汽车焊装自动化生产线典型工艺 课件 项目8：车身激光焊接工艺

项目8车身激光焊接工艺目录8.1激光焊特点及原理5.2激光焊设备及工艺5.3激光焊的安全防护5.4激光焊在汽车行业的应用8.1激光焊特点及原理1.激光焊特点。

激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、功率密度和重复频率等参数，使工件熔化形成特定的熔池。激光焊接可以焊接难以接近的部位，施行非接触远距离的焊接，具有很大的灵活性。激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工，为更精密的焊接提供了条件。例如，可用于汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、等各种不允许焊接变形和污染的器件以及密封器件。图机器人激光焊（1）高能量密度。（2）精细及超距焊接。（3）非接触式焊接。（4）透明封闭玻璃器中焊接。（5）高熔金属、陶瓷等非金属焊接。8.1激光焊特点及原理2.激光焊原理。

激光焊接的基本原理是将激光器产生的高能激光束聚焦到一个非常小的点上，该点的能量密度极高，能够迅速加热、熔化或汽化金属表面，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化形成特定的熔池从而实现材料的连接。图激光焊接系统示意8.2激光焊设备及工艺1.激光焊设备组成。

激光焊设备主要包括激光器、光束传输和聚焦系统、气源(保护气体)、喷嘴、焊接机器人、冷却装置、送丝机（激光钎焊）、焊接定位夹具、机器人系统、密闭激光防护间等图激光焊接系统示意8.2激光焊设备及工艺(1)激光器。激光器是激光设备的核心部分，与传统的气体和固体激光器相比，近年来发展的光纤激光器具有如下特点。①玻璃光纤制造成本低、技术成熟且光纤的可绕性带来小型化、集约化的优势。②光纤具有极高的表面积体积比，散热快、损耗低、转换效率高、激光阈值低。③光纤激光器谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性等特点。④具有高功率和高的光电效率，10kW光纤激光器综合光电效率达20%以上。⑤体积小、寿命长、易于集成系统，易于实现激光的远距离传输，且在高温、高压、高振动、高冲击的恶劣环境中均可正常运转。(2)光束传输和聚焦系统光束传输和聚焦系统又称外部光学系统，由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，用来把激光束传输并聚焦在工件上，其端部安装提供保护或辅助气流的焊炬。(3)气源(保护气体)保护气体对于激光焊接而言是必要的。在大多数激光焊接过程中，保护气体都通过特殊的喷嘴输送到激光辐射区域。8.2激光焊设备及工艺(4)喷嘴喷嘴一般设计成与激光束同轴放置，常用的是将保护气体从激光束侧面送入喷嘴。典型的喷嘴孔径为4～8mm,喷嘴到工件的距离为3～10mm。一般保护气体压力较低，气体流速为8～30L/min。(5)机器人系统激光焊机器人控制系统，配合焊接夹具主要用于实现激光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接。(6)电源为保证激光器稳定运行，均采用响应快、恒稳性高的固态电子控制电源。8.2激光焊设备及工艺2.激光焊熔透状态特征及焊缝形成特点（1）激光焊的熔透状态特征。

激光焊的熔深是指焊接过程中被激光熔化的工件厚度。一般情况下认为小孔深度即为熔深，因此往往将小孔穿透工件等同于熔透。实际上，由于小孔周围存在一定厚度的液态金属层，可能存在小孔未穿透工件但工件已被熔透的情形。通过对激光焊接过程和焊缝背面熔透状态的分析，可以确定激光深熔焊存在以下几种熔透状态，如下图所示：图激光焊缝的四种熔透状态示意8.2激光焊设备及工艺①未熔透。焊接过程中小孔及其下方的液态金属都没有穿透母材(工件),在工件背面看不到金属被熔化的任何痕迹。②仅熔池透。焊接过程中小孔已接近工件的下表面，但尚未穿透工件，而小孔下方的液态金属则透过工件背面。③适度熔透(小孔穿透)。焊接过程中小孔刚好穿透工件，此时小孔内部的金属蒸气会向工件下方喷出，其反冲压力会使液态金属向小孔四周流动，导致熔池背面宽度明显增加，焊接后形成背面熔宽均匀适度且基本无堆高的焊缝。④过熔透。焊接过程中由于过高的热输入使小孔不仅穿透了工件，而且小孔直径及其周围的液态金属层厚度明显增加，导致熔池过宽(明显大于适度熔透状态下的背面熔宽),甚至造成焊缝表面凹陷等。上述四种熔透状态中，适度熔透(小孔穿透)状态是理想的熔透状态，因为此时小孔穿透工件，可以保证焊缝完全熔透，同时熔池又不至于过宽而导致焊缝表面的凹陷。因此适度熔透(小孔穿透)状态可作为熔透检测与控制的基准。8.2激光焊设备及工艺(2)激光焊的焊缝形成特点。①常规熔焊焊缝特点。②自震荡效应。③热输入量集中、冷却快、晶粒细化。④单面施焊。图激光深熔焊示意图动态焊缝的截面状态8.2激光焊设备及工艺3.激光焊质量主要影响因素图影响激光钎焊质量因素8.2激光焊设备及工艺4.激光熔焊工艺激光焊是利用激光作为热源，把接头部门的被焊工件熔化形成共同熔池，熔池中的金属冷却形成连接接头。激光焊较多采用的是对接接头和搭接接头。图常见的激光焊接头形式8.2激光焊设备及工艺5.激光钎焊工艺激光钎焊是以激光为热源加热钎料使其熔化的钎焊技术。激光钎焊的主要特点是利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热完成钎焊过程。钎料液相线温度低于450℃的称为软钎焊，主要用于印制电路板与电子元器件的连接；钎料液相线温度高于450℃而低于母材金属熔点的称为硬钎焊，主要用于结构钢和镀锌钢板等的连接。卷边对接接头搭接对接接头8.2激光焊设备及工艺5.激光钎焊主要工艺参数1）激光功率。CO₂激光器和YAG激光器都可以用于激光钎焊，钎焊时它们各自的特点与激光熔化焊相同。2）光斑直径。激光钎焊通常采用散焦光斑，光斑大小取决于钎缝宽度。3）钎焊速度。根据实际钎焊的要求确定，取决于激光功率，激光功率越大，钎焊速度越快。4）送丝速度。其大小主要考虑钎缝填充和良好成形，送丝速度与钎焊速度应匹配，提高钎焊速度的同时应提高送丝速度。8.2激光焊设备及工艺6.铝合金的激光焊铝合金激光焊的主要困难是它对激光束的反射率较高。焊接时必须采用高能量密度的激光束，对激光器的输出功率和光束质量有较高的要求，因此铝合金激光焊有一定的技术难度。铝合金激光焊的主要问题：（1）气孔。（2）热裂纹、（3）咬边和未熔合。激光焊气孔8.3激光焊焊接防护1.对激光加工设备的安全防护。①激光加工设备要可靠接地，电气系统外罩的所有维修门应安装有联锁装置，电气系统外罩应设置相应措施以便在进入维修门之前使内部的电容器组放电。②激光加工设备应有各种安全保护措施，在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号③激光加工的光路系统应尽可能全部封闭④光路应设在较高的位置，避开人的头部⑤工作台应采用玻璃等材质的防护装置屏蔽，以防止激光的反射。⑥进行激光加工的场地也应设有明显的安全标志，并设置栅栏、隔墙、屏风等，防止与工作无关的人员误入危险区。机器人激光焊焊接防护8.3激光焊焊接防护2.对人身的防护。①现场操作人员和工作人员必须配戴对激光不透明的防护眼镜，其滤光镜要根据不同的激光器(因光的波长不同)选用，它能选择性地衰减特定波长的激光。CO₂激光的波长为10.6μm,它透不过普通玻璃，可配戴有侧面防护的普通眼睛或太阳镜。②操作人员应穿由耐火及耐热材料制成的白色工作服，带激光防护手套和激光防护面罩，以减少激光漫反射的影响。③激光焊接、切割或熔覆等加工场所应配备有效的通风或排风装置。④操作人员必须熟悉激光的特性和操作安全知识，只允许有经验的工作人员操作激光器和进行激光加工。机器人激光焊焊接防护8.4激光钎焊在汽车行业的应用车身激光钎焊广泛应用于国内外知名品牌汽车主机厂，如奥迪系列车顶、后盖等焊接，上海大众PASSAT顶盖焊接等等。奇瑞等国产品牌也已经有了先进的激光钎焊设备。并且，很多整车厂商都把运用了激光钎焊工艺作为吸引消费者的技术优势。可以预见，激光钎焊凭借其美观、高效、高强度和质量稳定等突出特点必然在国内外汽车行业获得巨大的发展空间。机器人激光焊焊接防护8.4激光钎焊在汽车行业的应用1.激光钎焊工艺规划方案。（1）规划目标：机器人后盖外板激光钎焊的工位,混流生产时节拍为60s。（2）工艺过程：将A车型后盖外板上板和下板放置到工装上,固定住工件,机器人进行激光焊接，焊后人工取下A车型焊后外板。A车型焊缝总长为1400毫米。（3)工艺方案：新建激光钎焊工作站，配置激光房、输送设备、工件夹具(ABB结构)等物资，配置一台机器人用于激光钎焊，提供一台激光焊头,一台光源（4kw)。与后续车型混流生产时节拍为60s。后盖上下板8.4激光钎焊在汽车行业的应用2.激光钎工作站。①激光发生器②循环冷却系统③焊接光缆④热送丝系统⑤激光头⑥除尘系统⑦机器人⑧钎焊夹具图激光钎焊工作站主要构成8.4激光钎焊在汽车行业的应用（1）激光房房体图激光房房体8.4激光钎焊在汽车行业的应用（2）激光发生器图激光发生器8.4激光钎焊在汽车行业的应用（3）循环冷却系统图冷却循环系统8.4激光钎焊在汽车行业的应用（4）焊接光缆图激光焊光纤8.4激光钎焊在汽车行业的应用（5）热送丝系统图热送丝系统8.4激光钎焊在汽车行业的应用（6）激光钎焊头图激光头与焊缝8.4激光钎焊在汽车行业的应用（7）除尘系统图二层平台之上的除尘系统8.4激光钎焊在汽车行业的应用3.激光钎焊线维护（1）线体设备点检要求1）冷水机8.4激光钎焊在汽车行业的应用2）激光光源8.4激光钎焊在汽车行业的应用3）激光光纤8.4激光钎焊在汽车行业的应用4）热送丝系统8.4激光钎焊在汽车行业的应用5）激光钎焊头8.4激光钎焊在汽车行业的应用6）除尘系统需定期维护内容1清理集尘器半年注意事项2除尘系统可每周开启一次，除尘时间不小于3小时。除尘过程中，不生产操作。8.4激光钎焊在汽车行业的应用（2）线体设备维护操作及注意事项1）冷水机开关机主要内容操作步骤1、搬动红色开关旋钮，打到打开位置2、观察显示屏温度显示是否正常显示（开始时读数应在16-25℃之间，5分钟内逐渐稳定在18℃左右）3、查看水压表显示是否正常（开机时，压力初始应在4-5bar之间，逐步稳定在4.5bar左右，黑色指针低于红色指针时，表示水压低于正常工作要求，需清理维护）4、确认正常方可离开5、关机时，将红色旋钮打到关闭位置即可注意事项1、水压正常，显示温度稳定在18℃左右后，再开激光光源8.4激光钎焊在汽车行业的应用2）补去离子水项目主要内容操作步骤1、搬动红色开关旋钮，打到打开位置2、观察显示屏温度显示是否正常显示（开始时读数应在16-25℃之间，5分钟内逐渐稳定在18℃左右）3、查看水压表显示是否正常（开机时，压力初始应在4-5bar之间，逐步稳定在4.5bar左右，黑色指针低于红色指针时，表示水压低于正常工作要求，需清理维护）4、确认正常方可离开5、关机时，将红色旋钮打到关闭位置即可注意事项1、水压正常，显示温度稳定在18℃左右后，再开激光光源8.4激光钎焊在汽车行业的应用3）精细过滤器更换项目主要内容操作步骤1、将激光光源关闭（长按示教屏红色按钮，关闭光源右侧黑色电源旋钮）2、用钥匙打开激器背侧门3、用过滤器专用的扳手，拧开4、取出内部滤芯，更换新滤芯5、注入去离子水，达到要求水位5、盖上盖板，拧紧固定螺栓6、关闭光源背侧门，并用钥匙锁紧注意事项1、光源背侧门在非检查、维修时，需长期关闭，防止进入大量灰尘2、在补水时，水箱盖板要立放或者放置在干净处，防止粘上灰尘等8.4激光钎焊在汽车行业的应用4）送丝系统维修保养项目主要内容操作步骤1、打开循环水注水口盖，检查水量是否充足，不足则补充2、水泵电机是否卡滞，散热风扇工作正常3、检查送丝机后部的过滤网是否堵滞，每半年取下清理一次3、检查数显面板读数是否正常，显示值应为0,0或0,0.14、打开丝箱盖板，检查丝量及丝盘的松紧程度，转送轻松5、检查送丝导嘴有无变形或缺口，必要时更换6、检查两个压紧轮刻度是否在2.5刻度上，7、检查出丝导管铜管部分是否卡紧8、检查拉丝轮刻度是否对正（要求白色画线正对连杆筋）9、手动送丝，检查导电嘴出丝是否顺畅10、检查导电嘴是否磨损严重，必要时更换注意事项1、水泵电机一般在非工作状态是不转的，确认无卡丝即可8.4激光钎焊在汽车行业的应用5）更换机光保护镜片主要内容操作步骤1、打开镜片框架保险2、拉出镜片框架3、检查镜片表面有无严重灰尘、飞溅或烧损4、还原或更换镜片5、推回镜片框架6、锁死镜片框架保险注意事项1、更换镜片时，镜片保护架拿稳，如掉落易损伤变形2、更换的保护镜片不要用手触摸表面8.4激光钎焊在汽车行业的应用6）光斑位置调整主要内容操作步骤1、在机器人触摸屏上，打开激光光斑2、进入激光焊接房，用六角扳手打开保护盖板3、用平板抵在光斑位置，形成光斑4、调整黄色旋钮，使光斑位置中心照射在焊丝上5、用六角扳手将保护盖板还原锁紧6、出激光焊接房，在机器人触摸屏上关闭光斑注意事项1、打开防尘保护盖板时，注意密封圈不要掉落粘灰或丢失2、还原凡尘保护盖板时，注意密封圈扣合严密8.4激光钎焊在汽车行业的应用4.激光钎焊焊缝质量检测。（1）非破坏性检验编号检验项目检验方法1焊缝位置和表面几何形状目视2焊缝长度，起点和终点目视3焊缝不连续目视4表面粗糙度（局部剖视图）目视5母材熔化目视6表面裂纹照相、目视或渗透7表面气孔照相、目视或渗透8飞溅目视非破坏检验包括以下两种方法：目视：卡尺量规、R规、放大镜等；颜色渗透试验：使用清洗剂、渗透剂和显影剂。8.4激光钎焊在汽车行业的应用1）

焊缝的几何尺寸取决于焊接过程参数，典型焊缝几何尺寸，当生产线安装调试和量产时，应定期对焊缝表面拍照留存或封存样件、切片，以备对比。2）在焊缝开始和结束区，焊缝几何形状易出现偏离标准的焊缝几何形状，需重点检验这些区域。

3）焊缝不连续或焊穿不应出现焊缝的连续性缺失或焊穿。

8.4激光钎焊在汽车行业的应用4）焊缝成形和焊缝表面粗糙度

焊缝形状应均匀，不应出现粗细不均、表面焊瘤等缺陷；

按零件漆后的表面质量评价，不产生audit扣分时，焊缝表面粗糙度可接受；3）当生产线安装调试和量产时，应定期对焊缝表面质量拍照留存，以备对比。5）母材熔化

焊接能量不宜输入过多，避免接头处或转角处母材熔化。6）表面裂纹

焊缝不应出现表面裂纹。8.4激光钎焊在汽车行业的应用7）表面气孔

表面气孔检验要求如下：①当气孔直径≤0.2㎜时，用风枪打磨返修，无需补锡；②当气孔直径＞0.2㎜时，需要补锡返修；③气孔返修后需打磨，打磨程度按漆后不产生audit扣分为准。8、飞溅

飞溅是激光钎焊过程中飞出的填充金属颗粒，不是焊缝的一部分。产生飞溅时应调整激光钎焊过程参数，将飞溅降至最低。表面件焊接操作完成后，应清除飞溅颗粒。8.4激光钎焊在汽车行业的应用5.激光钎焊常见质量缺陷。（1）常见缺陷及影响因素8.4激光钎焊在汽车行业的应用常见缺陷及调整方法序问题问题照片可能原因处理方法1焊缝咬边1、保护镜片脏或烧损2、光斑位置偏离3、机器人轨迹偏4、激光头内部透镜烧损1、检查保护镜片是否发乌或烧损，及时更换2、检查导电嘴出丝段是否在光斑中心位置，如偏离，调整光斑位置3、手动走机器人程序，查看每段与焊缝位置的偏离状态，如偏离，适当调整4、关闭红外光斑，从激光头下侧观察透镜状态，如有烧损，更换激光头（损坏的激光头发厂家维修）2连续砂眼1、保护镜片脏或烧穿2、导电嘴磨损严重3、工件过脏1、检查保护镜片是否发乌或烧损，及时更换2、检查导电嘴是否磨损严重，或存在严重偏心，必要时及时更换3、对工件加强清擦，利用棉质抹布沿起弧点向熄弧点方向擦拭2-3次，严禁来回动作3焊缝断焊1、激光头位置偏离2、送丝系统故障3、激光器故障4、激光头内部透镜烧损1、检查激光头是否有破损或拉拽情况2、检查送丝及循环水是否充足；手动送丝，检查送丝系统有无卡滞情况，必要时进行校准以及更换送丝碳管（或换丝）3、检查激光器是否出现间歇工作情况，如出现需及时联系光源厂家4、关闭红外光斑，从激光头下侧观察透镜状态，如有烧损，更换激光头（损坏的激光头发厂家维修）4母材烧穿1、保护镜片脏或烧损2、光斑位置偏离3、送丝系统故障4、工件间隙大1、检查激光保护镜片是否发乌或烧损，及时更换2、检查导电嘴出丝段是否在光斑中心位置，如偏离，调整光斑位置3、检查送丝机循环水是否充足；手动送丝，检查送丝系统有无卡滞情况，必要时进行校准以及更换送丝碳管（或换丝）4、检查夹具推进块有无松动，及时修整；检查工件有无落件不到位的情况，可重新上件焊接问题再现8.4激光钎焊在汽车行业的应用序问题问题照片可能原因处理方法5表面褶皱1、送丝机送丝不稳2、夹具上，工件与预热系统接触不良3、工件间隙变化大4、激光输出功率不稳1、手动送丝，检查送丝系统有无卡滞情况，必要时进行校准以及更换送丝碳管（或换丝）2、检查送丝机示教屏上，焊接过程中有无预热电流输入，如无输入，修整夹具上与工件贴合的接触铜块3、检查夹具推进块有无松动，及时修整；检查工件有无落件不到位的情况，可重新上件焊接问题再现4、检查激光器内部循环水是否充足；检查焊接过程中，激光输出功率是否稳定，如不稳定，需及时联系厂家6表面凸起或凹陷1、工件间隙变化大2、送丝系统故障3、激光头内部透镜烧损1、检查夹具推进块有无松动，及时修整；检查工件有无落