新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 车身激光焊接技术

1
回复
974
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2012-11-4 21:56:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x

本文结合工作实际介绍了激光焊接的工艺特点、系统构成、技术运用以及激光焊接在汽车车身制造方面的应用、发展现状、方向等,特别介绍了业内的一些解决方案提供者。
焊接是指一种将材料永久连接,并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品在生产制造中都不同程度地应用了焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域,直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。进入21世纪,中国已逐渐成为世界上最大的焊接钢结构制造国。
车身激光焊接的概念
在汽车制造工艺里,焊接同样是汽车装配流水线上一道不可缺少的工序。通常来讲,车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。近年来,世界上出现了激光焊接技术并且发展得很快,我国的大众车系最先采用了激光焊接这种先进的制造工艺。
激光焊接是指将具有高能量密度的、被聚焦到微小点上的激光光束配合使用非活性气体,不氧化熔融部分而进行焊接的加工方法。与传统的点焊工艺不同,激光焊接可以达到两块钢板之间的分子结合,通俗而言就是焊接后的钢板硬度相当于一整块钢板,从而将车身强度提升30%,车身的结合精度也大大提升。当车辆发生碰撞时,采用激光焊的车身安全系数也更高。
另外,车辆在道路上行进时,来自地面的颠簸会转换成每分钟上千次的扭曲运动,考验车身的质量,如果车身结合强度不够,轻则车内异响频频、噪音大,严重的可能导致安装在车辆上的零部件如变速箱、前后桥的损坏或者车身断裂。事实上,无论多好的路况,我们的座驾都在不断进行高强度扭曲运动,而且随着速度提升、路程增加,这种考验会越来越严峻,并直接关乎驾乘者的安全。激光焊接的实际使用意义同样体现在这一点上。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,几乎没有连接间隙,焊接深度/宽度比高,因此焊接质量比传统焊接方法高。如果激光焦点靠近工件,工件就会在几毫秒内熔化和蒸发。但是,如何保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程的监测与质量控制是激光利用领域的重要内容,这包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。所以说,激光焊接是一门技术性非常强的先进制造工艺。一般要根据金属的光学性质(如反射和吸收)和热学性质(如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等)来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等,对普通金属来说,光强吸收系数大约在105~109W/cm2数量级。如果激光的功率密度为105~109 W/cm2,则在金属表面的穿透深度为微米数量级。为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑,要控制激光功率密度,使金属表面温度维持在沸点附近。对一般金属,激光功率密度常取105~106 W/cm2左右。

图1 车身激光焊接作业现场
激光焊技术在汽车行业中的运用
汽车工业中,激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。其中激光拼焊是在车身设计制造中根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造。经过十余年的发展,激光焊接从最开始仅用于车顶连接,到现在已经遍布白车身的各个部分。
1、激光焊的优点
激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。采用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量也提高了车体的刚度,目前已经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。
2、激光焊接的工艺特点
按焊接熔池形成的机理区分,激光焊接有两种基本模式:热导焊和深熔焊,前者所用激光功率密度较低(105~106W/cm2),工件吸收激光后,仅达到表面熔化,然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅、深宽比较小。后者激光功率密度高(106~107W/cm2),工件吸收激光后迅速熔化乃至气化,熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底,使小孔不断延伸,直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时,小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方,凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大,深宽比也大。在汽车制造领域,一般选用深熔焊。
深熔焊过程中产生的金属蒸气和保护气体,在激光作用下会发生电离,从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用,因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量,并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹非活性气体,如氦气、氩气等驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应,使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生,研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控,具有十分重要的理论意义和实用价值。
由于经聚焦后的激光束光斑小(0.1~0.3mm),功率密度高,比电弧焊(5×102~104 W/cm2)高几个数量级,因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点:加热范围小,焊缝和热影响区窄,接头性能优良;残余应力和焊接变形小,可以实现高精度焊接;可对高熔点、高热导率,热敏感材料及非金属进行焊接;焊接速度快,生产率高;具有高度柔性,易于与机器人配合实现自动化。
激光焊与电子束焊有许多相似之处,但它不需要真空室,不产生X射线,更适合生产中推广应用。因此,激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位,成为高能束焊接技术发展的主流。
3、激光焊接设备
激光焊接设备主要由激光焊接室、激光发生器(包括冷却系统)、导光系统、焊接机和控制系统组成。
(1)激光焊接室
应用于车身焊接的激光功率较大,在工作中不可避免地会产生散射、折射等现象,甚至发生设备故障,这些对人体有危害。所以一般工厂都会在激光焊接的工位搭建一个封闭的焊接室,防护等级必须达到美国FDA激光安全标准Class 4级,避免激光泄露对人体造成伤害。当激光光束在工作时,焊接室内不允许有人。
(2)激光发生器
用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光发生器两种,两者优缺点比较如表1所示。
激光发生器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑,CO2激光器具有比YAG激光器更大的优势,是目前深熔焊接主要采用的激光器。CO2激光器在生产上的应用大多数还处在1.5~6kW范围,但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难,一般功率小于1kW,可用于薄小零件的微联接。不过,近几年来,国外在研制和生产大功率YAG激光器方面已取得了突破性的进展,最大功率已达5kW,并已投入市场。由于其波长短,仅为CO2激光的1/10,有利于金属表面吸收,可以用光纤传输,使导光系统大为简化。可以预料,大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展,成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。
(3 )导光和聚焦系统
导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成,实现改变光束偏振状态、方向,传输光束和聚焦的功能,这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下,光学部件,尤其是透镜性能会劣化,使透过率下降;产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦距缩短);表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量,维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
(4)激光焊接机
它的作用是实现光束与工件之间的相对运动,完成激光焊接,分焊接专机和通用焊接机两种。后者常采用数控系统,有直角坐标二维、三维焊接机或关节型激光焊接机器人。

表  CO2激光器和YAG激光器比较



 楼主| 发表于 2012-11-4 21:58:37 | 显示全部楼层
改善和发展激光焊接的新技术
随着时代的进步,激光焊接的技术也在不断发展中,以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平。
1、填充焊丝激光焊
激光焊接一般不填充焊丝,但对焊件装配间隙要求很高,实际生产中有时很难保证,限制了其应用范围。采用填丝激光焊,可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板,如不采用填充焊丝,板材间隙必须为零才能获得良好的成形,如采用φ1.6mm的焊丝做为填充金属,即使间隙增至1.0mm,也可保证焊缝良好的成形。此外,填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。
2、光束旋转激光焊
使激光束旋转进行焊接的方法,也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时,允许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm;而对4mm厚的板,则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。
3.激光焊接质量在线检测与控制
利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测,近年来已成为国内外研究的热点,少数研究成果已达到了闭环控制的程度。图1是激光焊接质量检测和控制系统的实例。
该系统所用传感器及其功能简单介绍如下:
(l)等离子体监测传感器
□ 等离子体光学传感器(PS):它的作用是采集等离子体的特征光——紫外光信。
□ 等离子体电荷传感器(PCS):利用喷嘴做探针检测,由于等离子体带电粒子(正离子、电子)的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。
(2)系统功能
□ 识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程,等离子体、PS、PCS信号均很强;稳定热导焊过程,不产生等离子体,PS、PCS信号几乎等于零;模式不稳定焊过程,等离子体间断性地产生和消失,相应地PS、PCS信号间断性地上升和下降。
□ 诊断传输到焊接区的激光功率是否正常。当其他参数一定时,PS和PCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此,监视PS和PCS信号就可以知道导光系统是否正常,焊接区的功率是否发生了波动。
□ 喷嘴高度自动跟踪。 PCS信号随喷嘴—工件距离的增加而减小。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴工作距离不变,实现高度方向的自动跟踪。
□ 焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内,光束焦点位置发生波动时,PS接收到的等离子体光信号亦随之变化,以最佳焦点位置处(此对小孔最深)PS信号最小。依据所发现的这个规律,可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制,使焦点位置波动小于0.2mm,熔深波动小于0.05mm。

图2 正在进行激光焊接的车身板件
部分激光焊接方案提供商介绍
1、Trumpf通快华嘉有限公司——激光切割与焊接
德国通快华嘉有限公司的激光技术在欧美大型汽车厂得到了广泛的应用,并取得显著的成效
2、GSI集团——固体脉冲激光器
GSI集团是具有近40年历史的专业激光设备制造商,为全球汽车、航空航天、医疗、半导体和电子行业提供激光器产品。
3、德国罗芬激光技术(上海)有限公司——激光焊接系统
德国Rofin集团生产的RofinRWS远程焊接系统、扫描焊接系统等被广泛应用于汽车、钢铁领域。通过离线编程及轨迹生成系统,振镜和机器人同步工作,实现高速无时滞焊接。
4、米亚基公司——激光焊接机
该公司在小型功率(600W以下)的激光焊接机拥有非常广阔的市场,比如一体式YAG激光焊接机系列等。

图3 激光焊接质量检测和控制系统
激光焊接在汽车制造业的发展现状
目前,德国大众汽车公司在AudiA6、GolfA4、Passat等品牌的车顶均采用激光焊接,宝马、通用公司在车架顶部也采用激光焊接,德国奔驰公司则采用激光焊接传动部件。
除了激光焊接,其他激光技术也得到了广泛应用:大众、通用、奔驰、日产公司应用了激光技术切割覆盖件,菲亚特和丰田公司应用激光涂覆发动机排气阀,大众公司则对发动机凸轮轴进行激光表面硬化处理。
从目前国内的情况来看,国际品牌的国产化车型:帕萨特、波罗、途安、奥迪、东风标致、福克斯等都已经采用激光焊接技术,其中一汽大众奥迪A6顶盖和宝来后盖采用激光焊接,速腾和途安的车身激光焊缝长度分别达到30、40m。此外,国内自主汽车品牌的华晨、奇瑞、吉利汽车也相继在其新车型上应用激光焊接技术。

回复 支持 反对

使用道具 举报

华阳碳纤维
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线