激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用價(jià)值分析

屈紅英（安徽省汽車工業(yè)學(xué)校，安徽 合肥 231131）

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激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用價(jià)值分析

屈紅英
（安徽省汽車工業(yè)學(xué)校，安徽 合肥 231131）

在當(dāng)今的汽車制造業(yè)中，激光焊接技術(shù)已經(jīng)憑借著其獨(dú)特的先進(jìn)性得到了廣大汽車制造商的認(rèn)可。本文對(duì)激光焊接技術(shù)進(jìn)行論述，希望能對(duì)汽車制造業(yè)的從業(yè)者有所幫助。

騎車制造；激光焊接；價(jià)值；技術(shù)應(yīng)用；質(zhì)量

汽車制造業(yè)，是工業(yè)中的一項(xiàng)高端的綜合產(chǎn)業(yè)，它是糅合了金屬冶煉與鑄造加工、電子器件制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路設(shè)計(jì)、IT等多各領(lǐng)域技術(shù)內(nèi)容的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。眾所周知，激光，憑借著其強(qiáng)大的能量和穿透性，近些年來在工業(yè)上得到了更為廣泛的應(yīng)用，在汽車制造業(yè)中，激光更是被用在了相關(guān)部件的焊接工藝中。

1 激光與焊接

激光，是一種能源放射的方式，具有速度快、效率高、穿透性強(qiáng)、精密度高等特點(diǎn)。在早年的技術(shù)研發(fā)中，有人曾經(jīng)用激光在頭發(fā)絲上成功的打孔，這一技術(shù)在當(dāng)時(shí)震驚世界。目前，激光通常被應(yīng)用在信息刻錄、軍事用途、工業(yè)切割等方面。焊接技術(shù)是一門傳統(tǒng)的工業(yè)加工工藝，通常被用于兩部分或者多部分同材料或者異材料的金屬連接。這種工藝在機(jī)械制造、金屬材料加工和工程建筑等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

激光焊接和切割，如今在國際汽車制造業(yè)中已經(jīng)占有了相當(dāng)?shù)牡匚?。憑借著自身的特點(diǎn)，激光切割可以更好地適應(yīng)如今汽車制造業(yè)中新結(jié)構(gòu)、多品種、高品質(zhì)低成本、輕量化等要求，并且已經(jīng)為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的效益。隨著市場(chǎng)競爭的日益激烈，以價(jià)格取勝的經(jīng)營策略已經(jīng)行不通了。為了提升產(chǎn)品的檔次，降低生產(chǎn)成本，汽車生產(chǎn)引入激光加工已經(jīng)成為了當(dāng)前的必然選擇。汽車生產(chǎn)企業(yè)通過組建專項(xiàng)項(xiàng)目組，對(duì)激光焊接進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，再將得到的成果運(yùn)用于一線的生產(chǎn)。

2 汽車制造中激光焊接的具體內(nèi)容

首先，要對(duì)激光焊接的作業(yè)中的幾大關(guān)鍵部分內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。包括：大功率激光焊接作業(yè)中存在的復(fù)雜理化行為；等離子對(duì)激光的能量傳輸和耦合的作用機(jī)制；熔池的穩(wěn)定性機(jī)理以及由于小孔缺陷產(chǎn)生的影響；總結(jié)出抑制焊縫和調(diào)控整體組織的合理的理論方法。

作為一項(xiàng)技術(shù)難度較高的先進(jìn)工藝，激光焊接有著極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程。在加工過程中，通過保證激光的能量，可以有效的與焊接工件形成足夠程度的耦合，形成足夠的合理的小孔與熔池，并保證其穩(wěn)定，從而完成焊接并保證焊接質(zhì)量的統(tǒng)一；通過操作，實(shí)現(xiàn)無缺陷或者低缺陷的高效焊接。（1）特有等離子體行為。在研究過程中，通過對(duì)特有等離子體的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合精密的理論計(jì)算，總結(jié)出具體的等離子物理性特征，以此為根據(jù)建立出分層物理模型，從而進(jìn)一步得出等離子對(duì)于激光能量的吸收作用微乎其微，但是卻有強(qiáng)烈的散焦作用。在散焦作用下，焊接工件的能量密度和焊縫熔深都會(huì)受到極大的影響。通過這項(xiàng)研究，可以確保在實(shí)際操作中對(duì)等離子帶來的不良影響加以抑制，對(duì)激光焊接過程中的能量傳輸和耦合行為有重大的影響。（2）小孔與熔池的穩(wěn)定性機(jī)理。通過對(duì)激光與材料的互相作用的理論進(jìn)行研究，建立起GAUSS面熱源和峰值遞增柱狀熱源的組合型熱源模型，進(jìn)一步通過技術(shù)手段，模擬小孔和熔池的同步耦合的并且對(duì)多場(chǎng)模擬的數(shù)值進(jìn)行記錄，對(duì)小孔進(jìn)而熔池形成的瞬態(tài)行為進(jìn)行可視化數(shù)值建模。然后對(duì)這些模擬出來的數(shù)值進(jìn)行研究，全面揭示出小孔壁面金屬流動(dòng)速度的波動(dòng)情況和小孔與熔池的穩(wěn)定性的作用關(guān)系。（3）抑制大功率激光焊接缺陷形成機(jī)理。結(jié)合大量的工藝操作實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析測(cè)試，全面了解小孔帶來的褶皺作用帶來的不利影響、熔池表面存在付溫度梯度產(chǎn)生的“咬邊”和“駝峰”、因?yàn)槿鄢匾后w表面張力產(chǎn)生的下榻等典型焊接缺陷。通過對(duì)這一系列的問題進(jìn)行解決方案的研究，避免因加工缺陷對(duì)焊接作業(yè)加工工件造成不利影響。

3 汽車制造中激光焊接的具體應(yīng)用（以大尺寸白車身為例）

（1）對(duì)于超長三圍曲線焊縫的熱變形控制。對(duì)于白車身的焊接，頂蓋和側(cè)圍的結(jié)合處加工難度很大，保持曲率的一致性加工難度非常高。對(duì)于加工過程中產(chǎn)生的大量殘余應(yīng)力，因?yàn)闊o法得到足夠的空間進(jìn)行釋放，使工件出現(xiàn)波浪形、尖角突起等不良形變。對(duì)于大幅度曲面、薄板工件、長焊縫等部分進(jìn)行焊接時(shí)，殘余應(yīng)力造成影響的現(xiàn)象會(huì)更為嚴(yán)重。

通過項(xiàng)目研究人員的理論計(jì)算和工藝實(shí)驗(yàn)分析，匯總大量的數(shù)據(jù)信息，并且將這些信息用于操作工藝水平提升。通過對(duì)整體熱變形的焊縫的優(yōu)化分為三個(gè)部分。主要包括焊縫分段優(yōu)化、焊路路徑規(guī)劃優(yōu)化、焊接順序優(yōu)化等三部分。通過相關(guān)工藝變換，降低左右光路切換頻率，將生產(chǎn)效率大幅度提高。通過分段優(yōu)化，將原本的單邊的焊縫進(jìn)行分段，先直線后圓弧，將直線部分進(jìn)行一分為二的拆分，從中間起，降低圓弧面裝配的相關(guān)要求，盡可能的減少熱變形的積累，消除因熱變形引起波浪、壓痕和尖角。

（2）復(fù)雜曲面焊接過程中的焊縫駕車與補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化。由于頂蓋屬于三圍曲面覆蓋的特殊形狀，相應(yīng)的焊接單挑焊縫長度很大，并且在拼裝狀態(tài)下會(huì)有一定的不良影響，最終會(huì)造成拼縫和間隙無法達(dá)到理論值的要求范圍。并且由于焊接的局部性熱效應(yīng)，焊縫間會(huì)產(chǎn)生不良形變。所以，面對(duì)這些問題，傳統(tǒng)的焊接工藝已經(jīng)不能滿足部件加工的技術(shù)指標(biāo)要求。

針對(duì)這一問題，相關(guān)技術(shù)研究人員開發(fā)了通過以視覺和觸覺相結(jié)合的方式，對(duì)焊縫進(jìn)行測(cè)量、跟蹤和補(bǔ)償，并且建立除了一套功能完善的操作系統(tǒng)。利用機(jī)器視覺技術(shù)，以汗死作為力敏元件，對(duì)有需要部分進(jìn)行填充，通過轉(zhuǎn)軸和伸縮臂組成機(jī)構(gòu)，利用相應(yīng)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)對(duì)程序設(shè)定位置和焊縫之間的偏差進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的即時(shí)動(dòng)態(tài)變換，對(duì)于拼裝狀態(tài)的焦點(diǎn)位置、束流能量和束流姿態(tài)等多維運(yùn)動(dòng)軌跡生成策略，對(duì)頰側(cè)和控制過程中的實(shí)質(zhì)性問題加以解決，并建立起焊接工作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，通過這些措施，使加工經(jīng)度控制在0.1 mm以內(nèi)。

4 激光焊接工藝對(duì)比傳統(tǒng)焊接工藝存在的優(yōu)勢(shì)

隨著激光焊接的應(yīng)用，傳統(tǒng)焊接所暴露出來的各種弊端得到了很大程度上的解決。首先，激光焊接技術(shù)和傳統(tǒng)焊接相比更加精準(zhǔn)。通過專業(yè)儀器和技術(shù)人員的測(cè)算與設(shè)計(jì)，激光焊接的焊接工藝更加精確、誤差率更小、精準(zhǔn)度更高，更加適合車身的加工和高難度部位的技術(shù)處理。其次，激光焊接技術(shù)更加節(jié)約成本。一方面激光加工技術(shù)的能量釋放更加集中，定位更加準(zhǔn)確，能源利用效率更高更好，可以減少大量不必要的能源浪費(fèi)，同時(shí)也避免了大量廢料的產(chǎn)生，降低了報(bào)廢工件的出產(chǎn)率。進(jìn)一步將企業(yè)的生產(chǎn)損耗降到最低。第三，激光焊接技術(shù)更加高效。通過激光焊接的高精準(zhǔn)度和更加科學(xué)的加工工藝，企業(yè)可以大幅度的提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約時(shí)間成本鄧小平同志曾經(jīng)說過，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。通過激光焊接之類的高端技術(shù)應(yīng)用，我國的汽車工業(yè)必將能有一個(gè)大幅度的提高，并且在激烈的市場(chǎng)競爭中，取得更優(yōu)異的成績。

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