簡單分析激光焊接技術在一汽-大眾白車身焊接中的應用

摘要：介紹了激光焊接技術在一汽－大眾各種車型白車身焊接上的應用，不僅提高了車身防腐性能，而且使車身強度提高30％，極大地提高了生產效率，確保車身制造精度高，又保證了汽車車體的美觀，同時減輕了車身質量。重點論述了激光焊接的基本原理和各種焊接方式的特點及焊接接頭形式，激光熔焊及激光釬焊特點，激光焊系統基本組成結構和焊接參數規(guī)范的選擇。分析了激光焊缺陷的種類及影響激光釬焊質量的因素，介紹一汽－大眾激光焊質量檢測的手段和方法及評價標準、激光焊的安全防護措施及其發(fā)展趨勢。

關鍵詞：激光焊接；激光釬焊；質量檢測；白車身激光焊接

前言

至從1960年美國人發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來，在近幾十年的時間里，激光應用技術得到了飛速的發(fā)展。德國大眾汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接白車身頂蓋與側圍、側圍、車門等鈑金焊接。激光作為一種優(yōu)異的材料加工熱源得到了越來越廣泛的應用，其范圍也日益廣泛。從電子工業(yè)到機械制造領域，激光加工技術變得越來越成熟。

在汽車制造領域，激光加工技術得到了廣泛的應用和發(fā)展。其中激光熔焊、激光釬焊技術正是在車身制造的推動下開發(fā)出來的一項新的連接技術。德國大眾汽車公司成功的將激光焊技術應用到了汽車白車身焊接上。一汽－大眾汽車有限公司在新一代的產品(BORA A4、Golf A4、Golf A6、Caddy、Sagitar、Maogtan、Magotan CC、Audi A6、Audi A6L、Audi A4、Audi Q5 等)中引進了這一激光焊接新技術，不僅提高了車身防腐性能，而且使車身強度提高30％，極大提高了生產效率，確保車身制造高精度，又保證了汽車車體的美觀，同時減輕了車身質量，為汽車行業(yè)生產輕量化汽車作出了突出貢獻。

1、應用

1.1 激光焊接技術的經濟效益

1.1.1 激光焊接加速了采用沖壓零件代替鍛造零件的進程

激光可以焊接不同厚度和不同表面涂鍍層的金屬板，再經過沖壓，能達到變形的最合理的金屬組合，省去了二次加工。

1.1.2 降低了廢品率

激光束改進了產品設計投產周期，減少搭接寬度和加強部件的數量，并簡化車身結構件，減輕了車身質量。

1.1.3 提高汽車品質

采用激光焊接工藝可以顯著改善車身的抗沖擊性、抗疲勞性、防腐性能、白車身強度以及安全性能。

1.1.4 提高汽車生產商的效益

采用激光拼焊板可以大大提高汽車設計的靈活性，且大大降低了模具數量，增加了材料利用率，并一次沖壓成型。

1.2激光在汽車生產中的主要應用形式

1.2.1 飛行焊接



包括疊板焊接、梯角焊接、雙焦點焊接。激光束照射在材料上，將其加熱至融熔，使對接在一起的組件接合在一起。激光焊接，使用比切割金屬時功率小的激光束，使材料熔化而有少量汽化，在冷卻后成為一塊連續(xù)的固體結構。飛行焊接適用范圍如圖1 所示。

1.2.2 激光釬焊



包括卷邊焊接、等高梯角焊接、不等高梯角焊接、冷絲焊接、熱絲焊接。單獨使用激光或聯合其他熱源，用于熔化填充物，使填充物滴落在母材表面，將母材緊密連接在一起。激光釬焊適用范圍如圖2所示。

1.2.3 混和焊接

激光＋MIG；激光＋MAG 等。

1.2.4 激光切割

用于板材切割等。

1.2.5 激光打標



用于刻字、銘牌標記等。PQ35 平臺不同形式的激光焊接工藝如圖3 所示。

1.3一汽－大眾激光設備在焊裝生產中應用概況



一汽－大眾激光設備在焊裝生產中應用概況如圖4 所示。焊裝車間共采用了德國TRUMPF 公司生產的激光焊機60 臺，這些設備維修技術復雜且備件價格昂貴，同時作為一項全新的技術，激光焊白車身焊接技術的應用也給一汽－大眾汽車有限公司的員工隊伍提供了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。

其中開迪、速騰、邁騰車型共采用激光焊縫1 600 余條，焊縫累積長度近70 m，如此大規(guī)模、大批量采用激光焊技術在整個一汽－大眾汽車有限公司乃至在整個汽車產業(yè)界都是少有的。預計未來5 年內，將繼續(xù)購買激光焊機27 臺。為一汽－大眾汽車有限公司向廣大顧客交付品質卓越的轎車提供有力的保證。

激光焊接技術的主要特點是：

(1)工作效率高，定位精度高、焊縫變形?。?br /> (2)外觀美觀，質量穩(wěn)定；
(3)利用光學原理能量集中的特性對零件進行焊接；
(4)最大功率可達到4 400 W，保證了焊接強度遠遠大于其他焊接方法；
(5)Sagitar 白車身采用21 臺激光焊機，焊縫長度為9 m，使車身整體強度提高了30％。

1.4一汽－大眾焊裝車間激光焊接使用分布狀況



一汽－大眾焊裝車間激光焊使用統計如圖5 所示。

2、功能和特點

奧迪A6L 是國產技術領先、品質優(yōu)良的高檔豪華轎車，是高科技的結晶。主焊線白車身的側圍與頂蓋的焊接采用激光焊，使白車身的焊接質量大幅度提高，為一汽－大眾汽車有限公司生產品質卓越的奧迪A6L 高級轎車提供了保證。激光就是通過激發(fā)激光發(fā)生體，使能量放大、疊加，以放射的形式發(fā)射(光的放大就是處于高能級的原子受光輻射，由高能級躍遷到低能級，同時發(fā)光)。激光焊是利用激光的熱量加熱金屬，使被焊金屬熔化并形成焊縫。

以奧迪A6L 車型為例，具體說明其特點：

2.1激光熔焊及激光釬焊的特點

(1)激光熔焊的特點：

a．功率密度高，加熱集中，焊縫熱影響區(qū)?。?br /> b．獲得較小的焊縫寬度；
c．直線性好，可以焊接一般焊接方法難以達到的部位，傳播距離長；
d．可以焊接難熔的材料；
e．一臺激光焊機可以用于多個工位的焊接；
f．激光對焊接接頭具有“凈化作用”，使焊縫金屬強度高、韌性好、機械性能好；
g．激光焊的缺點是有焊縫腐蝕的危險；
h． 激光焊接動作均由機器人完成，實現了精確定位的同時，也使得生產時間縮短30％。

(2)激光釬焊主要特點：

a．激光釬焊焊接速度快，噪聲??；
b．可精確調節(jié)和控制熱輸入，熱影響區(qū)和變形小，可以焊接特殊結構；
c．可釬焊幾何形狀復雜的工件；熱輸入更低，鍍鋅層燒損更少；
d．焊縫成形美觀、質量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理；
e．通過外光路系統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成柔性加工系統；
f．由于在激光填絲釬焊時被連接件間的間隙被滲透，焊縫具有防腐性。當采用適當的工藝參數，焊縫可不經處理進行油漆。

2.2 激光焊與釬焊、CO2 焊的比較



激光焊、釬焊、CO2 焊特點比較如表1 所示。

2.3 激光焊系統基本結構



以3000W激光焊為例介紹其基本結構。激光設備組成如圖6所示。

(1)激光控制器：由3 個共振器和3 個放大器組成組成，主要產生激光。
(2)控制裝置：控制和監(jiān)視整個激光器。包括內部功能、操作單元控制、接口根據外部設備(如SPS)控制等。
(3)配電裝置：將電網電源分配到各個控制單元，并控制激光設備的起動和安全回路。
(4)燈供電：供給激光器的激發(fā)燈管的動力。
(5)內冷卻裝置：將激光中相應的損失熱排除到一個外部冷卻水循環(huán)中(環(huán)流)。
(6)激光光纜：傳輸激光。激光光束直徑為0．6mm的光柵，核心為玻璃透明材料，芯旁有一個電纜，預防光纜斷裂，電纜有感應，外部網起保護作用。激光光纜彎曲直徑應大于200 mm。
(7)加工鏡組：通過快門、轉向器等將光纜末端激光經2 個透鏡組將平行光再次聚焦到工件表面上。
(8)PLC 控制機：外部控制裝置，由PLC 操作可以進行外部控制打開和關閉。
(9)機器人控制器：可編輯機器人程序，控制整個系統處于正常狀態(tài)，可以直接控制激光器的激光打開→激光準備好→程序激活→程序完成→程序
中斷。
(10)激光控制器：可編輯激光焊參數，內部控制激光的產生、故障診斷、信息的提示、記錄等功能。
(11)冷卻機組：當外循環(huán)冷卻系統冷卻內循環(huán)的溫度超過39℃時，冷卻機組工作冷卻外循環(huán)溫度，使激光共振器和放大器在30 ℃正常工作。

2.4激光焊作用原理

由機器人控制器發(fā)出信號給PLC，PLC 獲得程序號發(fā)射給激光控制器，激光控制器得到程序號準備開始工作，機器人開始移動，使掛在機器人頭部滑槽正好在一半的位置，此時放出保護氣體氬氣。

當垂直電壓和水平電壓分別為1 500 mV 和3 000 mV時，以4 m／min 的速度焊接，同時給激光發(fā)出一個指令，激光器程序運行，發(fā)出激光，并沿頂蓋焊接，焊縫長1．5m，焊后激光關閉，機器人停止運動，沿頂尖接觸工件相反方向返回。

當頂尖從零件中離開，機器人開始移動，此時垂直電壓和水平電壓仍為1500mV和3000mV，機器人回原位時，垂直電壓和水平電壓均為0 mV，則另一側機器人開始重復上述內容，完成1．5 m長焊縫，至此整個白車身焊接完成。

2.5 焊接參數的選擇

(1)激光功率3 kW。固體激光器(Nd:YAG－釹：釔、鋁、石榴石)能量可調，系統全自動調節(jié)功率達3kW。
(2)激光焊速度4 m／min。焊接速度取決于能量密度，能量密度越大，焊接速度越快。
(3)板材為鍍鋅鋼板。側圍外板厚0．8 mm，頂蓋板厚0．75mm。裝配間隙：通過頂尖來控制，一般為0．05～0．20mm。當焊縫寬度小于0．15mm時，鋅蒸氣不能通過側面的間隙排除，而從焊縫表面排除，易產生氣孔缺陷；當焊縫寬度大于0．15 mm 時，熔化金屬不能完全填充間隙，造成強度不足。焊縫厚度與板材相同時，機械性能最好，焊縫寬度取決于焦點直徑；焊縫深度則取決于能量密度、焊接速度、聚焦直徑。
(4)保護氣體為氬氣，流量為25 L／min，使用壓力為0．15～0．20 MPa。
(5)焦點直徑0．6 mm。
(6)焦點位置：對于板厚1 mm 時，聚焦正好在上表面位置上，焦點位置取決于圓錐的形狀。
3、影響激光釬焊質量的因素



影響激光焊接質量的因素如圖7 所示

4、激光焊質量檢測手段

為了保證焊縫質量，一汽－大眾采用多種方法進行檢驗，并制定詳細嚴格的返修計劃，以確保白車身的強度。

4.1 檢測方法

4.1.1 目視檢驗

(1)依據德國標準PV 6917 標準；
(2)對每一個下線的分總成都要進行目視檢驗；
(3)重點檢測焊縫的熔透狀況(如未熔透、過熔透、燒穿)，兼顧焊縫的表面狀況(如飛濺、氣孔)；目視檢測時激光焊縫缺陷的種類如圖8 所示。



激光釬焊目視檢查評價方法如表2 所示。


4.1.2 破壞性檢驗

破壞性檢驗所用工具如圖9 所示。

4.1.3 金相顯微分析

激光焊縫微觀缺陷種類如圖10 所示。

4.1.4 無損檢測




激光焊無損檢測方法比較如表3 所示。

4.2激光釬焊缺陷返修基本要求

激光釬焊缺陷返修基本要求如表4 所示。

4.3 激光焊安全

激光焊設備是根據技術標準和承認的安全技術規(guī)則制造的，但還可能在使用過程中對使用者或第三者的人身和生命造成危險，或者對設備及其他貴重物品產生消極影響。德國Trumpf 公司的設備通常按下列激光保護等級進行分配：

4.3.1 激光產品等級

(1)CLASS1； (2)CLASS1M； (3)CLASS2； (4)CLASS2M；(5)CLASS3R；(6)CLASS3B；(7)CLASS4。

等級1 是指在適當的操作條件下是安全的，包括直視光學部分，如：有保護蓋的光學元件。
等級4 是指射線對眼睛和皮膚有危害，必須采取相應的安全措施。首先借助于特殊的激光保護眼鏡保護眼睛。激光焊接的常用警示標牌如圖12 所示。

4.3.2 評價方法

(1)對眼睛的傷害。Nd:YAG 激光波長為1 064 mm，可穿透眼角膜、眼球、玻璃體在眼底進行聚焦，將會造成永久性傷害，如圖13 所示；(2)對皮膚的傷害。

4.3.3 操作激光焊機應注意的事項

(1)激光是不可見光，必須戴防護眼鏡；(2)機器人本身很重，移動速度快，易傷人；(3)每次工作前檢查激光間內部是否有人，門是否關緊；(4)未受過安全培訓的人不得進入激光間；(5)可以通過激光間外的玻璃窗觀察機器人等工作狀態(tài)，該玻璃是特殊材料制成的，可濾掉一定波長范圍內的光，或使用鏡頭監(jiān)視；(6)定期檢查金屬間是否有破損，以防激光外漏；
(7)經常觀察激光間外部警示燈；(8)紅色：按急停開關；(9)橘黃—長亮，激光點燃。閃爍—激光未點燃(焊機上指示燈)；(10)橘紅：激光準備好，可以焊接。(11)綠色：開始工作，正常。

5、激光焊未來發(fā)展趨勢

在激光加工工藝中存在母材受熱熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充滿金屬蒸汽，金屬氣體與激光作用形成等離子云。等離子云吸收、反射激光，降低金屬材料對激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；對焊接母材端面接口要求高，容易產生錯位；容易生成氣孔疏松和裂紋；焊后在母材端面之間的接口部位存在凹陷，焊接過程不穩(wěn)定等情況。

同時，為消除或減少單熱源激光焊接的缺陷，人們在保持激光加熱優(yōu)點的基礎上，利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱，從而把激光與其他熱源一起進行復合熱源焊接。主要有激光與電弧、激光與等離子弧、激光與感應熱源復合焊接以及雙激光束焊接等。



根據汽車工業(yè)批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式，自動化方向發(fā)展。激光器則向二極管激光器及碟式激光器，光纖激光器方向發(fā)展。激光器形式如圖14 所示。

新型二極管及高能碟式激光焊機的最大優(yōu)點是：

(1)功率反饋與控制系統穩(wěn)定，輸出功率大，碟式激光器的光電轉換效率大于30％，穩(wěn)定性好，可以根據用戶使用要求自由組合進行拓展；
(2)可以降低設備投資20％～30％；
(3)減少運行費用，能源消耗進一步降低；
(4)激光焊機壽命延長；
(5)采用飛行焊接設備，協同作業(yè)效果好，動態(tài)效果、靈活型等，可使焊接范圍更廣范；
(6)焊接參數調整更方便，工藝過程時間縮短，焊接速度提高；
(7)光路互換保證生產，所有激光器TLN 聯網，便于監(jiān)控；
(8)設備維修更簡捷，碟式激光器免維護。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、鋁板等材料，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，并大量應用到生產線上，在汽車生產線上如汽車結構件(包括白車身的車門、側圍、后蓋、頂蓋等)的高速拼焊，并已取得了巨大的經濟效益和社會效益。