高效、快速的激光焊接技術(shù)

如今，激光焊接應(yīng)用于汽車白車身成為一種發(fā)展趨勢(shì)，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、進(jìn)步車身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強(qiáng)車身的強(qiáng)度，在用戶享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。

20世紀(jì)80年代中期，激光焊接技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用到汽車領(lǐng)域。自1993年大眾汽車首次在車頂蓋焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已經(jīng)作為一種成熟、應(yīng)用廣泛的技術(shù)被越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)廠家所采用。

激光焊接中高強(qiáng)度的激光經(jīng)過(guò)特殊的光學(xué)透鏡聚焦，匯聚于一點(diǎn)，從而產(chǎn)生高能量密度的光束，并作用于加工工件表面，使金屬在瞬間熔化甚至蒸發(fā)，被熔化的金屬在原子層面上進(jìn)行重新接合，焊接后的強(qiáng)度等同于甚至強(qiáng)于一整塊金屬板的強(qiáng)度，從而達(dá)到焊接的目的。

產(chǎn)業(yè)上的激光焊接多采用發(fā)光介質(zhì)為Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）的固體激光發(fā)生器，由于其發(fā)出的激光波長(zhǎng)為1 064nm，金屬（特別是鐵）對(duì)它的吸收率接近40%，因而被大范圍的應(yīng)用。

激光焊接的種類

應(yīng)用于車身的激光焊接主要分為兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質(zhì)，激光直接作用在工件表面上進(jìn)行焊接；另一種為填充焊，即通常所說(shuō)的釬焊，主要應(yīng)用于汽車頂蓋的焊接。

根據(jù)激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導(dǎo)焊和穿透焊。

圖2   伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)

由于激光匯聚于一點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度（與能量密度大小有關(guān)），當(dāng)溫度達(dá)到1 490℃時(shí)鋼鐵就會(huì)熔化，利用此種熱效應(yīng)進(jìn)行焊接的方式為熱傳導(dǎo)焊。其過(guò)程為：首先通過(guò)激光將工件表面加熱到熔點(diǎn)，金屬熔化后會(huì)形成一個(gè)半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當(dāng)吸收的激光能量與熔池向四周擴(kuò)散的熱量達(dá)到平衡時(shí)，熔池便不再擴(kuò)大。沿預(yù)定軌跡移動(dòng)激光光束，熔池也隨之移動(dòng)，熔池前方的金屬不斷熔化，后方的金屬冷卻，從而形成一條焊縫。熱傳導(dǎo)焊的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在焊縫光滑且飛濺少，速度為1～3m/min，焊縫深度與寬度比小于1。綜上特點(diǎn)，此焊接方式多用于平板拼焊。

在汽車白車身上，由于焊接鋼板有2～4層，厚度可達(dá)4mm，所以對(duì)焊縫的深度有更高的要求，此時(shí)熱傳導(dǎo)焊無(wú)法滿足工藝的要求，我們需要另一種焊接方式——穿透焊。

穿透焊具有速度快、熔深更深的特點(diǎn)，它對(duì)激光能量密度的要求遠(yuǎn)高于熱傳導(dǎo)焊。當(dāng)激光作用于工件表面時(shí)，金屬迅速汽化（在2 590℃鋼鐵就會(huì)汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴(kuò)散出熔池，并形成一個(gè)蒸汽通道，激光在通道內(nèi)進(jìn)行多次反射可以使金屬對(duì)激光能量的吸收率增加到75%，我們稱之為“小孔效應(yīng)”，當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴(kuò)散出熔池時(shí)，熔池便不再加深，形成一個(gè)穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。熔池經(jīng)過(guò)的位置，在蒸汽通道四周形成金屬熔液活動(dòng)，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強(qiáng)度焊縫。與熱傳導(dǎo)焊相比，穿透焊的上風(fēng)在于其焊接深度更深、速度更快，對(duì)于4mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達(dá)5m/min；而其缺點(diǎn)在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺輕易損傷工件及加工設(shè)備。

圖3   焊接工作站示意圖

區(qū)別于熔焊的另一種焊接方式為填充焊，此種方式并不熔化工件本身，而是利用激光的熱效應(yīng)熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個(gè)工件之間，其優(yōu)點(diǎn)在于焊縫美觀，產(chǎn)生的熱變形小，汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。下面結(jié)合實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明上述焊接方式。

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應(yīng)用于車身加工的激光工藝，其原理為利用激光將焊絲（一般為銅硅合金）熔化并填充到頂蓋與側(cè)圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進(jìn)行密封。激光源采用YAG連續(xù)型激光發(fā)生器，最高輸出可達(dá)4kW，由于焊絲的熔點(diǎn)相對(duì)鋼板要低，所以選擇激光的輸出功率范圍為（1.8～2）kW，在熔化焊絲的同時(shí)，保證頂蓋和側(cè)圍不產(chǎn)生熱變形。激光采用柔性的光纜傳輸，可以使激光發(fā)生器與焊接工位分開(kāi)，避免設(shè)備受到損傷。根據(jù)焊絲直徑的大小，在焊接端利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊絲直徑為1.0mm，將激光聚焦的光斑直徑調(diào)整為1.2mm，使激光最大限度地作用于焊絲上。焊接過(guò)程中由機(jī)器人帶動(dòng)自適應(yīng)式焊接鏡頭（見(jiàn)圖1），轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)伸縮臂在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)（見(jiàn)圖2）。

由于焊絲具有一定的強(qiáng)度，可以在焊接過(guò)程中作為導(dǎo)向指針，整個(gè)伸縮臂由焊絲導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣就彌補(bǔ)了理論編程與實(shí)際焊縫上的位置偏差。

圖4   焊接后頂蓋的一部分

焊接工作站如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）編程控制，機(jī)器人帶動(dòng)鏡頭移動(dòng)至焊接起始點(diǎn)，使焊絲切進(jìn)焊縫，壓縮空氣打開(kāi)，此時(shí)機(jī)器人控制器向激光發(fā)生器與送絲機(jī)發(fā)出指令，保證激光發(fā)射與送絲同步進(jìn)行。焊絲被熔化后填進(jìn)縫隙，經(jīng)冷卻形成光滑平整的焊縫，焊接速度可達(dá)2m/min。焊接過(guò)程中使用保護(hù)氣體（氬氣或氮?dú)猓?，可避免焊縫周邊工件被氧化，使焊縫視覺(jué)效果更加美觀。圖4為焊接后頂蓋的一部分。

穿透焊的過(guò)程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進(jìn)行穿透焊接，無(wú)焊絲填充，機(jī)器人帶動(dòng)鏡頭按照預(yù)先編定的軌跡直接焊接，無(wú)需導(dǎo)向裝置。穿透焊采用激光功率為4kW，遠(yuǎn)高于釬焊。由于焊接中需要熔化工件，所以在焊縫的兩端需要設(shè)置功率斜坡，即在焊接起始時(shí)，功率在30ms內(nèi)從1kW線性增加至4kW，結(jié)束時(shí)功率在30ms內(nèi)從4kW降到1kW。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于避免在起弧和收弧時(shí)將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質(zhì)量。圖5中，車身B柱采用穿透焊，焊接厚度達(dá)到4mm。

為了防止銹蝕，大眾汽車的白車身均采用雙面鍍鋅鋼板。由于鋅的沸點(diǎn)（907℃）遠(yuǎn)比鋼鐵（2 590℃）的沸點(diǎn)低，因此在焊接時(shí)，表面的鋅會(huì)首先汽化。假如兩層鋼板貼得非常緊密，汽化后的鋅蒸汽無(wú)法排出，冷卻后將存留在焊縫中，這樣會(huì)大大降低焊縫的強(qiáng)度，影響焊接質(zhì)量。因此，焊接前應(yīng)先將工件沖出高度為0.3～0.5mm的小坑，以保證工件之間有足夠的縫隙排出鋅蒸汽。由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對(duì)于釬焊更粗糙，但是強(qiáng)度比普通點(diǎn)焊要強(qiáng)得多。

如今，激光焊接應(yīng)用于汽車白車身已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、進(jìn)步車身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強(qiáng)車身的強(qiáng)度，在用戶享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。