激光焊接技術在神龍汽車白車身中的應用

國莉

一、概述

1960年7月8日，美國科學家梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質(zhì)和電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。隨著激光科學技術蓬勃發(fā)展，其作用遠遠超出了其發(fā)明初期人們原有的預想。汽車工業(yè)是激光加工重要的應用領域之一。

白車身焊接一直是以電阻點焊為主，MIG/MAG弧焊、膠結、螺柱焊等多種焊接方法并存。激光焊接以其高生產(chǎn)效率、良好的焊接質(zhì)量、利于車身輕量化以及易實現(xiàn)柔性化等卓越的優(yōu)勢，迅速在白車身焊接中占領了一席之地。世界各大汽車制造廠商先后將激光焊接應用在白車身焊接中。法國PSA集團2005年首次在PSA2005年在西班牙Vigo成功應用激光焊接。神龍汽車2 00 7年在首款高檔車C5的行李箱首次使用了激光釬焊技術。

二、激光焊接技術在神龍汽車白車身焊接中的應用形式

1. 激光釬焊

激光釬焊是利用高能量密度的激光束作為熱源, 照射在填充焊絲表面上，焊絲在光束能量作用下熔化形成高溫液態(tài)金屬，并浸潤到被焊零件連接處，與工件間形成良好的冶金結合。

激光釬焊工藝在神龍汽車公司主要用于頂蓋與側圍的連接，以及行李箱蓋板上下部分的焊接。母材連接方式均屬于卷邊對接，如圖1所示。圖2～圖4分別為實際的焊接形式、頂蓋焊縫、行李箱蓋板焊縫。

2. 激光熔焊

激光熔焊是利用高能量密度的激光束作為熱源，加熱金屬，使被焊金屬被加熱熔化形成焊縫。激光熔焊工藝在神龍公司主要用在車門內(nèi)板的焊接，以及地板前端的焊接上。母材連接方式均為搭接，如圖5所示。圖6～圖8分別為激光熔焊的焊接形式、車門、地板前端的結構形式。

圖1 母材連接方式-卷邊對接

圖2 實際的焊接形式

圖3 頂蓋焊縫

圖4 行李箱蓋板焊縫

3. 神龍汽車公司焊裝車間使用激光焊接情況

神龍汽車公司焊裝車間一共有18個激光焊工位，其中已投產(chǎn)的有10個，在建的有8個。已投入使用的激光器有19臺，其中，有1臺6k W激光器。到2016年，將另有1 9臺激光器投產(chǎn)使用。在已投產(chǎn)的車型中，激光焊縫總共有863條，長度達到45m。其中，新標致408車型激光焊縫總長度達到了12.4m。激光焊技術為神龍汽車公司生產(chǎn)高安全性能、卓越品質(zhì)的白車身提供了有力的保證，如表1所示。

表1 神龍汽車焊裝車間激光焊應用情況

三、激光焊接技術特點

1. 激光焊接技術特點

（1）激光釬焊技術 ①激光釬焊熱輸入低、熱影響區(qū)小，對工件不產(chǎn)生損傷，尤其適合有鍍層金屬的鋼板，如鍍鋅鋼板。②焊縫表面成型質(zhì)量好，幾乎不用返修。適合于白車身外觀區(qū)域的焊接。③釬焊速度快，生產(chǎn)效率高。④激光束易于控制，柔性化好，易實現(xiàn)全自動化控制。⑤非接觸式焊接，可達性好，可焊接幾何形狀復雜的零件。

（2）對零件的要求 相對于傳統(tǒng)的焊接方法，激光釬焊需要更為穩(wěn)定的車身三維尺寸精度。為保證激光釬焊的質(zhì)量與生產(chǎn)的穩(wěn)定，必須控制與激光釬焊相關的各個零件的功能尺寸，包括定位精度、公差等，使其在一定的范圍內(nèi)波動時，不引起焊接質(zhì)量的波動。

激光釬焊常用的接頭形式有對接、卷邊對接、搭接及卷邊搭接等，在零件的設計上要滿足激光釬焊對接頭形式的要求。神龍汽車公司用于激光釬焊的接頭形式為卷邊對接。對于卷邊對接的方式，焊縫間隙必須要控制在0.1～0.35mm之間，并且要求均勻過度。另外，為獲得良好的外觀質(zhì)量，零件表面需要保證清潔無油污、無前工序的焊接飛濺。

圖5 母材連接方式-搭接

圖6 焊接形式

圖7 車門

圖8 地板前端

（3）對設備的要求 激光釬焊對運動系統(tǒng)的定位精度要求較高，因為激光束聚集后光斑尺寸很小，只有精確的定位才能保證光束位置的準確性。在汽車生產(chǎn)線中，激光釬焊的運動系統(tǒng)多采用機器人。機器人要承載激光釬焊頭及其附屬水氣電線路、光纖等裝置，有的還要承載送絲機，因此，機器人必須要有一定的承載能力，并在高速運行的情況下能保證穩(wěn)定的重復定位精度。

激光釬焊的夾具設計主要需要保證焊縫間隙，并防止變形，同時要考慮激光釬焊頭的運動偏轉空間，要保證夾具的壓頭不與其產(chǎn)生干涉。

汽車零件多為曲面，激光釬焊作為一種縫焊技術，一般有較長的行程，因此，需要焊縫跟蹤系統(tǒng)，以保證焊接質(zhì)量。

激光釬焊一般需要千瓦級的激光器，屬于危險光源，出光后會引發(fā)火源，同時其反射光也會對人造成危害，所以激光釬焊應用必須在封閉的環(huán)境中，并考慮足夠的安全條件。獨立的激光安全防護房間的設計是必要的。激光安全防護房的設計除了尺寸上要滿足激光釬焊應用需求，墻壁材質(zhì)需要具有很好的反光效應或者吸光效應。一般的，宜采用鋁材或者帶涂層的鋼材。

（4）激光釬焊設備簡介 第一，激光發(fā)生器及冷卻系統(tǒng)。在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，使用最多的是固體激光器及半導體激光器。這兩類光源都可以采用光纖進行傳輸，一方面可以采用機器人作為移動機構，具有較高的柔性化和自動化的優(yōu)勢；另一方面，適合遠距離加工，激光功率在光纖每米的距離內(nèi)約損失千分之一，這意味著在激光器和加工區(qū)域間可以有很長的距離。對于加工區(qū)域空間的利用有更大的自由。

第二，機器人。實現(xiàn)焊接軌跡的行走，同時承載激光釬焊頭及附屬裝置、水氣電路等。自動化中，機器人負責執(zhí)行焊接動作并與自動化系統(tǒng)對話，調(diào)用系統(tǒng)中的焊接參數(shù)。

第三，激光釬焊頭。主要由幾部分模塊組成，光學組件部分負責將激光束準直再聚焦，控制部分負責實現(xiàn)附加功能，如自動聚焦、自動焊縫跟蹤等。國內(nèi)汽車主機廠所使用的主流的激光釬焊頭是觸覺式焊縫跟蹤系統(tǒng)，故障率低，跟蹤效果可靠。

第四，送絲系統(tǒng)。全自動送絲系統(tǒng)用于在焊接的過程中勻速穩(wěn)定的供送焊絲。激光釬焊中一般采用推拉式送絲機構，以保證焊絲良好的準直性及送絲速度的穩(wěn)定。為保證良好的焊接質(zhì)量，還需要對焊絲進行預熱，需要配備熱絲電源。

圖9 影響激光釬焊質(zhì)量的因素

圖9 影響激光熔焊質(zhì)量的因素

第五，控制系統(tǒng)。我公司的激光焊控制系統(tǒng)主要包含一個工位控制PLC柜，和一個自主工藝柜。其中工位控制PLC主要負責車身的導入和導出，RFI D的讀取和車型識別，機器人循環(huán)和軌跡的管理以及與上下游工位間的信號交換等。自主工藝柜主要負責對激光釬焊工藝相關設備的控制，包括與激光源、激光頭、送絲機等系統(tǒng)的信號交換和控制。并且作為機器人的從站被機器人管理，在機器人軌跡中通過不同的指令，給自主工藝柜發(fā)出命令并通過自主工藝柜管理其相關工藝設備完成整個工藝過程。

2. 激光熔焊技術特點

(1)技術特點 ①激光功率密度高，加熱集中，焊縫深寬比大，熱影響區(qū)小。②非接觸式焊接，可達性強，可以焊接一般焊接方法難以達到的部位。③材料適應性好，可以焊接難焊的材料。④焊接速度快，生產(chǎn)效率顯著高于其他方式。

（2）對零件的要求 我公司所使用的激光熔焊主要是搭接方式。對于裸板焊接，僅需加緊后貼合即可。對于鍍鋅鋼板，則需要保證兩層鋼板之間有0.2mm的間隙，用于鋅蒸汽的逃逸。一般是通過在零件上沖壓凸臺的方式來保證間隙的。

（3）對設備的要求 激光熔焊對設備的需求與釬焊差別不大，僅在于光頭、光纖芯徑、控制系統(tǒng)上，并且激光熔焊不需要送絲機。

四、影響激光焊接質(zhì)量的因素及檢測評價

（1）影響激光釬焊質(zhì)量的因素 主要在于激光、送絲、零件、機器人四大方面，如圖9所示。其中，光絲對中性、光絲直徑是否匹配為激光和送絲兩大因素的交叉因素。所有的因素都從不同的方面對焊接質(zhì)量產(chǎn)生著直接的影響。

（2）影響激光熔焊質(zhì)量的因素 主要在于激光、機器人、零件三大方面。

（3）激光焊接質(zhì)量檢測手段及評價標準 為了保證良好、穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，神龍汽車公司采用多種方法進行檢驗，并制定詳細嚴格的監(jiān)控計劃，以及相應的返修計劃，如表2所示。

五、激光焊接在白車身應用發(fā)展趨勢及展望

激光焊接在白車身的應用已經(jīng)普及，但仍然存在很多問題。首先，激光由于光斑較小，對零件的定位精度要求較高。其次，激光焊設備的一次性投入巨大，備件、輔料、維護的成本高。最后，激光焊島自動化程度非常高，故障率也相對較高。除此之外，影響激光焊質(zhì)量的因素很多，對于故障的排查更為復雜，對維修技術人員的要求很高。

激光焊接技術的發(fā)展是迅速的：激光電弧復合焊接的出現(xiàn)，用于解決激光對定位精度要求高等方面的問題；雙光束焊接，用于改善焊縫成形，提高焊接過程的穩(wěn)定性；激光遠程掃描焊接的出現(xiàn)，使得更高節(jié)拍的生產(chǎn)稱為可能；半導體激光器的出現(xiàn)，有利于大幅降低激光焊設備的一次性投入；激光源分時、分光技術的成熟，有利于柔性化的設計激光焊生產(chǎn)線；同時，我們也期待激光設備的高度模塊化和兼容性設計。總之，汽車行業(yè)希望能夠利用這些新的激光技術來解決汽車行業(yè)在激光焊應用上的難題，借助于新技術，來達到兩個行業(yè)的共贏。

表2 神龍汽車公司激光焊監(jiān)控計劃