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激光焊接在汽車車身制造中的應(yīng)用

2020-10-09 10:19:56蔡爽
關(guān)鍵詞:激光焊接汽車車身制造

摘 要:目前汽車行業(yè)車身骨架焊接主要有電阻點焊、凸焊、螺柱焊、激光焊、弧焊等方式,其中激光焊接技術(shù)在車身一些重要部位,逐漸取代了電阻點焊,主要應(yīng)用在車身外觀焊縫的焊接,減少焊接缺陷,提升外觀精致感和整車性能,例如頂蓋與側(cè)圍的焊接。激光焊接在汽車制造過程中的應(yīng)用,有利于車身減重和降低油耗;有利于提高車身的裝配精度,使車身剛度提升30%,從而提高車身安全性;降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本,減少車身零件的數(shù)目,提高車身一體化程度。

關(guān)鍵詞:激光焊接;汽車車身;制造;應(yīng)用

1 激光焊的主要組成部分

激光焊接應(yīng)用采用激光作為焊接熱源,工業(yè)機器人作為運動系統(tǒng)。激光熱源的優(yōu)勢在于,它有著極高的加熱能力,能把大量的能量集中在很小的焊接點上,所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快和焊接變形小等特點,可實現(xiàn)薄板的快速連接。主要組成部分有激光源、光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)、焊接機器人、焊接夾具、激光焊接控制系統(tǒng)。其中激光源是通過激光發(fā)射器發(fā)出的。激光發(fā)射器在發(fā)揮作用時,按照不同的形態(tài)分為氣體和固體兩種類型。具體發(fā)射效果的質(zhì)量高低與發(fā)射器所能夠輸出的光束質(zhì)量有直接關(guān)系。通過對實際應(yīng)用效果的觀察可見,氣體狀態(tài)的發(fā)射器較之固體狀態(tài)的發(fā)射器在輸出功率上更大。光束本身的質(zhì)量也更高。與車身制造的實際要求更為貼合,是應(yīng)用廣泛性較強的一種發(fā)射器類型。而對于光導(dǎo)以及聚焦系統(tǒng)而言,其主要作用是為焊接的具體效果提供保障。整個光導(dǎo)熊可實現(xiàn)對光束狀態(tài)的控制,并且影響光束聚焦的效果與和方向,具體來說,巨小系統(tǒng)又包括了不同類型的鏡結(jié)構(gòu)。如圓扁振鏡、擴束鏡、反射鏡、聚焦鏡等。如遇到功率較大的激光,聚焦系統(tǒng)中的一部分構(gòu)件的性能可能受到不良影響,進而影響到車身制造的質(zhì)量。焊接機器人的主要功能是發(fā)揮焊接技術(shù)的作用。在具體的焊接操作中,不同的焊接工藝和技術(shù)要求意味著對不同機器人的工作要求也有所差異。當(dāng)進行的搭接環(huán)節(jié)和角焊縫環(huán)節(jié)的操作時,應(yīng)用普通性能的機器人即可完成焊接任物,但如果在接縫痕接中用到了激光焊技術(shù),相應(yīng)的機器人選擇也要進行調(diào)整,一般應(yīng)用絞臂式焊接機器人進行操作。為了確保焊接效果,技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)重視機器人運行參數(shù)的合理調(diào)配。焊接夾具主要應(yīng)用在焊接位置的準(zhǔn)確定位上,準(zhǔn)確的定位對于避免變形有重要的作用,是提升焊接效果精確性的一種科學(xué)方法。而焊接控制系統(tǒng)則是以一個整體小型系統(tǒng)的模式存在的。其中包括了視頻監(jiān)控設(shè)備、自動跟蹤設(shè)備、矯正系統(tǒng)等多個結(jié)構(gòu),是確保焊接操作順利進行的主要工具,具體應(yīng)用時需要根據(jù)不同的焊接技術(shù)配置適當(dāng)?shù)暮附涌刂葡到y(tǒng),確??刂葡到y(tǒng)作用的有效發(fā)揮。

2 激光焊的優(yōu)勢

激光焊接技術(shù)的主要優(yōu)勢有以下方面:

(1)熱量輸入很小、焊縫深寬比大,熱影響區(qū)小導(dǎo)致工件收縮和變形很小,無需焊后矯形;

(2)焊縫強度高、焊接速度快、焊縫窄且通常表面狀態(tài)好,免去焊后清理等工作;

(3)焊接一致性、穩(wěn)定性好一般不加填充金屬和焊劑,并能實現(xiàn)部分異種材料焊接;

(4)光束易于控制,焊接定位精確易于實現(xiàn)自動化;

(5)非接觸加工,不需對工件加壓和進行表面處理;

(6)焊點小、能量密度高、適合于高速加工;

(7)短時間焊接,既對外界無熱影響,又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小,尤其適合加工高熔點、高硬度、特種材料;

(8)無加工噪音,對環(huán)境無污染;

(9)可通過光纖實現(xiàn)遠距離、普通方法難以達到的部位、多路同時或分時焊接;

(10)很容易改變激光輸出焦距及焊點位置;

(11)很容易搭載到自動機、機器人裝置上;

(12)與其它焊接工藝方法比較激光焊接的前期投資較大;

(13)被焊工件裝配精度高,相對而言對光束操控的精確性也有較高的要求;

(14)由于飛濺大,穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙,但強度比普通點焊要高很多。

3 激光焊的應(yīng)用

應(yīng)用于車身的激光焊接主要分為兩種方式:一種為熔焊,不需要填充物質(zhì),激光直接作用在工件表面上進行焊接;另一種為填充焊,即通常所說的釬焊,主要應(yīng)用于汽車頂蓋的焊接。

3.1 熔焊

根據(jù)激光束能量密度的大小,熔焊又可分為熱傳導(dǎo)焊和穿透焊。3.1.1 熱傳導(dǎo)焊

由于激光匯聚于一點時會產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度(與能量密度大小有關(guān)),當(dāng)溫度達到1 490℃時,鋼板就會熔化,利用此種熱效應(yīng)進行焊接的方式為熱傳導(dǎo)焊,其過程為:首先通過激光將工件表面加熱到熔點,金屬熔化后會形成一個半球形的熔池,熔池的半徑和深度慢慢增大,當(dāng)吸收的激光能量與熔池向四周擴散的熱量達到平衡時,熔池便不再擴大。

沿預(yù)定軌跡移動激光光束,熔池也隨之移動,熔池前方的金屬不斷熔化,后方的金屬冷卻,從而形成一條焊縫。熱傳導(dǎo)焊的優(yōu)點體現(xiàn)在焊縫光滑且飛濺少,速度為(1~3)m/min,焊縫深度與寬度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

3.1.2 穿透焊

在汽車白車身上,因為焊接鋼板有2~4層,厚度可達4 mm,所以對焊縫的深度有更高的要求,此時熱傳導(dǎo)焊無法滿足工藝的要求,這就需要另一種焊接方式—穿透焊,穿透焊具有速度快、熔深更深的特點,它對激光能量密度的要求遠高于熱傳導(dǎo)焊。

當(dāng)激光作用于工件表面時,金屬迅速汽化(在2 590℃鋼板就會汽化為蒸汽),以蒸汽的形式擴散出熔池,并形成一個蒸汽通道,激光在通道內(nèi)進行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%,在這里稱之為“小孔效應(yīng)”,當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴散出熔池時,熔池便不再加深,形成一個穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。

熔池經(jīng)過的位置,在蒸汽通道周圍形成金屬熔液流動,使上下兩層板熔合在一起,金屬冷卻后,便形成一條高強度焊縫。與熱傳導(dǎo)焊相比,穿透焊的優(yōu)勢在于其焊接深度更深、速度更快,對于4 mm厚的低碳鋼板材,焊接速度可達5 m/min;而其缺點在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺容易損傷工件及加工設(shè)備。

3.2 填充焊(釬焊)

另一種焊接方式為填充焊,此種方式并不熔化工件本身,而是利用激光的熱效應(yīng)熔化焊絲,并將其填充到所需焊接的兩個工件之間,其優(yōu)點在于焊縫美觀,產(chǎn)生的熱變形小,汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應(yīng)用于車身加工的激光工藝,其原理為利用激光將焊絲(一般為銅硅合金)熔化并填充到頂蓋與側(cè)圍工件的縫隙中,不但起到連接的作用還可以進行密封。穿透焊的過程與釬焊有所不同,激光在兩層鋼板上進行穿透焊接,無焊絲填充,機器人帶動鏡頭按照預(yù)先編定的軌跡直接焊接,無需導(dǎo)向裝置。

穿透焊采用激光功率為4 kW,遠高于釬焊。因為焊接中需要熔化工件,所以在焊縫的兩端需要設(shè)置功率斜坡,即在焊接起始時,功率在30 ms內(nèi)從1 kW線性增加至4 kW,結(jié)束時功率在30 ms內(nèi)從4 kW降到1 kW。

這樣做的優(yōu)點在于避免在起弧和收弧時將鋼板焊穿,形成小洞,從而影響焊接質(zhì)量。激光源采用YAG連續(xù)型激光發(fā)生器,最高輸出可達4 kW,由于焊絲的熔點相對鋼板要低,所以選擇激光的輸出功率范圍為(1.8~2)kW,在熔化焊絲的同時,保證頂蓋和側(cè)圍不產(chǎn)生熱變形。

激光采用柔性的光纜傳輸,可以使激光發(fā)生器與焊接工位分開,避免設(shè)備受到損傷。根據(jù)焊絲直徑的大小,在焊接端利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配,如焊絲直徑為1.0 mm,將激光聚焦的光斑直徑調(diào)整為1.2 mm,使激光最大限度的作用于焊絲上。

焊接過程中由機器人帶動自適應(yīng)式焊接鏡頭,轉(zhuǎn)動軸帶動伸縮臂在水平方向上轉(zhuǎn)動,而伸縮臂自身可以在垂直方向移動。一般車身的激光焊縫長達42 m,保證了其整體尺寸的精確性、車身強度和剛性。采用激光釬焊的車頂只有一條細致平滑的焊縫,直接作為外表面以增加車身的流線視覺效果,而采用傳統(tǒng)點焊工藝的車頂則有兩條橡膠密封條。

4 結(jié)語

如今激光焊接應(yīng)用于汽車車身生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢,采用激光焊接不僅可以降低車身重量、提高車身的裝配精度,同時還能大大加強車身的強度,在用戶享受舒適的同時,為其提供更高的安全保障。

參考文獻:

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[3]張林陽,張敏,高建昊,等.激光焊接技術(shù)在乘用車制造中的應(yīng)用及發(fā)展動態(tài)[J].汽車工藝與材料,2018,000(008):6-11.

作者簡介:蔡爽(1988-),男,河北保定人,本科,工程師,研究方向:汽車車身焊接工藝。

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