淺析激光釬焊技術在白車身焊接中的應用

□ 孫莉莉

上海市機電設計研究院有限公司 上海 200040

激光焊接技術與傳統(tǒng)的焊接技術相比，具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實現(xiàn)自動生產(chǎn)等優(yōu)點，近年來已成為金屬材料加工與制造的重要手段，并越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、核電設備等領域。與汽車車身焊接相關的激光焊接技術可分為兩大類：激光釬焊和激光熔焊，前者主要應用于車頂、落水槽和后蓋上下外板的焊接，后者主要應用于側圍、底板和四門窗框等區(qū)域。筆者結合實際生產(chǎn)情況，介紹激光釬焊技術在汽車車身焊接中的應用。

1 激光釬焊原理

激光釬焊是采用激光束作為加熱熱源的一種釬焊方法，激光束除了熔化釬料外還要加熱母材，釬料的熔點比母材熔點低，在焊接時，先將釬料加熱到高于釬料的熔點但低于母材熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴散，最終把部件連接起來。激光釬焊時，聚焦光斑直徑、焊接速度、釬絲位置都非常重要，只有正確選擇各參數(shù)，才能保證焊接過程的正常進行，激光釬焊工藝示意圖如圖1所示。

影響激光釬焊質(zhì)量的因素如下。

（1）激光設備參數(shù)：激光類型和功率、聚焦位置、焦點大小、光斑直徑。

（2）機器人參數(shù)：釬焊速度。

（3）焊絲參數(shù)：焊絲進給速度、焊絲預熱電流、沖角大小、焊絲預應力。

▲圖1 激光釬焊工藝示意圖

（4）幾何參數(shù)：焊接板材間隙、焊縫截面、表面質(zhì)量。

（5）其它參數(shù)和影響：機器人姿態(tài)、機器人引導精度、焊接板材材料及污染程度、保護氣等。

2 激光釬焊特點

激光釬焊的主要特點是利用激光的高能量密度實現(xiàn)局部或微小區(qū)域的快速加熱來完成釬焊，可實現(xiàn)薄板的快速連接，是一種具有高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝。

2.1 主要優(yōu)勢

（1）焊接強度高，裝配精度好，可進行連續(xù)的線狀焊接，提高車身剛度和強度，提高安全性。實驗證明，激光釬焊強度為點焊1.5倍左右。

（2）焊接速度快，生產(chǎn)效率高，適合自動化焊接，激光釬焊與點焊的生產(chǎn)工時比為1∶2至1∶3。

（3）表面成形好，光潔度高，改善車身結構的抗沖擊性和耐疲勞性能。

（4）減輕車身質(zhì)量。采用激光釬焊技術可減少鋼材使用，從而減少車身質(zhì)量，節(jié)省能源，降低廢氣排放。

（5）焊縫窄，加熱集中，熱影響區(qū)小，焊接工件變形小。

2.2 不足之處

（1）一次性投資大，激光釬焊系統(tǒng)設備組成復雜，成本高，投資效益不高，只適合大批量生產(chǎn)車間。

（2）激光危險，需要專業(yè)維護，防護安全要求高。（3）激光釬焊系統(tǒng)調(diào)試復雜，涉及到焊接、光學、自動化系統(tǒng)工程。

3 激光釬焊系統(tǒng)設備組成

完善的一套激光應用工藝系統(tǒng)由激光房、定位車身零件的工裝夾具系統(tǒng)、機器人、送絲機、激光源、激光鏡組、光纖、激光冷卻系統(tǒng)、自動化控制柜以及抽風設備組成，如圖2所示。

▲圖2 激光焊接工藝系統(tǒng)示意圖

（1）激光房。它是將工位封閉并將激光的外泄指標控制在安全標準的范圍內(nèi)，起到了保護罩的作用。通常在激光房內(nèi)安裝攝像頭，便于激光房外監(jiān)視；在激光房的防護門一側和操作工位旁安裝激光報警指示燈，在激光輸出時，起到了保護操作人員安全防護作用。

（2）激光源、激光鏡組及激光冷卻系統(tǒng)。為了產(chǎn)生激光，激光介質(zhì)必須通過能量來激發(fā)，如電能、光能。用于車身激光焊接的激光源目前主要有YAG固體激光源、二極管激光源和光纖激光源三種。冷卻系統(tǒng)用于冷卻激光鏡組和在鏡組上的激光光纜連接頭。

（3）激光光纖。它對激光起傳輸作用，是激光源和激光加工鏡組的聯(lián)結樞紐。通常以SiO2為基質(zhì)材料組成的玻璃實體纖維。

（4）備用光纖。激光光纖必須為兩套，一套為系統(tǒng)正常運行時用；另外一套為備用光纖，當正常運行時的光纖損壞后，能在20 min之內(nèi)將新光纖連接入系統(tǒng)中。

（5）機器人及送絲機。機器人是實現(xiàn)自動激光焊接的關鍵設備。通過編寫不同的機器人程序，可以實現(xiàn)不同車型的共線生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)。更改機器人程序中的激光工藝參數(shù)，可以調(diào)整激光焊接質(zhì)量。送絲機是激光釬焊系統(tǒng)特有的工藝設備，國內(nèi)汽車公司一般選擇型號為VR1500送絲機+TPS4000電源熱送絲系統(tǒng)，可以將送絲機構安裝在機器人手臂上，距離焊槍近，送絲穩(wěn)定性更好。

（6）自動化控制柜。激光釬焊工位自動化生產(chǎn)的核心設備，保證各設備的安全生產(chǎn)。在控制方案上，激光工位一般由一臺單獨的PLC來控制。

（7）零件工裝夾具系統(tǒng)。在零件本身的尺寸滿足要求下，用于保證焊接時兩套零件之間的間隙在要求范圍內(nèi)，精確定位，使零件尺寸匹配，滿足制造要求，提高焊縫質(zhì)量。

（8）抽風設備。排出激光釬焊加工作業(yè)過程中產(chǎn)生的煙霧。

4 激光釬焊在車身車間的應用

激光釬焊是汽車廠主要的車身焊接技術之一，是現(xiàn)代汽車流水線上一道不可缺少的工序，美國最早將高功率激光器引入汽車制造。在我國，上海大眾汽車有限公司率先在Passat-B5車身項目中引進了激光焊接技術，繼而在緊湊型轎車及其后的車型中都得到廣泛應用。激光焊接技術能夠?qū)崿F(xiàn)全自動柔性化生產(chǎn)，節(jié)省車身材料，可提高汽車防腐蝕和安全碰撞等性能，從而使現(xiàn)代汽車能夠向個性化、輕量化、高產(chǎn)能和高性能方向發(fā)展。本文以某白車身后蓋生產(chǎn)為例 （產(chǎn)能45JPH（件/h），生產(chǎn)節(jié)拍80 s），介紹激光釬焊的應用。

4.1 后蓋生產(chǎn)線的設備及加工工藝

（1）后蓋部件與設備組成。后蓋由內(nèi)板總成和外板總成兩部分組成，其中，內(nèi)板總成由內(nèi)板、鎖加強板保護件、鉸鏈加強板組成；外板總成由外板上部和外板下部組成。完成后蓋總成所需主要設備：懸掛式點焊機、涂膠設備、機器人抓手、機器人滾邊設備、凝膠設備、拉鉚槍、輸送帶、激光釬焊系統(tǒng)。

（2）后蓋加工工藝流程。內(nèi)板總成工藝：夾具固定部件—手工涂膠—手工點焊—拉鉚—檢查；外板總成工藝：夾具固定部件—自動激光釬焊—檢查；后蓋總成工藝：夾具固定內(nèi)、外板總成—自動點焊—機器人涂膠—機器人滾邊—凝膠—總成下件—檢查。

4.2 后蓋激光釬焊的工藝要點分析

后蓋激光釬焊的實現(xiàn)依賴于激光釬焊系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)激光功率大小、焊接速度快慢、激光鏡組光斑大小、激光鏡組在XYZ 3個坐標的角度位置、焊絲送絲速度快慢、送絲角度大小等，保證后蓋上下部件激光釬焊的實現(xiàn)，并獲得高質(zhì)量的焊縫。后蓋激光釬焊工藝參數(shù)選取見表1，后蓋外板總成焊接效果如圖3所示。

在后蓋激光釬焊過程中，為保證設備的正常運行，提高焊接質(zhì)量，激光釬焊系統(tǒng)對某些公用參數(shù)有著特殊要求。例如，在焊接過程中激光發(fā)生器會產(chǎn)生較大熱量，需要去離子水來冷卻激光鏡組和激光光纜連接頭，否則設備過熱將導致焊接過程終止，同時為保證設備的正常運行，冷卻水溫度必須高于環(huán)境溫度和相對濕度下的露點溫度，一般設置在20～35℃之間。由于激光頭對灰塵和濕度非常敏感，為了避免因空氣濕度過大而造成結露，影響生產(chǎn)和焊縫質(zhì)量，必須連接干燥、潔凈、無油的壓縮空氣。另外，激光釬焊鍍鋅鋼板過程中，會產(chǎn)生大量的煙塵、鋅蒸汽，因此必須為激光房配置除塵系統(tǒng)，通常選擇局部排風或整體排風兩種形式，本案使用整體排風系統(tǒng)設計，將抽風口接入車間整體除塵系統(tǒng)。

表1 后蓋激光釬焊工藝參數(shù)

▲圖3 后蓋外板總成

5 結束語

隨著激光技術和材料工藝等技術的發(fā)展，激光設備將越來越輕型化，使用將更加便利，能源耗量也大大降低，成本也將隨之越來越低。激光焊接對比傳統(tǒng)的焊接方法有著十分明顯的優(yōu)勢，而生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造，激光焊接在白車身焊接上的應用，前景廣闊。

［1］張永康，崔承康，肖榮詩，等.先進激光制造技術［M］.鎮(zhèn)江：江蘇大學出版社，2011.

［2］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊第1卷 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［3］陳日升，張貴忠.激光安全等級與防護［J］.輻射防護，2007（5）：314-320.