汽車工業(yè)中的激光焊接技術

汽車工業(yè)中的激光焊接技術相關產(chǎn)業(yè)相關產(chǎn)業(yè)CorrelativeIndustries相關產(chǎn)業(yè)相關產(chǎn)業(yè)CorrelativeIndustriesPAGE64WMEMPAGE64WMEM4期2010年8月PAGE644PAGE644期2010年8月WMEM汽車工業(yè)中的激光焊接技術燕來榮1.激光焊接技術的特點及應用領域世界上第一個激光器的成功演示在40多年前，在今天，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。激光技術的應用目前遍及科技、經(jīng)濟、軍事和社會的許多領域。汽車工業(yè)是激光加工重要的應用領域，占激光加工15%的份額。激光焊接、激光切割、激光標記、激光打孔都有著廣泛的應用。激光焊接技術在制造領域的應用穩(wěn)步增長，由脈沖到連續(xù)，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡單單縫到復雜形狀，激光焊接在不斷的演化過程中已經(jīng)逐步成為一種成熟的現(xiàn)代加工工藝技術。激光(受激輻射光)最基本的特點就是：單色性、方向性、相關性，這些獨特性質(zhì)加上由此而來的超高亮度，超短脈沖等性質(zhì)使它已經(jīng)緊緊的和現(xiàn)代工業(yè)結合在一起，這些特質(zhì)非常適合焊接加工。激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束、等離子束和一般機械加工相比較，具有許多優(yōu)點。激光束的激光焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度的合金材料；激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題；

激光束能量可調(diào)，移動速度可調(diào)，可以多種焊接加工；激光焊接自動化程度高，可以用計算機進行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進行任何復雜形狀的焊接；激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理；激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復雜結構內(nèi)部位置的工件；激光束易于導向、聚焦，實現(xiàn)各方向變換；激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統(tǒng)，操作方便；激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。激光器一般按產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)不同來分類，主要有半導體(GaAs,InP等)激光器、固體(Nd:YAG等)激光器、氣體(CO2、He-Ne等)激光器、液體(可調(diào)諧染料等)激光器、化學激光器、自由電子激光器等。其中氣體激光器以氣體或金屬蒸汽為發(fā)光粒子，它是目前種類最多，激勵方式最多樣化，激光波長分布區(qū)域最寬，容易實現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，應用最廣泛的一類激光器。固體激光器是將產(chǎn)生激光的粒子摻于固體基質(zhì)，其濃度比氣體大，因而可以獲得比較大的激光能量輸出，具有能量大，峰值功率高，機構緊湊，牢固耐用等特點，在激光焊接中主要就采用這兩種受激物質(zhì)的激光器。激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接，在連續(xù)焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接，隨著激光輸出功率的提高，特別是高功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光深穿透技術在國內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展，最大的焊接深寬比已經(jīng)達到了12∶1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發(fā)展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料，激光焊接速度也達到了每分鐘幾十米，激光焊接技術日益成熟，并大量應用到生產(chǎn)線上，在汽車生產(chǎn)線上如齒輪焊接，汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊并已取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。在激光應用技術的各個領域中，激光性能的發(fā)展趨勢是在不斷地提高，這種發(fā)展趨勢可以增大激光的功率和提高激光的射束質(zhì)量，借助于新的激光器件外殼，也需要很大的機器，同時需要復雜的外部冷卻系統(tǒng)，因此需要占用很大的工廠空間，這無疑會導致較高的投資費用，而且那時的焊接設備習慣使用Nd：YAG固態(tài)激光器。雖然后來二極管激光器的成功應用逐漸取代了這種固態(tài)激光器，但這些二極管激光器的質(zhì)保時間通常不足3000h，仍然無法和固態(tài)激光器競爭。隨著新型的二極激光器的研制成功，它們幾乎都是免維護的，而且預期壽命可高達20000h，因此成功地替代了固態(tài)激光器成為廠商的首選?，F(xiàn)在的激光焊接系統(tǒng)其結構簡潔緊湊，標準的系統(tǒng)可處理最大240mm×240mm的工件，而且聚焦直徑小于1.5mm。此外，還可選用各種過程監(jiān)測手段?？吹蕉O管激光技術的巨大應用潛力和廣闊的應用前景，供應商們不斷加大研發(fā)力度，許多新技術由此應運而生。例如，二極管激光光纖耦合技術以及使用工業(yè)機械手進行激光焊接等，其中，二極管激光光纖耦合技術即使更換激光源后仍可保證激光光束的均一性。隨著技術的進步，激光焊接能夠很容易地利用工藝和設備的優(yōu)勢來彌補該技術與常規(guī)方法在設備成本上的差距。因此，成本因素已經(jīng)不再是限制激光焊接技術獲得廣泛應用的主要原因。4.汽車激光加工和機器人焊接新技術激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等；光化學反應加工是指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。激光加工具有一些其它加工方法所不具備的特性。由于它是無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機械變形；激光加工過程中無刀具磨損，無切削力作用于工件；激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部

加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。因此，其熱影響的區(qū)小工件熱變形小后續(xù)加工最??；由于激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合、對復雜工件進行加工因此它是一種極為靈活的加工方法；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。激光加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。汽車制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使機器人生產(chǎn)方式在汽車焊接中獲得了大量應用。焊接機器人是本體獨立、動作自由度多、程序變更靈活、自動化程度高和柔性程度極高的焊接設備。具有重復精度高、焊接質(zhì)量好、運動速度快和動作穩(wěn)定可靠等特點，焊接機器人是焊接設備柔性化的最佳選擇。焊接設備作為焊裝生產(chǎn)線的重要組成部分，是否采用焊接機器人是焊裝生產(chǎn)線柔性程度的重要標志之一。由于機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機器人焊接中得到應用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽車制造中的應用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機器人電弧焊的最大的特點是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點。尤其是現(xiàn)代社會汽車款式的更新速度非?？?，采用機器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應這種變化。機器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械等等。因此，機器人電弧焊的應用范圍日趨廣泛，在數(shù)量上大有超過機器人點焊之勢。隨著汽車輕量化制造技術的推廣，一些高強合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結構材料中得到應用。這些材料的焊接往往無法用傳統(tǒng)的焊接方法來解決，必須采用新的焊接方法和焊接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發(fā)展?jié)摿?。因此，機器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結合將成為必然趨勢。5.激光焊接技術的應用前景激光焊接技術對傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態(tài)度，采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車工業(yè)。激光焊接技術在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大，激光器生產(chǎn)廠家應該抓住商機，在激光器的可移動性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產(chǎn)線的需要。國內(nèi)一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識到這一點，生產(chǎn)的脈沖激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠離焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長，也可以使用傳統(tǒng)的光學傳統(tǒng)系統(tǒng)，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動化生產(chǎn)線。據(jù)了解，未來激光焊接技術將會采用方式：一是改進現(xiàn)有技術，這意味著針對發(fā)展激光焊接將會有一種新的激光源—纖維激光，這是一種設有靈活的纖維諧振器的激光，輸入能量比率遠遠高于輸出能量，整個設備將比較緊湊，大功率纖維激光的另一個好處在于模件建造，許多功率大約為300W~500W的纖維諧振器，如果發(fā)生技術漏洞，更換一個合適的模塊非常容易，在這種情況下，由于激光工作的時間比較長，因此也不需要配備一個訓練有素的技術員。另一種是在一些以電阻螺柱焊接為主的地區(qū)介紹的激光焊接方式—“交替龍門焊接”，當

焊接時間超過50%的工作時間時，激光焊接裝置更為節(jié)省。在應用方面,現(xiàn)在正在應用電阻螺柱焊接，解決這個問題的辦法是一種規(guī)定有兩個焊接交替配置的激光，當一個配置的焊接正在運行時,另一個配置處處理頭向下一個焊接位置移動，在這以后激光將轉至另一個焊接配置，這項技術已由蒂森克虜伯引進。除此之外針對汽車制造商也將會出現(xiàn)完全新式的使世界焊接領域發(fā)生革命性變化的焊接技術，如摩擦焊接。它的優(yōu)勢是只需能夠焊接兩個零件必要的低能量輸入即可，而熱量變形較低。由于溫度非常低,因此，焊縫不會比材料堅硬，但也有不足之處：高強度壓力和快速自轉要求必須要很好地固定住金屬零件。以前有幾家公司采用這項技術來焊接鋁。但無論從哪個角度來說，激光拼焊技術將會是未來車身焊接技術的發(fā)展方向。激光焊接技術對傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態(tài)度，采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車工業(yè)。激光焊接技術在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大，激光器生產(chǎn)廠家應該抓住商機，在激光器的可移動性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產(chǎn)線的需要。國內(nèi)一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識到這一點，比如湖北光通光電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的脈沖Nd:YAG激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠離焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長，也可以使用傳統(tǒng)的光學傳統(tǒng)系統(tǒng)，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動