陳肖林：激光切割和焊接在車身覆蓋件加工的應(yīng)用

2016-04-25 00:00:00

來源：網(wǎng)絡(luò)

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關(guān)鍵詞：激光,激光加工,激光技術(shù)

　　由OFweek中國高科技行業(yè)門戶主辦、OFweek電子工程網(wǎng)承辦的“OFweek 2014 汽車電子與先進制造技術(shù)論壇”于3月19日下午在上海永達國際大廈成功舉辦。

　　隨著全球汽車市場需求的擴大，汽車電子技術(shù)與激光加工、工業(yè)機器人等先進制造技術(shù)也以此為依托而迅速地更新與發(fā)展；這些技術(shù)推動了汽車業(yè)界的發(fā)展，同時也為廣大的從業(yè)者們帶來了更多的機遇與挑戰(zhàn)。

　　在本次論壇上，OFweek特邀上海交大汽車工程研究院、深圳比亞迪微電子有限公司、安森美半導(dǎo)體、ST意法半導(dǎo)體、華工激光、大族激光、泰克科技等與會專家和資深行業(yè)人士就汽車電子和汽車制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀、市場前景和前沿技術(shù)等業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點作了多個專題報告，并和臺下企業(yè)代表和聽眾進行了廣泛交流和深入探討。此次研討會共吸引近300名相關(guān)企業(yè)的中高層管理人員及高級工程師前來，也受到汽車電子和汽車制造行業(yè)同仁的大力支持。

　　在汽車智能化進程加速推進的同時，以3D打印、機器人、激光技術(shù)為代表的先進制造技術(shù)也在不斷推動汽車制造業(yè)的更新?lián)Q代。現(xiàn)代制造技術(shù)與傳統(tǒng)汽車制造工藝的碰撞正在不斷上演，先進制造技術(shù)與汽車生產(chǎn)的結(jié)合已是大勢所趨，在此，大族激光鈑金裝備事業(yè)部汽車行業(yè)總監(jiān)陳肖林為大家?guī)怼都す馇懈詈秃附釉谲嚿砀采w件加工的技術(shù)應(yīng)用》的報告。

　　一、激光焊接技術(shù)基礎(chǔ)知識篇

　　1、激光焊接原理

　　激光焊接實質(zhì)是熱熔化焊接。利用激光四大特性，通過光學(xué)系統(tǒng)將優(yōu)異的激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時間內(nèi)使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區(qū)，從而使母材熔化并形成牢固的焊點或焊縫。根據(jù)激光熱加工機理，分為兩種機理：熱傳導(dǎo)焊和深熔焊。

　　焊接工藝示意圖

　　2、激光焊接特點

　　焊接速度快，焊接效率高。

　　熔深大，焊縫深寬比大（深寬比：熱傳導(dǎo)焊一般0.5，激光深熔焊可達5-10）。

　　比能小（即熱輸入量或焊接線能量小）——焊接變形小。

　　焊接強度高，焊縫金相組織良好。黑色金屬激光焊縫強度一般高于母材。

　　焊接精度好，可實現(xiàn)精密焊接。

　　可不加填充材料，實現(xiàn)自熔焊。

　　焊接材料適應(yīng)性好。有色、黑色金屬及部分非金屬（塑料等）可采用激光焊接，異種材料也可采用激光焊接。只是不同材料激光焊接性能差異很大！對焊接件的適應(yīng)性好。即焊接尺寸可很大，也可很小；形狀可復(fù)雜，也可簡單。

　　焊接系統(tǒng)柔性高。易于實現(xiàn)自動化控制和遠距離焊接。

　　相比傳統(tǒng)焊接，污染小、噪音小。是一種綠色制造。

　　可與其它焊接方式復(fù)合，進行激光復(fù)合焊接，達到增大熔深和適應(yīng)不同材料目的。

　　可添加焊接材料進行激光釬焊。

　　可在大氣中進行焊接。

　　可透過容器壁，焊接處在真空環(huán)境中的零件。

　　適用水下、太空環(huán)境中焊接。

　　3、常用激光焊接方式

　　3.1、自熔焊接

　　是指將高能量強度的激光束直接照射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料內(nèi)部熔化，繼而冷卻結(jié)晶形成焊縫。根據(jù)熱力學(xué)機理的不同，激光自熔焊又可分為激光熱傳導(dǎo)焊和激光深熔焊。熱導(dǎo)焊時材料只是熔化，焊接過程簡單平穩(wěn)、熔深小；深熔焊時材料發(fā)生了熔化、氣化和等離子化等一系過程，并伴有小孔效應(yīng)，過程復(fù)雜，具有較大深寬比，是工業(yè)應(yīng)用的主要激光焊接方法。

　　3.2、復(fù)合焊接

　　是指將激光熱源和作為第二熱源的電弧復(fù)合起來作用在同一熔池上的焊接方法。激光電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光和電弧的優(yōu)勢，使其既具備一般電弧焊的高適應(yīng)性特點，又具備激光焊接的大熔深、高速、低變形的特點。激光電弧復(fù)合焊中所添加的電弧主要有TIG電弧、等離子弧和GMA電弧（即熔化極氣體保護焊，包括MIG焊和MAG焊）。激光-GMA電弧復(fù)合焊是目前最受業(yè)界矚目，研究和應(yīng)用最廣的一種。

　　復(fù)合焊接工藝示意圖

　　復(fù)合焊接熔池形狀示意圖

　　3.3、激光釬焊

　　激光釬焊的原理：激光器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（母材未熔化）潤濕母材，填充接頭間隙，與母材結(jié)合，形成焊縫，實現(xiàn)良好的連接。

　　激光釬焊的特點

　　激光釬焊焊接速度快，噪聲小。

　　可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，熱影響區(qū)和變形小，可以焊接特殊結(jié)構(gòu)。

　　可釬焊幾何形狀復(fù)雜的工件，熱輸入更低，鍍鋅層燒損更少。

　　焊縫成形美觀，質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需后處理。

　　通過外光路系統(tǒng)可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)。

　　由于在激光填絲釬焊是被連接件的間隙被滲透，焊縫具有防腐蝕性。當(dāng)采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，焊縫可不經(jīng)處理進行油漆。

　　3.4、激光填絲焊

　　是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時填入焊接材料以形成焊接接頭的一種工藝方法。同激光非填絲焊相比激光填絲焊具有以下優(yōu)點：（1）可以降低對工件坡口加工，裝配的精度要求，提高焊縫成形質(zhì)量，擴大激光焊的適用范圍；（2）可以用較小的功率實現(xiàn)厚板焊接；（3）通過調(diào)節(jié)填絲成分，可以控制焊縫區(qū)域的組織性能。

　　商務(wù)車頂蓋與側(cè)圍組焊常用激光填絲焊工藝

　　3.5、掃描式遠程焊

　　遠程激光焊是指采用高速掃描振鏡頭進行長工作距離加工的一種激光焊接方法。其定位精度高、時間短、焊接速度快、效率高；工作距離長，不會與焊裝夾具干涉；光學(xué)鏡片污染少；可定制任意形狀焊縫以優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度等。與電阻點焊相比，遠程激光焊接技術(shù)充分發(fā)揮了單側(cè)，非接觸式激光焊接帶來的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，并將其與高速掃描振鏡具有的優(yōu)勢相結(jié)合，大大縮短了焊接時間，提高了總生產(chǎn)效率，可有效用于日益增多的汽車覆蓋件及零部件焊接，如汽車座椅、車身覆蓋件等常用到該工藝。

　　掃描式振鏡頭示意圖

　　二、白車身制造激光焊接篇

　　1、汽車制造激光應(yīng)用簡介

　　汽車工業(yè)是一個需要大量加工和測試的生產(chǎn)型產(chǎn)業(yè)，也是激光技術(shù)應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一，安全性、舒適性、節(jié)能和環(huán)保一直是世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題，激光技術(shù)作為現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的主要加工方法之一，其發(fā)展也主要是圍繞著這一主題并結(jié)合本專業(yè)的自身特點進行的。由于激光焊接工藝優(yōu)越性、效率高、柔性好等優(yōu)勢，隨著汽車輕量化概念、安全性能觀念日益增強，激光切割、激光焊接工藝在汽車工業(yè)領(lǐng)域尤其得到重視和廣泛應(yīng)用.其應(yīng)用主要體現(xiàn)在汽車座椅、白車身、不等厚板拼焊、齒輪、一般零部件焊接五大類。

　　2、零部件應(yīng)用案列

　　3、白車身制造

　　激光焊接已成為白車身制造標(biāo)準(zhǔn)工藝！

　　首先，激光焊接技術(shù)為車身如何實現(xiàn)輕量化和剛度提供了工藝保障.在汽車制造中的一個重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點焊，比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長多達30m。

　　其次，激光焊接技術(shù)相比傳統(tǒng)電阻點焊，焊接工效也得到了大幅度提升；如國內(nèi)上海大眾的Polo、Passat 車型和一汽大眾Bora、Audi等大多數(shù)車型的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個重要標(biāo)志。

　　以上兩點，激光加工技術(shù)同時可以為汽車制造企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益。

　　整車激光組焊

　　激光組焊是將各種車身構(gòu)件，先兩兩雙件組焊，然后再多件組焊，從而形成白車身分總成，各分總成再總裝成車身。可應(yīng)用于大批量、小批量及新的樣車生產(chǎn)。激光焊接替代電阻焊接是一種必然趨勢！

　　一般采用高功率固體激光器和機器人組合。

　　頂蓋與側(cè)圍組焊

　　激光組焊技術(shù)的優(yōu)缺點

　　激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自動化、柔性化、輕量化和降低成本等方面都具有無可比擬的優(yōu)越性。在國外對汽車追求“安全第一”的環(huán)境下，激光焊接技術(shù)的發(fā)展很快。激光焊接在汽車工業(yè)中，特別是中高檔車的生產(chǎn)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。

　　車身零部件激光搭接焊技術(shù)

　　車身零部件激光角接焊技術(shù)

　　激光釬焊(復(fù)合焊）焊接工藝

　　覆蓋件應(yīng)用

　　鋼板激光拼焊技術(shù)

　　是將不同厚度、強度、材質(zhì)鋼板，“剪裁”成合適尺寸和形狀的坯板，然后用激光焊接成能進行沖壓的板材。一般是鋼鐵企業(yè)的附屬產(chǎn)品。車身立柱、門內(nèi)板、防撞桿等白車身零件為減輕車身重量，但又得保證車身強度。

　　鋼板激光拼焊應(yīng)用

　　門內(nèi)板：在安裝車門鉸鏈子地方直接采用厚度大、強度高的板材，省去傳統(tǒng)的加強工藝。

　　4、車身焊縫工藝標(biāo)準(zhǔn)

　　汽車鋼板厚0.5mm到3.5mm，一般最大熔深不超過6mm，對于焊縫長度小于50mm

　　焊接圖形一般設(shè)計成以下三種焊縫形狀：

　　側(cè)圍立柱組焊應(yīng)用案例

　　車身焊接工藝技術(shù)要求

　　焊縫長度L2最小值一般不小于25mm。

　　5、激光搭接焊與電阻點焊工藝對比

　　在車身的激光焊接中，常見的焊接結(jié)構(gòu)有對接接頭、搭接接頭和角接接頭等。在實際生產(chǎn)中，大量的焊縫形式是多層鍍鋅鋼板(2～3層)搭接的I型焊縫。在車身激光焊接中，由于輸入激光功率密度高，若焊縫太長，因熱積累容易產(chǎn)生熱變形；若焊縫太短，則無法滿足車身焊接接頭強度要求。