is the case in the axial compression of front side members at frontal (head-on) or offset (40 percent overlapping of the impacting car's front) accidents,例如,这很容易理解。力集中在激光焊接开始或结束时非常小的焊接宽度处,so the risk that the narrow weld may just unzip is obvious.

[图片8]

然而,即使使用点焊来降低激光焊接末端的应力集中,也不能改善碰撞性能。唯一剩下的选择,然后,是通过使用远程焊接技术来配置激光焊接模式,6以便以更优化和控制的方式吸收碰撞载荷。然而,在依赖这些假设之前,必须进行进一步的研究。

更难解释的是,在四点动态弯曲中,激光焊接与粘合法兰相比表现不佳(参见williamhill彩票图4)本研究中使用的“单帽”梁有17 mm,平法兰,这是点焊法兰的标准。它们也足够宽,可以用10毫米宽的粘合剂牢固地连接在一起。

仅从激光焊接部件来看,连续激光焊接比断续缝焊表现更好,全熔透的搭接焊性能优于角焊缝。令人困惑的是,然而,点焊部件(间距为40 mm)的强度几乎与连续激光焊接部件相同。同样令人困惑的是,在这种加载情况下,粘结梁可以更好地形成,即使键宽仅为规定值的50%。

可以得出结论,对于截面相等的结构梁或构件,胶接实现了更大的负载分布区域,因此,在耐久性和耐撞性方面,它总是优于激光焊接。

[图片9]

然而,如本文前面所述,the geometric shape is another way to improve the body performance.结构构件的较大横截面将始终提供更好的刚度,疲劳,和能量吸收比一个连续的关节。这是通过激光焊接沃尔沃C70®敞篷车的地坎总成成功实现的(参见图5)激光角焊,上下焊接法兰已最小化,so it is possible to increase the height of the sill section without interfering with surrounding exterior design areas.这有助于提高该车辆的整体扭转刚度,即12.7千牛顿米(knm)/度。

Joining Selection Rules of Thumb

为了总结使用激光焊接或粘合的建议,可以给出以下经验法则:

  • Flange Width Reduction <-- Laser Welding
  • 新的单边存取设计<--激光焊接
  • 隐形接头<--激光钎焊
  • 扭转刚度<--胶接
  • 疲劳改善<--胶接
  • 更好的碰撞性能<--粘合

规则可以更简化:

  • 车身底部<--粘合
  • Upper Structure <-- Laser Welding

后者,当然,取决于车身车间中的装配顺序,可能在某种程度上是特定于应用程序的。

一方面,由于粘合总是需要一定的法兰宽度来固定牢固的连接,它应该用于车身底部应用,其中翼缘宽度减小是次要问题。同样,限制对车身底部法兰使用粘合剂可防止操作员和设备受到未固化粘合剂挤出的污染,尽可能的从上体法兰。

另一方面,激光焊接窄法兰的能力在上部结构中提供了最大的好处,在那里能见度和进入人体工程学是最重要的。也,将激光焊接操作集中在上部结构上限制了所需的激光站数量,这有助于控制激光投资成本。

笔记:

  1. J.K.拉尔森,“激光焊接作为白车身总成中的一种竞争性连接方法——一份具有互补未来挑战的汽车最新报告,”在第10届北欧激光制造工艺(NOLAMP)会议的会议记录中,皮特,August 2005.
  2. J.K.拉尔森,“JKL成功激光焊接设计指南”,瑞典焊接委员会年度大会,Lule瑞典,2006年5月。
  3. J.K.Larsson和N.帕姆奎斯特,“在新沃尔沃C70敞篷车上进行广泛的激光加工,”在汽车激光应用研讨会(ALAW)的会议记录中,普利茅斯,Mich.2006年3月。
  4. J.K.拉尔森,“如何在轻量化和混合材料的情况下解决装配问题——今天和明天车身连接方法的多样化选择,”2006年Transpac会议记录,圣塞巴斯蒂安,西班牙,2006年10月。
  5. R.Khezri,“具有交替启动和停止的激光焊接的疲劳特性,”Kimab,斯德哥尔摩,瑞典(腐蚀与金属研究所)报告将于2008年3月出版。
  6. J.K.拉尔森,“适应负载的激光焊接模式第2部分:耐碰撞性能”,在第10届北欧激光制造工艺(NOLAMP)会议记录中,皮特,瑞典,August 2005.
Johnny Larsson是主管,先进的身体概念,沃尔沃汽车公司高级车身工程,Dept.93711 PV2A60,405 31格特堡,瑞典,46-31-325-24-48。

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制造商是北美金属成形和制造业的领先杂志。杂志上有新闻,技术条款,以及使制造商能够更有效地完成工作的案例记录。制造商自1971年以来一直服务于该行业。

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