汽車制造中激光焊接技術(shù)的有效應(yīng)用

0.引言

激光焊接技術(shù)具有焊接工藝效率高和柔性好的特點，在汽車制造過程中，可用于汽車車身的焊接和各類汽車零部件的焊接，降低汽車車身整體重量，提高車身裝配精度，滿足汽車制造輕量化和安全性能提高的需求，同時也能降低汽車制造中的裝配成本和沖壓成本，提高車身的一體化程度。因此，如何積極有效應(yīng)用激光焊接技術(shù)，已成為當前汽車制造企業(yè)需要考慮的問題，下面將對激光焊接技術(shù)的應(yīng)用進行具體討論。

1.激光焊接技術(shù)的相關(guān)概述

1.1激光焊接技術(shù)原理

激光焊接，其本質(zhì)屬于熔融焊接技術(shù)，以激光束為主要能源，通過一定的沖擊力，完成焊件的焊接工作。其激光束的產(chǎn)生需要通過光學振蕩器來實現(xiàn)，大功率的激光束作用于金屬表面后，可以快速將金屬汽化，當熔融金屬液包裹汽化孔后，可以在應(yīng)力反作用下和加熱冷卻的方法下，形成焊縫，最終完成對金屬的焊接工作。需要注意的是，激光束在不同功率下有著不同的密度，對焊縫的深淺度也有影響，隨著激光束密度的提高，會加大熔深程度，焊縫更深。反之，則會降低熔深程度，熔深更淺。

1.2激光焊接技術(shù)的優(yōu)缺點

激光焊接技術(shù)所具有的優(yōu)勢，在當前的汽車制造中發(fā)揮著重要作用。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：實際焊接受到的熱影響范圍小，變形量也較低。焊接的質(zhì)量和精度較高，能在保證質(zhì)量的前提下保證美觀度。具體焊接操作較為靈活，效率高，可以滿足企業(yè)需要。施工噪音小，且有著不俗的節(jié)能效果。適用于質(zhì)地脆、強度高和熔點高的材料焊接。具體見表 1。

表1 不同焊接技術(shù)得分對比

不過，激光焊接技術(shù)也有一定的缺陷，具體表現(xiàn)為：對焊接的位置要求高，需要注重焊接要求的范圍。不適用于厚度大的材料。當焊接材料有著高導(dǎo)熱性時，會影響焊接效果。能量轉(zhuǎn)換效率低，同時焊道的凝固時間較快，一定程度上制約了焊接效果。

2.激光焊接技術(shù)的實際應(yīng)用

2.1激光自熔焊接

在激光焊接技術(shù)中，激光自熔焊接指兩個或者多個焊接部分，在融化和冷卻過程后凝聚成一個整體，完成有效焊接。在激光自熔焊接中不需要添加焊劑就可以完成焊接，能節(jié)省焊接成本。具體操作中，在激光束的作用下，使焊接部分的表面溫度在短時間內(nèi)達到沸點，金屬汽化會生成一個孔洞，如圖1所示，在金屬蒸汽的反沖壓力跟液態(tài)金屬的表面張力、重力達到平衡狀態(tài)后，孔洞則不再加深，在深度穩(wěn)定的小孔閉合后，就完成了激光深熔焊接。目前，在汽車制造中，激光自熔焊接的應(yīng)用面較為廣泛，經(jīng)常用在車身的拼焊、組焊和零部件的焊接中。目前，大眾品牌旗下的邁騰、途觀和速騰產(chǎn)品中，在側(cè)圍焊接中采用自熔焊接方式。在標志和雪鐵龍的部分車型中，車門的焊接也是采用激光自熔焊接的方式。另外，按照焊縫的類型分類，一般有單條直線焊縫、復(fù)數(shù)和非直線焊縫等多種類型，由于單條焊接縫的生產(chǎn)工藝簡單，目前已被廣泛應(yīng)用。

德國大眾最早于1985年將激光拼焊用于Audi車型底盤的焊接，日本豐田于1986年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993年，當時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了2mm工程。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。

美國也是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的，在美國汽車工業(yè)中心底特律地區(qū)有幾十家激光加工站，用于汽車金屬件的切割和齒輪的焊接，使汽車的改型從5 年縮短到2 年。美國通用汽車公司已經(jīng)采用二十多條激光加工生產(chǎn)線，美國福特汽車公司采用Nd:YAG 激光器結(jié)合工業(yè)機器人焊接轎車車體，極大地降低了制造成本，2000 年美國三大汽車公司已經(jīng)有50%的電阻點焊生產(chǎn)線被激光焊生產(chǎn)線所取代。在日本，激光焊接在生產(chǎn)線上成功的應(yīng)用為世界所矚目，如在汽車車體制造中采用將薄鋼板實施激光焊接后沖壓成型的新方法，現(xiàn)在已為世界上大多數(shù)汽車廠家所仿效。世界上很多著名汽車公司都建有專門的激光焊接專用生產(chǎn)線：Thyssen 鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產(chǎn)線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)線，奔馳汽車廠的18 個廠房里有8 個廠房安裝了激光加工設(shè)備。

圖1 激光自熔焊接原理圖

2.2激光填絲焊接

在激光焊接技術(shù)中，激光填絲焊接的原理是在焊縫中添加特定的焊接材料，通過激光束融化填充的焊接材料，從而形成焊接接頭。激光填絲焊接與傳統(tǒng)的非填絲焊接方式相比，有著明顯的優(yōu)勢，既可以擴大激光焊接的使用范圍，也能在較小的功率下完成對厚板的焊接，并且有著較高的焊接效果。需要注意的是，在激光填絲焊接的應(yīng)用中，不僅要對焊絲進行融化，也要對母材進行融化，從而在母材上生產(chǎn)小孔使焊絲和母材進行充分相融，生成新的混合熔池。混合熔池和焊絲、母材有著明顯的區(qū)別，可以改善母材本身存在的一些性能缺點，在使用成分合理的焊絲作為填充材料后，保證焊縫具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。

2.3激光電弧復(fù)合焊接

在激光焊接中，激光電弧復(fù)合焊接的原理是將激光熱源和電弧進行結(jié)合，在一個熔池上共同作用，進而實現(xiàn)焊接。焊接原理如圖 2所示，該焊接方式有著變形小、速度快和適應(yīng)能力高的特點。

圖 2 激光電弧復(fù)合焊接原理圖

在德國奧迪公司系列汽車的生產(chǎn)中，激光電弧復(fù)合焊接工藝被應(yīng)用到最關(guān)鍵的全鋁車身的焊接中。該汽車車身是第二代豪華奧迪A8系列的車身，在設(shè)計上追求沖擊安全性和抗扭曲變形。激光電弧復(fù)合焊接的焊縫符合所有的要求，表現(xiàn)出強韌性、高強度和大熔深的特點。為了滿足客戶對這款車的高期望值，每一個細節(jié)都要精益求精，確保汽車的制造質(zhì)量。激光混合焊接的窄焊縫可以滿足對外觀要求較高的工件，那么車身框架頂部的邊角處就不必再用塑料條帶填塞。在輕型汽車制造領(lǐng)域，所有上面提到的要求以及一些特殊的條件都必須得到滿足，而全鋁車身的制造過程對這些要求更為嚴格。

2.4激光遠程焊接

在激光焊接技術(shù)中，激光遠程焊接可以在高速掃描振鏡頭的幫助下進行遠距離加工，對零件進行不同功率激光束的焊接。因其特有的技術(shù)優(yōu)勢，目前被大量應(yīng)用于奔馳的全景天窗和大眾、奧迪的側(cè)圍焊接中。在當前應(yīng)用激光遠程焊接于汽車制造中時，有著以下幾方面優(yōu)勢：

(1)有較強的定位精度，可以實現(xiàn)快速焊接，滿足汽車企業(yè)的制造需求。

(2)可結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)強度進行焊接，實現(xiàn)不同焊縫形狀的需求。

激光遠程焊接對材料和設(shè)備方面的需求較高。在部件厚度較大時，無法降低焊縫深度，在焊縫處的剪切強度較低。

2.5激光釬焊

在激光焊接技術(shù)中，激光釬焊技術(shù)有著造型美觀和密封性強、焊縫強度高的優(yōu)點。具體原理是將激光束通過聚焦打在焊絲表面，在融化焊絲后填補于焊接的部位，以釬焊層完成焊接。此方法雖然與熔焊類似，但在實際操作中母材是不被熔化的。因此，需要釬料熔點低于母材，通過液態(tài)釬料實現(xiàn)有效的焊接。其原理如圖 3所示。目前激光釬焊被用于大眾、海馬、奇瑞和奧迪的行李箱蓋焊接，同時在凱迪拉克、保時捷、福特和大眾等品牌中的頂蓋和側(cè)圍連接上，也時常使用激光釬焊。在使用該技術(shù)時，需要注意焊接過程會受到很多因素的影響，尤其是工藝參數(shù)的影響。例如，焊接速度、激光功率和光斑直徑等方面，需要結(jié)合實際的焊接，對以上工藝參數(shù)進行調(diào)整和設(shè)計，以保證激光釬焊的有效性。

圖3 激光釬焊原理

激光釬焊的設(shè)備通常需要將釬焊加工鏡頭集成于機器手臂。激光束聚焦于板材的連接處，熔化焊絲(如銅硅焊絲)從而將部件連接起來。這種加工方法的成功之處在于它達到的連接強度接近于焊接強度，而且它的焊縫很美觀。激光釬焊產(chǎn)生的焊縫以其高密封性、平滑干凈聞名。因此，釬焊后的產(chǎn)品幾乎不需要返工。例如，車身在清潔后可以直接上漆。

二極管激光器加工的優(yōu)勢

Laserline二極管激光器在激光釬焊領(lǐng)域上的實用性在世界范圍內(nèi)得到了高度評價。超過800臺LDF二極管激光器在世界各地汽車車身裝配應(yīng)用上成功投入長期使用。優(yōu)質(zhì)的激光釬焊不僅焊接強度高、熱影響小，還對焊縫連接的美觀性有很高的要求。半導(dǎo)體激光器的一個主要的加工優(yōu)勢在于它產(chǎn)生的熔池很穩(wěn)定。另外，Laserline研發(fā)的三光斑模塊在釬焊應(yīng)用上展現(xiàn)了更大的優(yōu)勢：即使對較難釬焊的熱鍍鋅鋼板進行焊接時，這項科技可以實現(xiàn)在不降低焊接速度的情況下保證高質(zhì)量的焊縫連接。

用三光斑對熱鍍鋅板進行釬焊

在汽車車身的生產(chǎn)中，激光釬焊早已成為主流加工方式。然而，越來越多的車身使用鍍鋅鋼板材料，這引起了一些問題：釬焊加工時產(chǎn)生的顆粒飛濺增多;焊絲連接處產(chǎn)生波紋，因此必須要降低加工速度以避免產(chǎn)生這些問題。Laserline對此研究出了突破性的解決方案：使用多光斑模塊，即位于側(cè)邊的光斑在主光斑的前方，可以先將焊縫周圍的鍍鋅層去除，從而使得不用降低釬焊速度也能保障釬焊過程平穩(wěn)。此工藝在業(yè)界深受好評。

電鍍鋅鋼板的釬焊

傳統(tǒng)的電鍍鋅二極管激光器釬焊使用單光斑技術(shù)。激光源集成于釬焊機器人。由于二極管激光器產(chǎn)生的熔池穩(wěn)定，以銀或黃銅為基材的激光熔覆得以實現(xiàn)。焊縫美觀，質(zhì)量高。大眾途安曾經(jīng)在德國沃爾夫斯堡將一臺4 kW的YAG 激光器與一臺6kW的二極管激光器進行釬焊的實驗對比。LDF 二極管激光器的運行穩(wěn)定性在批量生產(chǎn)中得到了證實。

3.結(jié)語

針對汽車制造行業(yè)，不同的激光焊接技術(shù)有著不同的利用價值。汽車的不同部位選擇合理的焊接方式，有利于提高汽車制造的整體質(zhì)量，并且在焊接成本、焊接效率上也滿足汽車企業(yè)的需求。為此，本文通過對激光焊接技術(shù)的原理和優(yōu)缺點進行分析，探論了激光自熔焊接、激光填絲焊接、激光電弧復(fù)合焊接、激光遠程焊接和激光釬焊在汽車制造中的應(yīng)用效果，為汽車制造提供焊接方面的經(jīng)驗，提高汽車企業(yè)的焊接水平，促進汽車制造行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

內(nèi)容來源：《現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化》期刊、laserline

審核編輯：湯梓紅