激光焊接在汽车行业上的运用

激光焊接在汽车行业上的运用激光焊接在汽车行业上的运用 摘要摘要 汽车已经成为现代最主要的交通工具 现代汽车不仅要求性能实用 还要 求经济美观 其中汽车焊接是将各种预先制作好的结构零部件 例如风挡玻璃 框架 门立柱 前后翼子板 前后围板和车顶等零部件通过焊接或铆接的方式 进行组合装配 采用良好的焊接技术工艺可以有效的减少焊点数量 优化材料 用量 降低零件重量 降低成本等 激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料 进行微小区域内的局部加热 激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散 将材料熔化后形成特定熔池以达到焊 接的目的 在汽车工业中 汽车激光焊 接是一种新型的焊接方式 可以进行车身拼焊 焊接和零件焊接等等 激光焊 接有焊接深宽比高 焊缝平整美观 焊后无需处理或只需简单处理 无气孔 可精确控制 定位精度高 易实现自动化等优点 因而汽车激光焊接在汽车行 业的发展迅速 成为发展最快的焊接技术之一 关键词 汽车焊接 激光焊接 一 一 汽车焊接基本种类及问题汽车焊接基本种类及问题 汽车工业中 焊接是汽车零部件与车身制造中的一个关键环节 起着承 上启下的特殊作用 同时 汽车产品的车型众多 成形结构复杂 零部件生产 专业化 标准化以及汽车制造在质量 效率和成本等方面的综合要求 都决定 了汽车焊接加工是一个多学科 跨领域和技术集成性强的生产过程 在目前汽 车零部件及白车身的制造中 主要的焊接方法有电弧焊 电阻点焊 气体保护 焊等等 就三种主要焊接方法进行优劣分析 1 1 电弧焊电弧焊 电弧焊是焊接发展最早 目前仍然应用最广的一种焊接方法 它是以外部 涂有涂料的焊条作电极和填充金属 电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间 燃烧 涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧 另一方面可以产 生熔渣覆盖在熔池表面 防止熔化金属与周围气体的相互作用 手弧焊设备简 单 轻便 操作灵活 可以应用于维修及装配中的短缝的焊接 特别是可以用 于难以达到的部位的焊接 手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢 不锈钢 铸铁 铜 铝 镍及其合金 缺点是劳动条件差 焊工的劳动强度大 并且始终处于高温烘烤和有毒的烟尘环境中 劳动条件比较差 因此要加强劳 动保护 生产效率低 焊条电弧焊主要靠手工操作 并且焊接工艺参数选择范 围较小 另外 焊接时要经常更换焊条 并要经常进行焊道熔渣的清理 与自 动焊相比 焊接生产率低 不适于特殊金属以及薄板的焊接 对于活泼金属 如 Ti Nb Zr 等 和难熔金属 如 Ta Mo 等 由于这些金属对氧的污 染非常敏感 焊条的保护作用不足以防止这些金属氧化 保护效果不够好 焊 接质量达不到要成 所以不能采用焊条电弧焊 2 2 电阻焊 电阻焊 电阻焊是工件组合后通过电极施加压力 利用电流通过接头的接触面及邻 近区域产生的电阻热进行焊接的方法 目前广泛应用于汽车制造中 在点焊 过程中 影响焊点质量的因素有 焊接电流 焊接压力 电极的端面形状 穿 过电极的铁磁性物质及分流等 特别在阻焊设备较多的焊接车间 同时工作的 焊机相互感应 对电网产生影响 导致焊接质量的稳定性和一致性较差 因此 电阻点焊控制技术显得尤为重要 目前 控制模式已由单模式控制发展为多模 式控制 调节参量已由初始的单变量调节发展为多变量调节 在焊接过程中可 同时对焊接电流 焊接时间和焊接压力进行调节 3 3 气体保护焊气体保护焊 用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊 简称气体保护焊 CO2 气体保护焊作为一种高效的焊接方法 以其焊接变形小和焊接成本低的特 点 在我国汽车业获得了广泛的运用 但 CO2 气体保护焊在实际应用中还存在 一些问题 以 CO2 气保焊中应用最为广泛的短路过渡形式为例 电弧电压 焊 接电流或焊接回路电感匹配不当 或焊丝干伸长度不合适 都可能造成焊接电 弧不稳定 飞溅以及未焊透等 对焊缝成形 焊缝的机械性能有较大影响 另 外 短路过渡焊接时对焊接电源的动特性要求很高 如果选型错误 稳定焊接 电弧的参数范围狭窄 会影响焊接的质量 二 二 激光焊接简介激光焊接简介 1 1 激光焊接的原理 激光焊接的原理 激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热 激 光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散 将材料熔化后形成特定熔池 它 是一种新型的焊接方式 激光焊接主要针对薄壁材料 精密零件的焊接 可实 现点焊 对接焊 叠焊 密封焊等 深宽比高 焊缝宽度小 热影响区小 变 形小 焊接速度快 焊缝平整 美观 焊后无需处理或只需简单处理 焊缝质 量高 无气孔 可精确控制 聚焦光点小 定位精度高 易实现自动化 2 2 焊接特性 焊接特性 焊接特性属于熔融焊接 以激光束为能源 冲击在焊件接头上 激光束可由 平面光学元件 如镜子 导引 随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊 缝上 激光焊接属非接触式焊接 作业过程不需加压 但需使用惰性气体以防 熔池氧化 填料金属偶有使用 激光焊可以与 MIG 焊组成激光 MIG 复合焊 实现大熔深焊接 同时热输入量比 MIG 焊大为减小 3 3 激光焊接的主要优点 激光焊接的主要优点 1 可将入热量降到最低的需要量 热影响区金相变化范围小 且因热传导所 导致的变形亦最低 2 32mm 板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格 可降低厚板焊接所需 的时间甚至可省掉填料金属的使用 3 不需使用电极 没有电极污染或受损的顾虑 且因不属于接触式焊接制程 机具的耗损及变形接可降至最低 4 激光束易于聚焦 对准及受光学仪器所导引 可放置在离工件适当之距离 且可在工件周围的机具或障碍间再导引 其他焊接法则因受到上述的空间限制 而无法发挥 5 工件可放置在封闭的空间 经抽真空或内部气体环境在控制下 6 激光束可聚焦在很小的区域 可焊接小型且间隔相近的部件 7 可焊材质种类范围大 亦可相互接合各种异质材料 8 易于以自动化进行高速焊接 亦可以数位或电脑控制 9 焊接薄材或细径线材时 不会像电弧焊接般易有回熔的困扰 10 不受磁场所影响 电弧焊接及电子束焊接则容易 能精确的对准焊件 11 可焊接不同物性 如不同电阻 的两种金属 12 不需真空 亦不需做 X 射线防护 13 若以穿孔式焊接 焊道深一宽比可达 10 1 三 三 汽车激光焊接原理汽车激光焊接原理 1 激光焊接的工艺特点 激光焊接的工艺特点 按焊接熔池形成的机理区分 激光焊接有两种基本模式 热导焊和深熔焊 前者所用激光功率密度较低 105 106W cm2 工件吸收激光后 仅达到表面 熔化 然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池 这种焊接模式熔深浅 深宽比较小 后者激光动车密度高 106 107W cm2 工件吸收激光后迅速熔 化乃至气化 熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底 使小 孔不断延伸 直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止 小孔随着激光束沿焊接方向移动时 小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方 凝固后形成焊缝 图 1 这种焊接模式熔深大 深宽比也大 在机械制造领域 除了那些微薄零件之外 一般应选用深馆焊 深熔焊过程产生的金属蒸气和保 护气体 在激光作用下发生电离 从而在小孔内部和上方形成等离子体 等离 子体对激光有吸收 折射和散射作用 因此一般来说熔池上方的等离子体会削 弱到达工件的激光能量 并影响光束的聚焦效果 对焊接不利 通常可辅加侧 吹气驱除或削弱等离子体 小孔的形成和等离子体效应 使焊接过程中伴随着 具有特征的声 光和电荷产生 研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系 和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控 具有十分重要的理论意 义和实用价值 由于经聚焦后的激光束光斑小 0 1 0 3mm 功率密度高 比 电弧焊 5 102 104W cm2 高几个数量级 因而激光焊接具有传统焊接方法 无法比拟的显著优点 加热范围小 焊缝和热影响区窄 接头性能优良 残余 应力和焊接变形小 可以实现高精度焊接 可对高熔点 高热导率 热敏感材 料及非金属进行焊接 焊接速度快 生产率高 具有高度柔性 易于实现自动 化 激光焊与电子束焊有许多相似之处 但它不需要真空室 不产生 X 射线 更适合生产中推广应用 激光焊接实际上已取得了电子束焊接 20 年前的地位 成为高能束焊接技术发展的主流 2 2 激光焊接设备 激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光器 导光系统 焊接机和控制系统组成 1 激光器 用于激光焊接的激光器主要有 CO2 气体激光器和 YAG 固体激光器两种 激光器最重要的性能是输出功率和光束质量 从这两方面考虑 CO2 激光器比 YAG 激光器具有很大优势 是目前深熔焊接主要采用的激光器 生产上应用大 多数还处在 1 5 6kW 范围 但现在世界上最大的 CO2 激光器已达 50kW 而 YAG 激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难 一般功率小于 1kW 用于薄小零件的微联接 但是 近几年来 国外在研制和生产大功率 YAG 激 光器方面取得了突破性的进展 最大功率已达 5kW 并已投入市场 由于其波 长短 仅为 CO2 激光的 1 10 有利于金属表面吸收 可以用光纤传输 使导光 系统大为简化 可以预料 大功率 YAG 激光焊接技术在今后一段时间内将获 得迅速发展 成为 CO2 激光焊接强有力的竞争对手 2 导光和聚焦系统 导光聚焦系统由圆偏振镜 扩束镜 反射镜或光纤 聚焦镜等组成 实现 改变光束偏振状态 方向 传输光束和聚焦的功能 这些光学零件的状况对激 光焊接质量有极其重要的影响 在大功率激光作用下 光学部件 尤其是透镜 性能会劣化使透过率下降 会产生热透镜效应 透镜受热膨胀焦距缩短 表面 污染也会增加传输损耗 所以光学部件的质量 维护和工作状态监测对保证焊 接质量至关重要 3 激光焊接机 它的作用是实现光束与工件之间的相对运动 完成激光焊接 分焊接专机和 通用焊接机两种 后者常采用数控系统 有直角坐标二维 三维焊接机或关节 型激光焊接机器人 四 四 激光焊接在汽车行业中的应用激光焊接在汽车行业中的应用 采用激光焊接可以给汽车制造业带来巨大的经济效益 如车身装配中的大 量点焊 把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接 凸缘宽度需要 16mm 而激光 焊接是单边焊接 只需要 5mm 把点焊该为激光焊 每辆车就可以节省钢材 40kg 用传统点焊焊接两片 0 8mm 的钢板冲压件 平均是 20 点 min 焊距是 25mm 即速度为 0 5m min 用激光焊速度可以达到 5m min 以上 采用激光 焊接技术 不仅降低成本 还大大提高了生产效率 目前 一套千瓦级的激光 加工机器人系统只要几十万美元 新型激光器的安全性和可靠性也得到了保证 其故障停机率仅 2 防护措施也极为可靠 激光焊接时需要工件接触面紧密吻 合 这在工艺上是不容易实现的 但目前先进的夹持方法和适合激光焊接的凸 缘设计使这一问题得到了解决 激光焊接技术的逐渐成熟使得各大汽车厂商无 一例外的将激光焊接应用到了汽车生产线上 美国是最早将高功率激光器引入汽车工业的 在美国汽车工业中心底特律 地区有40余家激光加工站 用于汽车金属件的切割和齿轮的焊接 使汽车的改 型从5年缩短到2年 美国通用汽车公司已经采用22条激光加工生产线 美国福 特汽车公司采用 Nd YAG 激光器结合工业机器人焊接轿车车体 极大地降低了 制造成本 2000年美国三大汽车公司已经有50 的电阻点焊生产线被激光焊生 产线所取代 在日本 激光焊接在生产线上成功的应用为世界所瞩目 如在汽 车车体制造中采用将薄钢板实施激光焊接后冲压成型的新方法 现在已为世界 上大多数汽车厂家所仿效 世界上很多著名汽车公司都建有专门的激光焊接专 用生产线 Thyssen 钢铁公司的轿车底板拼焊生产线 大众汽车厂的齿轮激光加 工生产线 奔驰汽车厂的18个厂房里有8个厂房安装了激光加工设备 激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊接和拼接坯板焊接 上 为满足市场和客户的需求 改善车身和制造工艺是十分必要的 而汽车的 车身价值约占汽车总价值的1 5 采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳 性都可以得到显著改善 提高汽车的品质 激光焊接由于采用计算机控制 所 以具有较强的灵活性和机动性 可以对形状特殊的门板 挡板 齿轮 仪表板 等零部件的焊接 也可以完成车顶和侧围 发动机架和散热器架等部件的装配 如果加上光纤传输系统和机械手 就可以实现自动化的汽车装配生产线 使用 3KW 左右的光纤传输的 Nd YAG 连续激光器 配合点焊系统 和生产线上的夹 具相配合 就可以达到自动化焊接的目的 通用 奔驰等都采用了这一系统应 用在最新的车型的生产线上 激光焊接系统几乎可以达到完美加工的要求 在 效率 经济 安全 强度 抗腐蚀性上都有优秀表现 一辆汽车的车身和底盘由300种以上的零件组成 采用激光焊接几乎可以把 所有不分厚度 牌号 种类 等级的材料焊接在一起 制成各种形状的零件 大大提高汽车设计的灵活性 拼接坯板就是在充分分析车身结构的基础上优化 部件设计 使之可以由少数的几种典型坯板焊接而成 这样大大降低了模具数 量 增加了材料利用率 而且可以在强度要求不同的部位采用不同厚度的坯板 可以一次冲压成型 减轻了重量 提高了精度 还使得抗腐蚀性和安全性能都 有大幅度提高 车身结构也大大简化 丰田公司的侧围生产线采用了拼接坯板 焊接技术 使得模具的数量降到四具 材料利用率达到65 加上其它的部件 使得每辆车的成本下降30多美圆 大大增加汽车生产商的效益 五 总结与展望五 总结与展望 激光焊接技术对传统的汽车焊接工艺带来了冲击性的影响 各大汽车公司 对此都抱有十分积极的态度 采用新技术就意味着更强的竞争力 特别是竞争 残酷的汽车工业 激光焊接技术在焊接铝材 用焊接件代替铸件以及全车身构 架结构焊接的应用前途最大 激光器生产厂家应该抓住商机 在激光器的可移 动性 体积等方面下功夫 用光纤传输激光 使激光器更适合汽车生产线的需 要 国内一些激光产品生产厂家已经逐渐意识到这一点 比如湖北光通光电系 统有限公司生产的脉冲 Nd YAG 激光焊接机利用光纤耦合聚焦 使用方便 激 光头可以远离焊接区 激光器性能稳定可靠 寿命长 也可以使用传统的光学 传统系统 激光器既可以激光焊接 也可以激光切割和打孔 一机多用途 特 别适用于激光加工车间和自动化生产线 2