高效、快速的激光焊接技术

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如今，激光焊接应用于汽车白车身成为一种发展趋势，采用激光焊接不仅可以降低车身重量、提高车身的装配精度，同时还能大大加强车身的强度，在用户享受舒适的同时，为其提供更高的安全保障。 20世纪80年代中期，激光焊接技术开始被应用到汽车领域。自1993年大众汽车首次在车顶盖焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已经作为一种成熟、应用广泛的技术被越来越多的汽车生产厂家所采用。 9 K/ u5 q& G% K* d5 } E2 V 图1  由机器人带动自适应式焊接镜头 激光焊接中高强度的激光经过特殊的光学透镜聚焦，汇聚于一点，从而产生高能量密度的光束，并作用于加工工件表面，使金属在瞬间熔化甚至蒸发，被熔化的金属在原子层面上进行重新接合，焊接后的强度等同于甚至强于一整块金属板的强度，从而达到焊接的目的。 x" M$ N1 d: P+ v3 G 工业上的激光焊接多采用发光介质为Nd:YAG（钕钇铝石榴石）的固体激光发生器，由于其发出的激光波长为1 064nm，金属（特别是铁）对它的吸收率接近40%，因而被大范围的应用。 , A1 A' K1 x L' f% O 激光焊接的种类 应用于车身的激光焊接主要分为两种方式：一种为熔焊，不需要填充物质，激光直接作用在工件表面上进行焊接；另一种为填充焊，即通常所说的钎焊，主要应用于汽车顶盖的焊接。 ' a/ `! `/ F9 B) t4 V 根据激光束能量密度的大小，熔焊又可分为热传导焊和穿透焊。 ) l4 h6 |1 B5 f+ z p / d# a4 D1 |# G- |' P, K6 b 图2   伸缩臂自身可以在垂直方向移动 . U$ F; p% X, T* b8 X 由于激光汇聚于一点时会产生相当高的温度（与能量密度大小有关），当温度达到1 490℃时钢铁就会熔化，利用此种热效应进行焊接的方式为热传导焊。其过程为：首先通过激光将工件表面加热到熔点，金属熔化后会形成一个半球形的熔池，熔池的半径和深度慢慢增大，当吸收的激光能量与熔池向四周扩散的热量达到平衡时，熔池便不再扩大。沿预定轨迹移动激光光束，熔池也随之移动，熔池前方的金属不断熔化，后方的金属冷却，从而形成一条焊缝。热传导焊的优点体现在焊缝光滑且飞溅少，速度为1～3m/min，焊缝深度与宽度比小于1。综上特点，此焊接方式多用于平板拼焊。 8 x; Y; T5 c3 V' A* g6 [* ]) ]& Z7 X 在汽车白车身上，因为焊接钢板有2～4层，厚度可达4mm，所以对焊缝的深度有更高的要求，此时热传导焊无法满足工艺的要求，我们需要另一种焊接方式——穿透焊。 穿透焊具有速度快、熔深更深的特点，它对激光能量密度的要求远高于热传导焊。当激光作用于工件表面时，金属迅速汽化（在2 590℃钢铁就会汽化为蒸汽），以蒸汽的形式扩散出熔池，并形成一个蒸汽通道，激光在通道内进行多次反射可以使金属对激光能量的吸收率增加到75%，我们称之为“小孔效应”，当产生的蒸汽压力不足以扩散出熔池时，熔池便不再加深，形成一个稳定的焊接状态。熔池经过的位置，在蒸汽通道周围形成金属熔液流动，使上下两层板熔合在一起，金属冷却后，便形成一条高强度焊缝。与热传导焊相比，穿透焊的优势在于其焊接深度更深、速度更快，对于4mm厚的低碳钢板材，焊接速度可达5m/min；而其缺点在于其将金属迅速汽化后产生的大量飞溅容易损伤工件及加工设备。 $ n4 N5 b2 D3 S2 k7 r , @# W+ G0 f& D* m7 t2 v 图3   焊接工作站示意图 + [- F6 k6 E" n' f 区别于熔焊的另一种焊接方式为填充焊，此种方式并不熔化工件本身，而是利用激光的热效应熔化焊丝，并将其填充到所需焊接的两个工件之间，其优点在于焊缝美观，产生的热变形小，汽车顶盖的焊接多采用此种方式。下面结合实例来具体说明上述焊接方式。 汽车顶盖激光钎焊技术 汽车顶盖激光钎焊技术是最早应用于车身加工的激光工艺，其原理为利用激光将焊丝（一般为铜硅合金）熔化并填充到顶盖与侧围工件的缝隙中，不但起到连接的作用还可以进行密封。激光源采用YAG连续型激光发生器，最高输出可达4kW，由于焊丝的熔点相对钢板要低，所以选择激光的输出功率范围为（1.8～2）kW，在熔化焊丝的同时，保证顶盖和侧围不产生热变形。激光采用柔性的光缆传输，可以使激光发生器与焊接工位分开，避免设备受到损伤。根据焊丝直径的大小，在焊接端利用光学镜头改变激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊丝直径为1.0mm，将激光聚焦的光斑直径调整为1.2mm，使激光最大限度地作用于焊丝上。焊接过程中由机器人带动自适应式焊接镜头（见图1），转动轴带动伸缩臂在水平方向上转动，而伸缩臂自身可以在垂直方向移动（见图2）。 6 s2 G7 w) g% `7 Y& y2 U1 f9 S 由于焊丝具有一定的强度，可以在焊接过程中作为导向指针，整个伸缩臂由焊丝导向运动轨迹，这样就弥补了理论编程与实际焊缝上的位置偏差。 6 i1 [# b$ X5 x% M5 u 图4   焊接后顶盖的一部分 焊接工作站如图3所示，整个系统采用PLC（可编程逻辑控制器）编程控制，机器人带动镜头移动至焊接起始点，使焊丝切入焊缝，压缩空气打开，此时机器人控制器向激光发生器与送丝机发出指令，保证激光发射与送丝同步进行。焊丝被熔化后填入缝隙，经冷却形成光滑平整的焊缝，焊接速度可达2m/min。焊接过程中使用保护气体（氩气或氮气），可避免焊缝周边工件被氧化，使焊缝视觉效果更加美观。图4为焊接后顶盖的一部分。 穿透焊的过程与钎焊有所不同，激光在两层钢板上进行穿透焊接，无焊丝填充，机器人带动镜头按照预先编定的轨迹直接焊接，无需导向装置。穿透焊采用激光功率为4kW，远高于钎焊。因为焊接中需要熔化工件，所以在焊缝的两端需要设置功率斜坡，即在焊接起始时，功率在30ms内从1kW线性增加至4kW，结束时功率在30ms内从4kW降到1kW。这样做的优点在于避免在起弧和收弧时将钢板焊穿，形成小洞，从而影响焊接质量。图5中，车身B柱采用穿透焊，焊接厚度达到4mm。 4 d2 P- }2 a N' z7 o- x 图5  车身B柱采用穿透焊 为了防止锈蚀，大众汽车的白车身均采用双面镀锌钢板。由于锌的沸点（907℃）远比钢铁（2 590℃）的沸点低，因此在焊接时，表面的锌会首先汽化。如果两层钢板贴得非常紧密，汽化后的锌蒸汽无法排出，冷却后将存留在焊缝中，这样会大大降低焊缝的强度，影响焊接质量。因此，焊接前应先将工件冲出高度为0.3～0.5mm的小坑，以保证工件之间有足够的缝隙排出锌蒸汽。由于飞溅大，穿透焊的焊缝相对于钎焊更粗糙，但是强度比普通点焊要强得多。 如今，激光焊接应用于汽车白车身已经成为一种趋势，采用激光焊接不仅可以降低车身重量、提高车身的装配精度，同时还能大大加强车身的强度，在用户享受舒适的同时，为其提供更高的安全保障。

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