自行车车架焊接的自动化发展研究

肖磊 吴宗江 杨丽 高党寻 耿娜

（1.中国自行车协会 北京 100079；2.清华大学基础工业训练中心 北京 100084；3.江苏师范大学电气工程及自动化学院自动化系 江苏 221116）

1 前言

中国自行车行业经历了由小到大、由弱变强的跨越，经历了抗击国际金融危机，依然保持平稳健康发展的挑战。行业经历了调整振兴、转型升级、转向高质量发展的变革，整体面貌发生了巨大变化，创造出了辉煌的业绩，成就了世界自行车生产大国、出口大国、消费大国的地位。面对不利因素，行业团结一致，奋力拼搏，取得了疫情防控和行业平稳发展的双重胜利。根据各主产区行业协会调查统计并结合国家统计局规模以上企业数据，2020 年，我国自行车产量为7 527.5 万辆，同比增长15.8%；2020 年，我国自行车出口6 029.7 万辆，同比增长14.8%；2020 年，我国自行车出口额为36.48 亿美元，同比增长28.1%。

焊接是自行车加工中必不可少的一种工艺方法，在自行车制造中有着广泛的应用。在自行车的零部件制造中，常用的焊接方法有点焊、气焊、焊条电弧焊、手工氩弧焊、自动氩弧焊、手工CO2气体保护焊、自动CO2气体保护焊、激光焊、钎焊等，其中气体保护焊工艺经常与自动化设备相结合，组合成机器人自动化焊接生产工作站，具有自动化程度高、工件质量稳定、焊接生产效率较高等特点，被广泛应用于各主要自行车生产厂家。

2 自行车焊接新技术的应用

2.1 CO2气体保护焊（MAG）

CO2气体易于生产，成本较低，价格便宜，是最理想的焊接保护气，因此成为各个自行车生产厂家最常用的焊接保护气体。厂家在使用常规焊接电源时，采用短路过渡技术焊缝成形良好，但焊接熔滴过渡方式易产生焊接飞溅，所以一般会采用优质焊机，选取合适的参数，以使飞溅降低到最小的程度。CO2气体保护焊与焊接机器人相结合，可实现自行车车架或零部件的自动化焊接。青岛职业技术学院的毛现艳等人通过采用仿真软件对自行车车架后三角自动化焊接进行设计与仿真，根据生产线布局，设计自行车车架工件的焊接工艺流程；通过建立生产线布局，设计焊接工艺流程，并利用西门子Process Simulate 软件对自行车车架后三角按照焊接流程进行仿真测试。仿真验证，证明对自行车车架后三角实现自动化焊接的设计方案是可行的。这对于以后实现自行车车架后三角自动化焊接的升级改造具有借鉴意义[1]。

2.2 熔化极惰性气体保护焊（MIG）

在焊接保护气中添加氩气或氦气气体保护焊接的工艺，被称为熔化极惰性气体保护焊，简称MIG。这种焊接方法是利用氩气或富氩气体作为保护介质，采用连续送进可熔化的焊丝与燃烧于焊丝工件间的电弧作为热源的电弧焊。这种焊接方法的焊接质量稳定可靠，适于焊接铝、镁、钛及其合金等有色金属车架及零部件，焊接生产率高。采用自动化焊接时，焊接过程参数稳定，易于检测及控制。与CO2气体保护焊相比，MIG 具有以下的优点：在氩气或富氩气体保护下的焊接电弧稳定，焊缝成形均匀、美观。电弧气氛的氧化性很弱，甚至无氧化性，减少了焊后表面处理的工作量，提高了焊接效率。MIG 焊接铝、镁等金属是采用直流反接方式，具有良好的阴极雾化作用，可有效去除金属表面的氧化膜，提高接头的焊接质量。

在使用MIG 焊接车架时，操作人员需注意脉冲焊的质量，保证上管和下管的焊道能够焊透。根据江苏检验检疫自行车检测中心袁兴启、王景的研究，当车架采用脉冲焊接方式时，如焊接时渗透严重不足，焊接热影响区有轻微过热迹象，则焊接件的疲劳测试寿命严重不符合标准要求。根据自行车行业的经验，脉冲焊接制作车架易存在强度不足等缺陷，故不推荐在车架焊接时使用脉冲焊[2]。

2.3 非熔化极惰性气体保护电弧焊（TIG）

非熔化极惰性气体保护电弧焊简称TIG，是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。焊接时，保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区产生有害影响，从而可获得优质的焊缝。保护气体可采用氩气、氦气或氩氦的混合气体，操作人员可以采用手工焊及自动焊两种方式，焊接铝、镁及其合金时一般都采用交流电源。钨极氩弧焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，在自行车行业中通常多用于焊接铝合金车架、镁合金车架以及钛合金车架等生产附加值较高的中高端自行车。湖南机电职业技术学院的易传佩通过基于焊接数值分析软件SYSWELD，模拟了铝合金电动自行车车架前管和连接管的钨极氩弧焊过程，其研究结果可为铝合金车架实际焊接生产中制定残余应力的防治措施提供依据[3]。

3 自行车焊接新材料的发展趋势

自行车车架的发展始终朝着高强度轻量化的方向前进，新的材料不断地应用在传统自行车上，铝合金、镁合金、钛合金和碳纤维等材料在不断地取代传统的碳钢车身材料。新材料的应用，也对焊接提出了更高的要求。

3.1 铝合金焊接

铝合金车架具有质量（重量）轻、塑性好、耐腐蚀等优点，在自行车行业应用较多。自行车所使用的铝合金多数 为6000 系（A-l Mg-Si）和7000 系（A-l Zn-Mg-Cu）两种。日本生产的部分自行车的车架、车把是用冷拉的5056 铝合金无缝管制作的[4]。

铝合金焊接时，由于材料的热导性较好，因此其热输入量应相较钢材焊接时的热输入量大。由于铝合金表面有一层致密的氧化膜，如焊接时未将氧化膜彻底清除，将会在焊缝中形成焊接缺陷。采用钨极氩弧焊的方式焊接铝合金时，操作人员可采用交流电源，在具有较高的热效率和钨极承载能力的同时，可借助“阴极破碎作用”清除铝合金表面上的氧化膜，使焊接得以顺利进行，并获得光亮美观的焊缝表面，因此钨极氩弧焊在铝合金车架焊接中应用较多。

3.2 镁合金焊接

镁合金具有低密度、高比强度和高比刚度等性能，因此其比大多数的金属材料更适合应用于运动部件上。同时镁合金具有优异的变形及能量吸收能力，用于与人体直接接触的部件时可以加强使用的舒适度，因此镁合金已作为结构部件广泛应用于自行车轮毂、车把夹、脚踏板、手把、前叉、车架等部件。国内外知名自行车生产厂商都开始提供镁合金部件。我国的自行车生产厂商已将大量镁合金零部件应用于自行车中高档产品上[5]。

镁合金焊接性能较差，且添加不同元素的镁合金的焊接性能有差异，焊接时需要提供很好的气体保护，否则易被空气中的氧气、氮气等氧化；镁金属在高温下易蒸发（镁的沸点为1 100 ℃）、热膨胀系数大，因此焊接过程中会出现较大的应力变形和裂纹，需在焊接时注意控制焊接热输入量。镁合金的焊接一般采用钨极氩弧焊的方式。

3.3 钛合金焊接

钛合金具有质量（重量）轻、强度高、韧性好、耐腐蚀等特点，近年来越来越多被应用于高端自行车上，是自行车高端化的标志。

钛合金的焊接对于保护气体的条件要求特别高，少量的N2或O2即可使钛合金焊缝接头变脆，因为钛合金的焊接必须采用纯度较高的惰性气体进行保护。钛合金可采用钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和激光焊等方式焊接。

4 自行车焊接发展趋势

2020 年虽受疫情影响，但我国自行车生产量及保有量均保持稳定增长。预计2021 年自行车市场仍将保持稳定增长，总产量略有上升，整体市场将继续维持稳定。

综合分析，自行车未来的焊接发展方向依然为自动化和高精度机器人焊接工作站，弧焊机器人的应用将在自行车制造行业得到更大规模的应用。计算机焊接模拟软件和有限元分析的应用，将为自行车产品焊接质量的稳定和行业新品的研发，提供更为有力的保障。