激光焊接技术在汽车制造中的应用

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目前，激光及其复合焊接技术已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊以及顶盖与侧围的焊接。用激光将不同厚度、材质及性能的几块薄板拼焊起来，再冲压成形。不但提高了材料利用率，由40%～60%提高到70%～80%，而且减轻了重量，提高了综合力学性能。与单一的激光焊接技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点:更大的熔深、较大缝隙的焊接能力及更好的焊缝韧性，通过焊丝可以影响焊缝组织结构及无焊缝背面下垂现象等。
一、激光焊原理
激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于，它有着超乎寻常的加热能力，能把大量的能量集中在很小的作用点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。
当激光光斑上的功率密度足够大(>106W/cm2)时，金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成的焊缝如图1所示。
二、激光焊接设备
激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接机和控制系统组成所示。
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。从这两方向考虑，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6～15kW范围。YAG激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微连接。近年来，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，并已投人市场。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，简化光导系统。因此，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.光导和聚焦系统
光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤以及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态及方向，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，产生热透镜效应，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.焊接机器人
由于激光-MIG复合焊接技术对焊接接头的装配精度要求较低，所以可以不必采用激光钎焊机器人的设计方式，既区别于常规的绞臂式焊接机器人，也无需设计焊缝自动跟踪矫正系统以及激光在线检测系统，这样可以大大降低工装设备的成本投资，降低工装设计的复杂程度。
三、激光焊接方法的特点
激光焊接方法具有如下特点：(1)能量密度高、适合于高速焊接。
(2)焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合高熔点、高硬度加工。
(3)无电极、工具等的磨损消耗。
(4)对环境无污染。
(5)可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。
(6)很容易改变激光输出焦距及焊点位置。
(7)很容易搭载到机器人装置上。
激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接，优点主要体现在：无烧穿时焊缝背面下垂的现象，适用范围更广；对于激光-MIG焊接，优点主要体现在：较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小，从而使得整个系统的生产过程稳定性好，设备可用性好及焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小，焊接生产工时短、费用低、生产效率高。
四、激光-电弧复合热源焊接的主要形式
1.激光-TIG复合焊接
激光与TIG复合焊接的特点是：
(1)利用电弧增强激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料。
(2)在焊接薄件时可高速焊接。
(3)可增加熔深，改善焊缝成形，获得优质焊接接头。
(4)可以缓和母材端面接口精度要求。
例如，当CO2激光功率为0.8kW，TIG电弧的电流为90A，焊接速度2m/min时，可相当5kW的CO2激光焊机的焊接能力，5kW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合，焊接速度0.5～5m/min时，获得的熔深是单独使用5kW的CO2激光束焊接时的1.3～1.6倍。
2.激光-等离子弧复合焊接
激光等离子复合焊接采用如图3所示的同轴方式。等离子弧由环状电极产生，激光束从等离子弧的中间穿过，等离子弧主要有两个功能：一方面为激光焊接提供额外的能量，提高焊接速度，进而提高整个焊接过程的效率；另一方面等离子弧环绕在激光周围，可以产生热处理的效果，延长冷却时间，也就减少了硬化和残余应力的敏感性，改善了焊缝的微观组织性能。
3.激光-MIG复合焊接
激光-MIG复合焊的基本原理如图4所示。除了电弧向焊接区输入能量外，激光也向焊缝金属输入热量。激光复合焊技术并不是两种焊接方法依次作用，而是两种焊接方法同时作用于焊接区。激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能。在激光-MIG复合焊接时，挥发不仅发生在工件的表面，同时也发生在填充焊丝上，使得更多的金属挥发，从而使激光的能量传输更加容易。
MIG焊的特点在于电源成本低，焊缝桥联性好，电弧稳定性好，易于通过填充金属改善焊缝结构。而激光束焊的特点在于熔深大，焊接速度高，热输入低，焊缝窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同时激光复合焊接的熔池比MIG焊的要小，工件变形小，大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。激光-MIG复合焊接，会产生两个独立的熔池，而后面的电弧输入的热量同时起到了焊后回火处理的作用，降低焊缝硬度(尤其是焊钢)。由于激光复合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生产时间和生产成本。
4.双激光束焊接技术
在激光焊接过程中，由于激光功率密度大，使得焊接母材被迅速加热熔化、气化，生成高温金属蒸气。在高功率密度激光的继续作用下，很容易生成等离子体云，不仅减小工件对激光的吸收，而且使焊接过程不稳定。如果在较大的深熔小孔形成后，减小继续照射的激光功率密度，而已经形成的较大深熔小孔对激光的吸收较多，结果激光对金属蒸气的作用减小，等离子体云就能减小或消失。因而，用一束峰值功率较高的脉冲激光和一束连续激光，或者两束脉冲宽度、重复频率和峰值功率有较大差异的脉冲激光对工件进行复合焊接，在焊接过程中,两束激光共同照射工件，周期地形成较大深熔小孔，然后适时停止一束激光的照射，可使等离子体云很小或消失，改善工件对激光能量的吸收与利用，加大焊接熔深，提高焊接能力，如图5所示。
五、激光复合焊接技术在汽车车身制造中的应用
国内关于激光-电弧复合热源焊接实际应用的报道较少，国外尤其是德国对此项技术的研究较深入。激光-电弧复合焊接广泛应用于汽车工业。以德国大众Phaeton的车门焊接为例：为了在保证强度的同时又减轻车门的重量，大众公司采用冲压、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊缝总长4980mm，现工艺是7条MIG焊缝(总长380mm)，11条激光焊缝(总长1030mm)，48条激光-MIG复合焊缝(总长3570mm)。
激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在A8侧顶梁上有各种规格和形式的接头，就是采用激光-MIG复合焊工艺，焊缝共计4.5m长。激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如，复合焊在焊接Phaeton车门对接接头时，焊接速度1.2～4.8m/min都是可行的。通常焊丝送丝速度为4～9m/min，激光功率为2～4kW。最优化的焊速是4.2m/min，送丝速度6.5m/min，激光功率2.9kW。
MIG-激光复合焊接最大焊接速度可达9m/min。近年来，随着车辆运输设备向轻量化发展，汽车车身结构由空间框架向铝复合车体开始发展。随着大断面铝型材的生产和焊接技术的不断进步，铝合金在汽车中的应用也不断增加。目前，汽车铝车身主要采用激光焊接工艺，由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5mm，跟踪精度很高，一开始尚未形成熔池时热效率很低。另外，还存在着设备成本高、工件准备工序要求严格等问题，这些问题可以通过激光-电弧复合焊接解决。由于电弧焊的复合，熔池宽度增加，使得装配要求降低，焊缝跟踪容易。由于电弧可以解决初始熔化问题，使铝合金对激光的反射减少，提高了激光的吸收率，从而可以大大降低激光器的输出功率，减少使用激光器的功率。同时电弧焊的气流也可以解决激光焊金属蒸气的屏蔽问题，从而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持。
德国大众汽车工程公司的T.GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光-MIG复合焊接机头。该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各方向上的调节精度达到0.1mm。
激光复合焊接技术由激光与其他热源的相互作用,焊接速度提高了，焊接周期缩短了，而且达到同样焊接目的所需的激光功率降低，这些都能使焊接成本大大降低。另外，这种方法能够改善像铝合金、异种材料等的焊接性。因此，激光复合焊接技术无论从工艺角度，还是从经济角度来看都具有广阔的发展和应用前景。
六、结语
激光复合焊将两种焊接方法结合起来，它采用了两者各自的优点，获得了最佳的焊接效果，更高的焊接速度与良好的焊缝搭桥能力。它是目前最先进的焊接方法之一，实现了高焊接速度与良好焊接质量的完美结合。激光复合焊技术是汽车工业中一种全新的焊接技术，尤其是对于激光束焊无法实现或在经济上不可行的装配间隙要求。它具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少投资成本、缩短生产时间、节约生产成本和提高生产率，具有更强的竞争力。