焊接技術在汽車制造中的應用與發(fā)展

激光技術的競爭強化了激光焊接技術在汽車制造工業(yè)中的應用。新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接進入了長期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術所壟斷的汽車車身的制造領域，使得激光技術在汽車工業(yè)中得到了極為廣泛的應用。利用激光混合焊接技術可大大提高沖壓件縫隙的連接能力，更加充分地利用激光高速焊接時電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。

目前，激光及其復合焊接技術已在許多工業(yè)部門得到應用，而汽車是其中最重要的部門，最典型的例子是車身覆蓋件剪裁激光拼焊以及頂蓋與側圍的焊接。用激光將不同厚度、材質及性能的幾塊薄板拼焊起來，再沖壓成形。不但提高了材料利用率，由40%～60%提高到70%～80%，而且減輕了重量，提高了綜合力學性能。與單一的激光焊接技術相比，激光混合焊接技術具有顯著的優(yōu)點:更大的熔深、較大縫隙的焊接能力及更好的焊縫韌性，通過焊絲可以影響焊縫組織結構及無焊縫背面下垂現(xiàn)象等。

一、激光焊原理激光焊采用激光作為焊接熱源，機器人作為運動系統(tǒng)。激光熱源的特殊優(yōu)勢在于，它有著超乎尋常的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的作用點上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點，可實現(xiàn)薄板的快速連接。當激光光斑上的功率密度足夠大(>106W/cm2)時，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內升高至沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸氣以一定的速度離開金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個附加應力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個小凹坑。隨著加熱過程的進行，激光可以直接射入坑底，形成一個細長的“小孔”。當金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著光束相對于工件而沿著焊接方向前進。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方，重新凝固形成的焊縫如圖1所示。

二、激光焊接設備激光焊接設備主要由激光器、光導系統(tǒng)、焊接機和控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應用大多數(shù)還處在6～15kW范圍。YAG激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微連接。近年來，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進展，最大功率已達5kW，并已投人市場。由于其波長短，僅為CO2激光的1/10，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，簡化光導系統(tǒng)。因此，大功率YAG激光焊接技術在今后一段時間內將獲得迅速發(fā)展，成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。

2.光導和聚焦系統(tǒng)光導聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖以及聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)及方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學零件的狀況對激光焊接質量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學部件尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應，表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學部件的質量、維護和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質量至關重要。

3.焊接機器人由于激光-MIG復合焊接技術對焊接接頭的裝配精度要求較低，所以可以不必采用激光釬焊機器人的設計方式，既區(qū)別于常規(guī)的絞臂式焊接機器人，也無需設計焊縫自動跟蹤矯正系統(tǒng)以及激光在線檢測系統(tǒng)，這樣可以大大降低工裝設備的成本投資，降低工裝設計的復雜程度。三、激光焊接方法的特點激光焊接方法具有如下特點：

(1)能量密度高、適合于高速焊接。

(2)焊接時間短、材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合高熔點、高硬度加工。

(3)無電極、工具等的磨損消耗。

(4)對環(huán)境無污染。

(5)可通過光纖實現(xiàn)遠距離、普通方法難以達到的部位、多路同時或分時焊接。

(6)很容易改變激光輸出焦距及焊點位置。

(7)很容易搭載到機器人裝置上。激光復合焊接技術具有顯著的優(yōu)點。對于激光復合焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：無燒穿時焊縫背面下垂的現(xiàn)象，適用范圍更廣；對于激光-MIG焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度、熔焊深度大、產(chǎn)生的焊接熱少、焊縫的強度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使得整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好，設備可用性好及焊縫準備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，焊接生產(chǎn)工時短、費用低、生產(chǎn)效率高。

四、激光-電弧復合熱源焊接的主要形式1.激光-TIG復合焊接激光與TIG復合焊接的特點是：

(1)利用電弧增強激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料。

(2)在焊接薄件時可高速焊接。

(3)可增加熔深，改善焊縫成形，獲得優(yōu)質焊接接頭。

(4)可以緩和母材端面接口精度要求。例如，當CO2激光功率為0.8kW，TIG電弧的電流為90A，焊接速度2m/min時，可相當5kW的CO2激光焊機的焊接能力，5kW的CO2激光束與300A的TIG電弧復合，焊接速度0.5～5m/min時，獲得的熔深是單獨使用5kW的CO2激光束焊接時的1.3～1.6倍。

2.激光-等離子弧復合焊接激光等離子復合焊接采用如圖3所示的同軸方式。等離子弧由環(huán)狀電極產(chǎn)生，激光束從等離子弧的中間穿過，等離子弧主要有兩個功能：一方面為激光焊接提供額外的能量，提高焊接速度，進而提高整個焊接過程的效率；另一方面等離子弧環(huán)繞在激光周圍，可以產(chǎn)生熱處理的效果，延長冷卻時間，也就減少了硬化和殘余應力的敏感性，改善了焊縫的微觀組織性能。

3.激光-MIG復合焊接激光-MIG復合焊的基本原理如圖4所示。除了電弧向焊接區(qū)輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量。激光復合焊技術并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時作用于焊接區(qū)。激光和電弧在不同程度和形式上影響復合焊接的性能。在激光-MIG復合焊接時，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。MIG焊的特點在于電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好，電弧穩(wěn)定性好，易于通過填充金屬改善焊縫結構。而激光束焊的特點在于熔深大，焊接速度高，熱輸入低，焊縫窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同時激光復合焊接的熔池比MIG焊的要小，工件變形小，大大減少了焊后糾正焊接變形的工作。激光-MIG復合焊接，會產(chǎn)生兩個獨立的熔池，而后面的電弧輸入的熱量同時起到了焊后回火處理的作用，降低焊縫硬度(尤其是焊鋼)。由于激光復合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本。

4.雙激光束焊接技術在激光焊接過程中，由于激光功率密度大，使得焊接母材被迅速加熱熔化、氣化，生成高溫金屬蒸氣。在高功率密度激光的繼續(xù)作用下，很容易生成等離子體云，不僅減小工件對激光的吸收，而且使焊接過程不穩(wěn)定。如果在較大的深熔小孔形成后，減小繼續(xù)照射的激光功率密度，而已經(jīng)形成的較大深熔小孔對激光的吸收較多，結果激光對金屬蒸氣的作用減小，等離子體云就能減小或消失。因而，用一束峰值功率較高的脈沖激光和一束連續(xù)激光，或者兩束脈沖寬度、重復頻率和峰值功率有較大差異的脈沖激光對工件進行復合焊接，在焊接過程中,兩束激光共同照射工件，周期地形成較大深熔小孔，然后適時停止一束激光的照射，可使等離子體云很小或消失，改善工件對激光能量的吸收與利用，加大焊接熔深，提高焊接能力，如圖5所示。

五、激光復合焊接技術在汽車車身制造中的應用國內關于激光-電弧復合熱源焊接實際應用的報道較少，國外尤其是德國對此項技術的研究較深入。

激光-電弧復合焊接廣泛應用于汽車工業(yè)。

以德國大眾Phaeton的車門焊接為例(見圖6)：為了在保證強度的同時又減輕車門的重量，大眾公司采用沖壓、鑄件和擠壓成形的鋁件。車門的焊縫總長4980mm，現(xiàn)工藝是7條MIG焊縫(總長380mm)，11條激光焊縫(總長1030mm)，48條激光-MIG復合焊縫(總長3570mm)。激光復合焊同樣用于新型奧迪A8汽車的生產(chǎn)。在A8側頂梁上有各種規(guī)格和形式的接頭，就是采用激光-MIG復合焊工藝，焊縫共計4.5m長。激光復合焊另一特點就是具有很寬的焊速調整范圍。例如，復合焊在焊接Phaeton車門對接接頭時，焊接速度1.2～4.8m/min都是可行的。通常焊絲送絲速度為4～9m/min，激光功率為2～4kW。最優(yōu)化的焊速是4.2m/min，送絲速度6.5m/min，激光功率2.9kW。MIG-激光復合焊接最大焊接速度可達9m/min。

近年來，隨著車輛運輸設備向輕量化發(fā)展，汽車車身結構由空間框架向鋁復合車體開始發(fā)展。隨著大斷面鋁型材的生產(chǎn)和焊接技術的不斷進步，鋁合金在汽車中的應用也不斷增加。目前，汽車鋁車身主要采用激光焊接工藝，由于光束直徑很細，要求坡口裝配間隙小于0.5mm，跟蹤精度很高，一開始尚未形成熔池時熱效率很低。另外，還存在著設備成本高、工件準備工序要求嚴格等問題，這些問題可以通過激光-電弧復合焊接解決。由于電弧焊的復合，熔池寬度增加，使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易。由于電弧可以解決初始熔化問題，使鋁合金對激光的反射減少，提高了激光的吸收率，從而可以大大降低激光器的輸出功率，減少使用激光器的功率。同時電弧焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問題，從而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低熱輸入特點仍保持。德國大眾汽車工程公司的T.GRAF等人自主開發(fā)了用于汽車車身制造的激光-MIG復合焊接機頭。該機頭安裝在弧焊機器人手臂上，幾何尺寸小，適合任何空間位置焊接，在各方向上的調節(jié)精度達到0.1mm。激光復合焊接技術由激光與其他熱源的相互作用,焊接速度提高了，焊接周期縮短了，而且達到同樣焊接目的所需的激光功率降低，這些都能使焊接成本大大降低。另外，這種方法能夠改善像鋁合金、異種材料等的焊接性。因此，激光復合焊接技術無論從工藝角度，還是從經(jīng)濟角度來看都具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

六、結語激光復合焊將兩種焊接方法結合起來，它采用了兩者各自的優(yōu)點，獲得了最佳的焊接效果，更高的焊接速度與良好的焊縫搭橋能力。它是目前最先進的焊接方法之一，實現(xiàn)了高焊接速度與良好焊接質量的完美結合。激光復合焊技術是汽車工業(yè)中一種全新的焊接技術，尤其是對于激光束焊無法實現(xiàn)或在經(jīng)濟上不可行的裝配間隙要求。它具有寬廣的應用范圍和高效的特性,同時減少投資成本、縮短生產(chǎn)時間、節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率，具有更強的競爭力。