利用激光焊接技术改善汽车制造成本

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　　本文主要介绍在激光焊接技术中对气体的选择对许多方面的影响，这些方面包括了激光光束相互作用，防护效率，焊珠性能，以及用来传输标准的气体混合物和流量的设备。

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　　目前竞争激烈的汽车市场中有着对速度的急切需求。而从消费者方面来说，他们更为关心的是马力。然而，在制造业中，速度就是生产量和生产率的全部。美国汽车制造商们由于众多的原因，包括了车身设计，认知品质还有拥有成本等，正在逐步失去其市场份额。

　　虽然关于车身设计的讨论并不在本文的考虑范围内，然而，提高质量和生产率的策略却是讨论的重点。这两者都能通过混合加工技术来实现，这项技术将激光焊接与传统金属极气体电弧焊(GMAW)结合起来进行焊接。

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　　激光参数，比如波长，光束质量，光斑大小，功率密度，焦深，以及光束定位等等，对于成功进行焊接都是十分关键的。其他参数还包括对GMAW能量源的常规补充和脉冲传递，GMAW金属丝的定位，接触的角度，以及金属线的化学性质。此外，基底材料氧化物表面情况，对接处的设计，焊缝宽度以及保护气体类型和流量也给混合焊接工艺的质量和性能带来了影响。

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　　下面将详细的介绍气体的选择对许多方面的影响，这些方面包括了激光光束相互作用，防护效率，焊珠性能，以及用来传输标准的气体混合物和流量的设备。

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　　混合的激光加工技术将一个二级能源合并到焊接池区域。混合加工技术使得激光焊接的优势得到具体化，这些优势包括了焊接速度得到提高，热影响区域受到限制，焊接的接缝变窄同时具有精良的焊道外形。GMAW作为二次能源，它提高了总体的加工能量效率，降低了装备成本的同时还提高了焊接缝隙的能力，此外，它降低了冷却速率，同时改善了铝的能量耦合效率。

　　其次，尽管设备更加复杂，但是通过减小进行焊接所需要的谐振腔的尺寸，GMAW的供能成本就降低了，从而降低了整个机器的成本。根据所要的结果可以决定GMAW焊丝进给位置在激光光束之前或之后。利用拖尾式的GMAW焊丝进给方式可以实现较高的焊接速度。GMAW焊丝被送入激光产生的熔融焊池中，这样熔融焊丝所需要加入的二次能量就降低了。

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　　此外，当填充焊丝到达尾部时，GMAW的电弧产生等离子体，蒸发了基底材料，从而在焊接池的前边缘处产生了凹陷。在熔融的焊接池内的此凹陷降低了激光光束必须穿透的总深度，从而改善了穿透性能。

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　　已有资料很好的证明了，从匙孔或者焊接区域排出的蒸汽粒子会导致激光光束的衰减(散射和吸收)，从而降低与基底材料耦合的光束能量。1激光光束的散射和吸收降低了焊接的速度和深度。2胶层决定了粒子越大，衰减效应就越严重。

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　　氦保护气体带来最小的平均蒸汽粒子大小。这说明了对CO2或YAG激光焊接来说，纯氦是控制粒子大小的最佳选择。我们必须承认，氦气与氩气相比，确实有比较高的电离率和较低的等离子体形成电压，但是它的分子重量较小。因此，氦保护气需要较大的流速，以保证有效的将激光光束路径上的金属蒸汽排出。由于氦气的单位成本高于氩气，因此，这就增加了焊接过程中平均每英尺成本。

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　　为了优化保护气体以实现抑制等离子体，排出蒸汽粒子以及降低单位成本，我们考虑使用高达40-50%的氩气混合气体。比重越高，混合气体所需要用来排出蒸汽粒子的流速就越小。混合气体还在焊接池固化过程中提供了更长时间的惰性气氛，从而使焊接速度更大。它还降低了捕获气体的量，从而减轻了由于多孔性而带来的报废率。

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　　其次，固化率的降低促进了晶粒的生长和内部应力的减轻，这就增加了疲劳强度。由于纵横比(焊缝深度/宽度)较高和随后的应力所产生的焊接裂缝都几乎被清除了，这是因为GMAW填充金属的加入导致了焊接面宽度增加。

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　　在混合气体中，适当的添加少量的二氧化碳和/或氧气，或将它们作为GMAW过程的二次保护气体，能够进一步的提高焊珠的性能。氦-氩混合气体易于产生更高的电弧电压，相应的得到的焊珠外形更宽，电弧稳定性也更高。

　　因此，可以加入3-10%的二氧化碳来稳定传递和收缩电弧。在一些情况下，可以加入1-5%的氧气来实现优质的电弧稳定性，同时在焊接边缘实现更好的连接(浸湿)。与二氧化碳混合气体相比，氧气由于电离率较低，热导率性能较高，易于提供宽而浅的穿透分布。

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　　针对所需质量和生产率标准的混合气体被最终确定以后，还需要考虑如何把它们经济的运送到使用地点。用户可以通过在生产现场混合这些保护气体，利用低成本的液态氩供应方式。为什么不用支付预混高压氦气筒的价格来支付氩气，二氧化碳或者氧气呢？

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　　氩气可以通过液态氩瓶来经济的运送,满足高达35,000立方英尺的月消耗，该数量相当于每月的混合气体用量为87,500立方英尺。氩气的月消耗量更大的话可以使用批量供给来实现成本水平的优化。分析中还需要考虑到填充损耗，每月设备费，成批供给的合同限制，以及运费等等因素。

　　另一方面，氦气一般是通过高压Tube Trailer或者钢瓶组来供给的。现场的混合需要一个混合系统，它能够准确的调节从0-100%的微小成分。总的质量系统可以通过在混合器的出口放置一个分析仪来实现监控，一旦混合比超出误差范围，就会报警。已有软件和报警系统可以将这种信息传至桌面电脑，或者通过传真或电子邮件送至更远的地方。

　　合理设计的混合激光气体传送系统使用户能够实现更高的焊接速度，相应的得到更高的生产率。关注保护气体的参数，如类型，流量，与冲击角度，将提高焊接质量，降低光束吸收和散射效果。

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　　不断发展辅助焊接技术，将一些方法如GMAW和激光技术相结合，使得用户能够发挥出两项技术的优势，并且从中受益。【MechNet】