林中堅(上海理工大學(xué),上海 200093)

汽車座椅激光焊接工藝研究介紹

林中堅
(上海理工大學(xué),上海 200093)

介紹激光焊接工藝在目前汽車座椅骨架制造中的幾種運(yùn)用方式和相關(guān)的激光焊接設(shè)備。通過普通焊接工藝和激光焊接工藝的對比，闡明了激光焊接的優(yōu)勢。

汽車座椅;激光焊接

0 引言

隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展和激光發(fā)生器成本的降低，激光焊接的運(yùn)用已經(jīng)越來越普及。從原先只有汽車整車廠關(guān)鍵崗位運(yùn)用激光焊接技術(shù)演變到現(xiàn)在許多汽車零部件廠都在廣泛應(yīng)用。汽車座椅，作為汽車零部件中重要的一部分組件，其制造水平也隨著汽車行業(yè)制造工藝水平的不斷提高而提高。汽車座椅骨架的焊接工藝已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊、弧焊，激光焊接的引進(jìn)使汽車座椅骨架的焊接質(zhì)量及生產(chǎn)能力有了極大的提高。目前汽車座椅骨架上所用的激光焊接形式分成兩種：一種是替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝的激光搭接焊，另一種就是替代傳統(tǒng)弧焊工藝的激光角接焊。激光搭接焊是通過小孔效應(yīng)把兩層疊加的金屬板材上層先熔化，逐漸往下層熔化，同時激光光束與工件作相對運(yùn)動，最終當(dāng)熔池凝固后形成激光焊縫。激光角接焊是把兩個需要焊接的零件按直角放置，激光束以15°入射角射入直角搭接處，通過小孔效應(yīng)模式把兩個零件直角搭接處的金屬材質(zhì)熔化、凝固，形成激光焊縫。這兩種激光焊接形式所用的激光焊接工藝都是通常所說的激光深熔焊。激光深溶焊就是材料表面在激光作用下熔化、汽化，所產(chǎn)生的蒸氣反沖壓力將熔化材料拋出，激光作用處的熔池下陷形成小坑，光束直接作用在小坑底部，使金屬進(jìn)一步熔化和汽化，高壓蒸氣不斷從坑底產(chǎn)生并不斷向外噴發(fā)，從而使小孔進(jìn)一步加深，光束也一步步深入[1]。

替代傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝的激光搭接焊工藝常用在汽車座椅二排靠背的沖壓板材焊接上。傳統(tǒng)的汽車第二排座椅靠背用點(diǎn)焊工藝密集地分布在金屬板材的周圍，使背板與加強(qiáng)梁在焊接后滿足座椅沖擊測試中18 kN外力的沖撞測試。但是由于傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝要求及工藝參數(shù)限制，使得機(jī)器人在點(diǎn)焊焊接時一個焊接點(diǎn)的焊接時間在2.6 s左右。在焊接座椅二排靠背沖壓板材時一般需要60～90個焊點(diǎn)，一個單件需要很長的制造時間。例如，圖1為MODEL Y第二排座椅40%后靠點(diǎn)焊零件，焊接一個零件需59個焊點(diǎn)，共計165 s。激光焊接工藝的應(yīng)用大大縮短了傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝所用的焊接時間，一般的激光薄板焊接速度可達(dá)到80～130 mm/s。圖2為Delta后排座椅40%后靠激光焊零件，焊接一個零件需54條焊縫，共計30 s。所以，本來為了滿足產(chǎn)能需求，需要投入5～6個機(jī)器人電阻點(diǎn)焊工作站，如今只需要一個機(jī)器人激光焊接單元就能滿足。不僅節(jié)約了廠房的占地面積，而且節(jié)省了5～6個機(jī)器人電阻點(diǎn)焊工作站的操作人員。并且通過焊接拉力試驗證明：一個點(diǎn)焊焊點(diǎn)平均最大拉剪力為4.5 kN,一條25 mm長的激光焊縫拉剪力為6.7 kN。通過兩者的比較可知：激光焊縫的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯大于電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

目前，大部分汽車座椅制造廠商為了滿足產(chǎn)品設(shè)計要求、產(chǎn)能要求及考慮到激光的特殊性及危險性，激光焊接都是在一個相對密閉的空間中由自動化控制單元來控制完成焊接過程的，并且大多數(shù)的座椅靠背骨架激光焊接單元設(shè)計之初都選用機(jī)器人攜帶激光振鏡頭或定焦鏡頭連接4～6 kW大功率激光發(fā)生器來完成激光焊接工藝。以下是幾種常見的激光焊接單元設(shè)備及工藝的簡單介紹。

1 激光振鏡鏡組定點(diǎn)焊及飛行焊

振鏡是一種特殊的擺動電機(jī)，圖3為其內(nèi)部構(gòu)造原理?；驹砭褪蔷€圈通電，在切割磁場中產(chǎn)生力矩，其轉(zhuǎn)子通過機(jī)械或電子的方式加有復(fù)位力矩，大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比，當(dāng)線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)到一定的角度時，電磁力矩與回復(fù)力矩大小相等，故不能像普通電機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)，而只能偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角與電流成正比，常簡稱為掃描振鏡。激光振鏡鏡組的工作原理是用數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算來控制馬達(dá)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度，激光被兩片馬達(dá)控制的掃描振鏡反射后并且通過一片聚焦鏡，可在恒定的范圍內(nèi)圍繞著X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)，達(dá)到改變激光光束位置的目的。

目前國內(nèi)市場上運(yùn)用較多的激光大功率振鏡鏡組都是由國外廠商制造的。圖4為TRUMPF公司的PFO可編程振鏡組，圖5為High-Yag公司的RLSK可編程激光鏡頭振鏡組，這兩種激光大功率振鏡鏡組目前在中國市場上被廣泛地推廣及應(yīng)用。 隨著國內(nèi)科技的不斷進(jìn)步，許多國內(nèi)的制造商也通過研究開發(fā)出了近似于國外廠商的掃描振鏡鏡組，但是由于與國外技術(shù)還是存在一定的差距，現(xiàn)國內(nèi)的掃描振鏡組多運(yùn)用于小功率激光掃描打標(biāo)焊接上。

由于激光振鏡鏡組自身質(zhì)量在25 kg左右，一般會選擇能承載力大于250 N的抓舉機(jī)器人，并且由于激光焊接時光斑只有0.6 mm左右，所以會選擇重復(fù)精度較高的機(jī)器人。常用的機(jī)器人型號有：圖6所示的FANUC公司M-710Ic/50機(jī)器人，其承載能力為500 N、重復(fù)定位精度為±0.07 mm及圖7所示的ABB公司IRB4400/45機(jī)器人，其承載能力為450 N、重復(fù)定位精度為±(0.07～0.1)mm。

當(dāng)前兩者都選型完成后，最終需要根據(jù)焊接工藝及產(chǎn)能要求來選擇激光發(fā)生器。目前國內(nèi)的激光發(fā)生器發(fā)展非常迅猛，但是最高的功率只能達(dá)到1～2 kW，無法很好地滿足金屬零部件的焊接要求。現(xiàn)今，市面上大功率激光發(fā)生器主要都由國外供應(yīng)商供應(yīng)，并且最高的功率可以達(dá)到20 kW。德國的Trumpf公司、Rofin公司及美國的IPG公司是目前在激光發(fā)生器領(lǐng)域及大功率激光領(lǐng)域發(fā)展較大的制造企業(yè)。圖8為德國Trumpf公司的Trudisk系列激光發(fā)生器，圖9為美國IPG公司的YLS系列激光發(fā)生器。

常用的激光振鏡鏡組焊接工藝有定點(diǎn)掃描焊接及飛行焊接兩種模式。定點(diǎn)掃描焊接是利用激光振鏡鏡組快速掃描焊接的特點(diǎn)，讓機(jī)器人攜帶激光振鏡鏡組行走到某一個需要焊接掃描范圍的中心后停止，通過執(zhí)行自身攜帶編程軟件編寫好的焊縫位置、焊接功率及焊接速度等實現(xiàn)特定范圍內(nèi)的激光掃描焊接。其優(yōu)勢在于可以使用機(jī)器人快速行走到需焊接的范圍后掃描焊接，大大節(jié)省了空間運(yùn)行時間。其缺點(diǎn)在于當(dāng)被焊工件的焊縫是均勻分布而不是密集地集中在幾塊范圍內(nèi)時，需要很好地規(guī)劃焊接掃描范圍才能避免重復(fù)行走路徑。例如：用Fanuc公司的M-710機(jī)器人攜帶TRUMPF公司的PFO振鏡鏡組來焊接Delta第二排座椅靠背60%骨架，圖10為Delta后排座椅靠背60%骨架使用激光振鏡焊接后的工件，此60%靠背骨架共有93條激光焊縫，零件多為1 mm厚的沖壓件與2 mm厚的沖壓件。 TRUMPF公司的PFO振鏡鏡組是可編程激光鏡組，它可以在最大320×190的橢圓范圍內(nèi)編程激光焊縫位置，根據(jù)已編寫好的程序來逐一焊接。并且此振鏡鏡組的焦距在z方向上有±70 mm的高度可調(diào)節(jié)[2]。根據(jù)圖11中的焊縫振鏡定點(diǎn)焊接工藝布局，用PFO需要停留12個位置才能完全覆蓋93條焊縫。所以如圖12所示，用Fanuc機(jī)器人攜帶PFO振鏡鏡頭在被焊工件上方行走焊接。使用機(jī)器人編程時，需在激光啟焊前在每個覆蓋點(diǎn)的中心處停留0.3 s，以保證機(jī)器人精確行走到焊接位置，且不會產(chǎn)生抖動。這樣在PFO掃描焊縫焊接時不會出現(xiàn)焊縫偏移的情況。當(dāng)把激光焊接速度設(shè)定為100 mm/s后，此后排座椅靠背60%骨架的生產(chǎn)節(jié)拍為51 s。

飛行焊接模式是先通過激光振鏡鏡組自身攜帶的模擬軟件進(jìn)行被焊工件焊縫位置的標(biāo)記、機(jī)器人行走軌跡的編程、焊接參數(shù)的設(shè)定及機(jī)器人在激光焊接過程的同步參數(shù)運(yùn)行匹配。當(dāng)軟件模擬同步運(yùn)行參數(shù)匹配成功后，把已編輯完成的程序?qū)爰す庹耒R鏡組本體。圖13為軟件模擬同步運(yùn)行參數(shù)匹配成功后的振鏡焊接行走過程。當(dāng)所有設(shè)置參數(shù)匹配成功后，再對機(jī)器人本身的運(yùn)行軌跡進(jìn)行編程，使其與模擬軟件中機(jī)器人行走軌跡及運(yùn)行速度一致。最后，再利用激光振鏡鏡組快速掃描焊接的特點(diǎn)，讓機(jī)器人攜帶激光振鏡鏡組沿著設(shè)定好的軌跡路徑行走。在機(jī)器人行走的同時，激光振鏡鏡組讀取已編輯好的程序，進(jìn)行同步焊接。在焊接過程中，與機(jī)器人相連接的激光振鏡鏡組從一個工件上方連續(xù)地經(jīng)過。這個“飛行”運(yùn)動被人們稱之為“飛行焊接”。機(jī)器人和激光振鏡鏡組實時地將它們的運(yùn)動相互同步，使得機(jī)器人充分使用了空間運(yùn)行時間，并真正實現(xiàn)了工件的三維加工。其優(yōu)勢在于：當(dāng)被焊工件的焊縫均勻分布在機(jī)器人規(guī)劃好的路徑范圍內(nèi)時，機(jī)器人采用掃描焊接技術(shù)，由于激光束的偏移運(yùn)動速度非?？?，機(jī)器人幾乎沒有任何空運(yùn)行時間，激光振鏡鏡組可以在機(jī)器人軌跡運(yùn)行時間內(nèi)進(jìn)行充分的掃描焊接，激光發(fā)生器的利用率也大大提高了。圖14是Fanuc機(jī)器人攜帶High-Yag RLSK 激光振鏡鏡頭在工件上進(jìn)行飛行焊接。

2 定焦鏡組遠(yuǎn)程及近程焊接

激光振鏡掃描鏡組雖然有高速的掃描焊接速度及簡便的焊縫編程優(yōu)勢，但是由于激光振鏡掃描鏡組極其昂貴，一個激光振鏡掃描鏡組的價格是普通激光定焦鏡組的8～10倍，故當(dāng)工件產(chǎn)量不是很高且激光焊接工藝不是很復(fù)雜的情況下，選用普通的激光定焦鏡組。如圖15所示，激光定焦鏡頭是把從激光源發(fā)出的光束通過準(zhǔn)直鏡調(diào)整光束、折射鏡折射后再經(jīng)過聚焦鏡把激光光束聚焦到一個0.6 mm左右的光斑上進(jìn)行焊接。圖16為Prectic激光定焦鏡組工作參數(shù)，由于不同聚焦鏡片的焦距不同，可以在選擇激光焊接工藝時使用不同的焦距長度。

在選定激光焊接定焦鏡組后，根據(jù)其自身的質(zhì)量來選擇承載的機(jī)器人型號。通常的定焦鏡頭自身質(zhì)量大多在5～8 kg，所以會選擇軸運(yùn)動最快的機(jī)器人來攜帶定焦鏡組。

根據(jù)所需要焊接的座椅產(chǎn)品特性，可以把定焦鏡頭激光焊接工藝分成兩種焊接模式：一種是選用長焦距的遠(yuǎn)程焊接模式，另一種是選用近焦距的近程焊接模式。兩種模式通過選用不同焦距的定焦鏡頭來達(dá)到不同效果的激光焊接。長焦距的遠(yuǎn)程焊接模式通常用在汽車前座椅及后座椅靠背的搭接焊上，此優(yōu)勢在于通過機(jī)器人4、5、6軸的小幅擺動，激光光束可以快速移動到焊縫位置。因為使用了長焦距的定焦鏡頭，焊接時所產(chǎn)生的飛濺很少會粘到激光鏡頭的保護(hù)鏡片上，大大減少了生產(chǎn)時激光保護(hù)鏡片的更換頻率，降低了生產(chǎn)成本。然而其缺點(diǎn)在于：由于選用了長焦距的遠(yuǎn)程焊接模式，即便機(jī)器人有微小的重復(fù)精度偏差或抖動，通過誤差累計放大，最終在焊接工件處的焊縫位置會有較大幅度的偏移，且光束的位置精度無法很好地保證。通過分析遠(yuǎn)程焊接模式的優(yōu)劣勢，故在工件搭接焊中及焊縫位置精度要求不高的座椅靠背上選用此焊接工藝。圖19為ABB 2400的弧焊機(jī)器人攜帶焦距680 mm的遠(yuǎn)程定焦鏡組焊接模式在前座椅靠背焊接上的運(yùn)用。圖20為遠(yuǎn)程定焦長焦距激光焊接完成后的前排座椅靠背，可以很明顯發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程長焦距激光焊接的激光掃描區(qū)域很大。

如圖21所示，長焦距的定焦遠(yuǎn)程焊接模式也可以替代振鏡鏡組用在二排座椅靠背的激光焊接上。通過擺動旋轉(zhuǎn)速度最快的機(jī)器人第6軸及合理的程序編程，使得長焦距的定焦遠(yuǎn)程焊接模式在激光焊接速度和生產(chǎn)工件的節(jié)拍上可以近似于掃描振鏡鏡組。由于機(jī)器人在圓弧及C形的軌跡運(yùn)動中無法完美地取代掃描振鏡鏡頭雙鏡片伺服驅(qū)動的運(yùn)動軌跡，故在這兩種形狀的激光焊接質(zhì)量中還是存在著一定的缺陷。只有不停地優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡才能達(dá)到合格的質(zhì)量。但是基于激光定焦鏡組的價格遠(yuǎn)低于掃描振鏡鏡組這一特點(diǎn)，會在后排座椅靠背激光焊縫不是很復(fù)雜的情況下選用長焦距激光定焦遠(yuǎn)程掃描焊接模式。通過實驗比較發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的掃描振鏡鏡組定點(diǎn)激光焊接一個工件需要50 s,而圖22中使用長焦距的定焦遠(yuǎn)程激光焊接模式焊接的后排靠背零件通過合理優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡后焊接一個工件可達(dá)到47 s。

通常在焊接座椅導(dǎo)軌、座椅調(diào)角器等精密核心零件上使用如圖23所示的近距離定焦鏡組的近程焊接模式。此模式的優(yōu)勢在于：可以精確地把激光光斑照射到需要焊接的位置，保證了激光焊接的重復(fù)準(zhǔn)確性。其缺點(diǎn)在于焊接時所產(chǎn)生的飛濺會大量粘到激光鏡組的保護(hù)鏡片上，加大了生產(chǎn)時使用耗材的更換頻率，增加了生產(chǎn)成本。作者利用其準(zhǔn)確性、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，常在工件的角焊接中使用此種焊接模式，減少了金屬零件厚板沖壓時所需的焊接工藝翻邊。并且此激光焊接模式相比傳統(tǒng)的弧焊角焊接模式大大減少了熱影響區(qū)域、降低了零件的熱變形、節(jié)省了填充焊絲等耗材的成本及極大地提高了焊接的速度和生產(chǎn)效率。圖24中的座椅導(dǎo)軌如用傳統(tǒng)弧焊來焊接，一般的弧焊速度為8～14 mm/s，而采用近程激光焊焊接3 mm薄板時的焊接速度可達(dá)到30～50 mm/s。

3 結(jié)論

激光焊接技術(shù)已經(jīng)在座椅零部件產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。座椅金屬骨架中，無論是座椅靠背、座椅座盆，還是調(diào)角器、滑軌等座椅核心件，都是使用不同工藝方式的激光焊接來制造。激光焊接工藝的產(chǎn)生，很好地代替了傳統(tǒng)點(diǎn)焊及弧焊工藝，使得整個座椅零部件焊接工藝有了很大的提升，零件的制造節(jié)拍也得到了很好的提高。不久的將來，隨著激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展及自動化程度的不斷提高，機(jī)器人自動化激光焊接技術(shù)會在汽車座椅零部件焊接工藝中全面替代原有的焊接工藝技術(shù)。

【1】 陳武柱.激光焊接與切割質(zhì)量控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【2】 Trumpf 公司激光發(fā)生器產(chǎn)品說明書[M].

【3】 Highyag公司激光焊接鏡組產(chǎn)品說明書[M].

【4】 Fanuc公司機(jī)器人產(chǎn)品說明書[M].

【5】 ABB公司機(jī)器人產(chǎn)品說明書[M].

【6】 IPG公司激光發(fā)生器產(chǎn)品說明書[M].

【7】 Prectic 公司激光焊接鏡組產(chǎn)品說明書[M].

【8】 陳根余，顧春影，梅麗芳，等.激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用與激光組焊單元設(shè)計 [J].電焊機(jī),2010,40(5):32-38.

【9】 陳煥明.焊接工裝設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

Introduction of Laser Welding Technology for Car Seat

LIN Zhongjian
(University of Shanghai for Science & Technology,Shanghai 200093,China)

Several laser welding technologies and correlative equipments in the car seat frame manufacturing were introduced.Comparing with the ordinary welding process,the advantages of laser welding were illustrated.

Car seat;Laser welding

2013-11-06

林中堅(1983—)，男，在職工程碩士，主要從事機(jī)器人激光焊接技術(shù)研究。E-mail:jimmylzj@hotmail.com。