利用激光焊接技術改善汽車制造本錢

本文主要先容在激光焊接技術中對氣體的選擇對很多方面的影響，這些方面包括了激光光束相互作用，防護效率，焊珠性能，以及用來傳輸標準的氣體混合物和流量的設備。

目前競爭激烈的汽車市場中有著對速度的急切需求。而從消費者方面來說，他們更為關心的是馬力。然而，在制造業中，速度就是生產量和生產率的全部。美國汽車制造商們由于眾多的原因，包括了車身設計，認知品質還有擁有本錢等，正在逐步失往其市場份額。

固然關于車身設計的討論并不在本文的考慮范圍內，然而，進步質量和生產率的策略卻是討論的重點。這兩者都能通過混合加工技術來實現，這項技術將激光焊接與傳統金屬極氣體電弧焊（GMAW）結合起來進行焊接。

激光參數，比如波長，光束質量，光斑大小，功率密度，焦深，以及光束定位等等，對于成功進行焊接都是十分關鍵的。其他參數還包括對GMAW能量源的常規補充和脈沖傳遞，GMAW金屬絲的定位，接觸的角度，以及金屬線的化學性質。此外，基底材料氧化物表面情況，對接處的設計，焊縫寬度以及保護氣體類型和流量也給混合焊接工藝的質量和性能帶來了影響。

下面將具體的先容氣體的選擇對很多方面的影響，這些方面包括了激光光束相互作用，防護效率，焊珠性能，以及用來傳輸標準的氣體混合物和流量的設備。

混合的激光加工技術將一個二級能源合并到焊接池區域。混合加工技術使得激光焊接的上風得到具體化，這些上風包括了焊接速度得到進步，熱影響區域受到限制，焊接的接縫變窄同時具有精良的焊道外形。GMAW作為二次能源，它進步了總體的加工能量效率，降低了裝備本錢的同時還進步了焊接縫隙的能力，此外，它降低了冷卻速率，同時改善了鋁的能量耦合效率。

其次，盡管設備更加復雜，但是通過減小進行焊接所需要的諧振腔的尺寸，GMAW的供能本錢就降低了，從而降低了整個機器的本錢。根據所要的結果可以決定GMAW焊絲進給位置在激光光束之前或之后。利用拖尾式的GMAW焊絲進給方式可以實現較高的焊接速度。GMAW焊絲被送進激光產生的熔融焊池中，這樣熔融焊絲所需要加進的二次能量就降低了。

此外，當填充焊絲到達尾部時，GMAW的電弧產生等離子體，蒸發了基底材料，從而在焊接池的前邊沿處產生了凹陷。在熔融的焊接池內的此凹陷降低了激光光束必須穿透的總深度，從而改善了穿透性能。

已有資料很好的證實了，從匙孔或者焊接區域排出的蒸汽粒子會導致激光光束的衰減（散射和吸收），從而降低與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膠層決定了粒子越大，衰減效應就越嚴重。

氦保護氣體帶來最小的均勻蒸汽粒子大小。這說明了對CO2 或 YAG激光焊接來說，純氦是控制粒子大小的最佳選擇。我們必須承認，氦氣與氬氣相比，確實有比較高的電離率和較低的等離子體形成電壓，但是它的分子重量較小。因此，氦保護氣需要較大的流速，以保證有效的將激光光束路徑上的金屬蒸汽排出。由于氦氣的單位本錢高于氬氣，因此，這就增加了焊接過程中均勻每英尺本錢。

為了優化保護氣體以實現抑制等離子體，排出蒸汽粒子以及降低單位本錢，我們考慮使用高達 40-50%的氬氣混合氣體。比重越高，混合氣體所需要用來排出蒸汽粒子的流速就越小。混合氣體還在焊接池固化過程中提供了更長時間的惰性氣氛，從而使焊接速度更大。它還降低了捕捉氣體的量，從而減輕了由于多孔性而帶來的報廢率。

其次，固化率的降低促進了晶粒的生長和內部應力的減輕，這就增加了疲憊強度。由于縱橫比（焊縫深度/寬度）較高和隨后的應力所產生的焊接裂縫都幾乎被清除了，這是由于GMAW填充金屬的加進導致了焊接面寬度增加。

在混合氣體中，適當的添加少量的二氧化碳和/或氧氣，或將它們作為GMAW過程的二次保護氣體，能夠進一步的進步焊珠的性能。氦-氬混合氣體易于產生更高的電弧電壓，相應的得到的焊珠外形更寬，電弧穩定性也更高。

因此，可以加進3-10%的二氧化碳來穩定傳遞和收縮電弧。在一些情況下，可以加進1-5%的氧氣來實現優質的電弧穩定性，同時在焊接邊沿實現更好的連接（浸濕）。與二氧化碳混合氣體相比，氧氣由于電離率較低，熱導任性能較高，易于提供寬而淺的穿透分布。

針對所需質量和生產率標準的混合氣體被終極確定以后，還需要考慮如何把它們經濟的運送到使用地點。用戶可以通過在生產現場混合這些保護氣體，利用低本錢的液態氬供給方式。為什么不用支付預混高壓氦氣筒的價格來支付氬氣，二氧化碳或者氧氣呢？

氬氣可以通過液態氬瓶來經濟的運送, 滿足高達35,000立方英尺的月消耗，該數目相當于每月的混合氣體用量為87,500立方英尺。氬氣的月消耗量更大的話可以使用批量供給來實現本錢水平的優化。分析中還需要考慮到填充損耗，每月設備費，成批供給的合同限制，以及運費等等因素。

另一方面，氦氣一般是通過高壓Tube Trailer或者鋼瓶組來供給的。現場的混合需要一個混合系統，它能夠正確的調節從0-100%的微小成分。總的質量系統可以通過在混合器的出口放置一個分析儀來實現監控，一旦混合比超出誤差范圍，就會報警。已有軟件和報警系統可以將這種信息傳至桌面電腦，或者通過傳真或電子郵件送至更遠的地方。

公道設計的混合激光氣體傳送系統使用戶能夠實現更高的焊接速度，相應的得到更高的生產率。關注保護氣體的參數，如類型，流量，與沖擊角度，將進步焊接質量，降低光束吸收和散射效果。

不斷發展輔助焊接技術，將一些方法如GMAW和激光技術相結合，使得用戶能夠發揮出兩項技術的上風，并且從中受益。