LaserHybrid激光復合焊在大眾和奧迪汽車的應用
- 2016-04-27 15:18:00
- sawchina 原創
- 9941
激光-MIG復合焊工藝
激光焊不僅需要很好的激光源，而且需要質量很高的激光束，以確保能夠獲得期望的熔深。高質量的激光束可以實現更小的焦點或更大的焦距。當前一般采用功率為4kW的釹YAG激光器，激光通過直徑為600微米的光纖實現傳輸到工件上。釹YAG激光器焊接金屬時的激光束強度可達106W/cm2，當激光到達材料的表面時，該點的溫度迅速升高到揮發溫度，并形成揮發孔，焊縫最明顯的特征是具有很高的深寬比。激光焊的熱影響區非常窄，焊縫的深寬比很高，具有高的焊接速度，但由于焦點直徑很小，所以焊縫橋聯能力很差。
而電弧焊則是通過弧柱傳輸能量，MIG電弧燃燒的能量密度稍高于104W/cm2。電弧焊的特點在于電源成本低，焊縫橋聯性好，易于通過填充金屬改善焊縫結構。但電弧焊的能量密度比較低，加熱面積較大，焊接速度相對較低。
laserHybrid激光復合焊技術并不是將激光和MIG電弧焊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。除了電弧向焊接區輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量。
開始焊接時需解決表面反射問題，尤其是鋁合金，這時需采用特殊的開始程序。當工件表面達到揮發溫度時，就形成了揮發孔，這樣幾乎所有的能量都可以傳到工件上。焊接所需要的能量由隨溫度變化的表面吸收率和工件傳導損失的能量來決定。在激光-MIG焊時，揮發不僅發生在工件的表面，同時也發生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發，從而使激光的能量傳輸更加容易。
激光和電弧在不同程度和形式上影響復合焊的性能（如圖1），激光復合焊提高了熔深和焊接速度。焊接過程中金屬蒸汽會揮發，并且反作用于等離子區。等離子區對激光有輕微吸收，但可以忽略不計。整個焊接過程的特性取決于選擇的激光和電弧輸入能量的比例。
焊接效果
經濟性
激光束焊的特點在于熔深大，焊接速度高，熱輸入低，焊縫窄，但焊更厚的材料需要更大激光電源。復合焊比激光焊更加經濟。激光-MIG復合焊的焊縫是由激光和MIG焊共同形成的，降低了所需激光束的能量，從而大大降低了激光器的功率。因為激光器的效率僅為3%，因而作用在工件上的激光束能量每降低1kW,則在激光器上降低的能耗就接近35kVA。在歐洲，每增加1kW的激光功率大約需要10萬歐元，如果能用3kW的激光器代替4kW的激光器，投資就可以節省10萬歐元。當然，還要考慮到增加MIG焊電源和激光焊頭所需的費用4萬歐元。
由于激光-MIG焊的焊接速度非常高，因此可以降低生產時間和生產成本。激光-MIG復合焊可焊接1～4mm的鋁、鋼和不銹鋼。鋼和不銹鋼的熔透焊接最大厚度只能達到5mm。對于鍍鋅板，可使用其方法之一：激光熱絲釬焊。
LaserHybrid在大眾汽車上的應用
對汽車來說，要求車身結構具有高的強度，車門能滿足高速行駛要求。大眾汽車公司要求焊接結構件盡量采用激光焊。因此，激光-MIG復合焊是一項完美加工方法，大眾的概念車Phaeton D1所有車門都采用激光-MIG復合焊。車門可使用低密度復合鋁板、鑄件和冷軋材料，代替厚而重的鋁鑄件，對裝配間隙要求低，在保證了高堅固性能同時還滿足了重量輕的要求，并且在汽車開動時保持噪音最低。
假如用激光焊（填絲）焊接圖5的工件，這需要夾緊工裝以保證所需的裝配間隙，而增加工裝就存在焊接可達性問題，因此需要更小尺寸的焊頭。而用LaserHybrid典型的焊接規范是：2.8m/min焊接速度，4000W的激光源，填絲速度6.6m/min。
激光-MIG復合焊也可焊接其它類型的接頭，尤其是角接接頭、搭接接頭、對接接頭。
圖6所示的是Fronius復合焊頭。該焊頭幾何尺寸小，確保能夠有很好的焊接可達性，尤其是在焊接車身時。此外，焊頭具有良好的可拆卸性，便于安裝到機器人上，以及在焊接過程中焦距和焊炬具有可調功能，調整精度為0.1mm。焊接過程中的飛濺會污染激光頭的防護玻璃，為了保護激光系統，在方形玻璃片的兩邊都噴涂了一層防反射材料。
隨著玻璃片的污染程度的增加，會導致作用在工件上的激光能量逐漸減少，甚至可能降低90%，導致防護玻璃片的失效，大部分激光被玻璃片本身所吸收，并且產生熱應力。焊頭裝有水冷的噴嘴和槍頭,負載率為250A 100%。
這種焊頭可實現四種焊接方法：1）激光-MIG復合焊；2）激光焊（不填絲）；3）MIG/MAG焊；4）激光熱絲釬焊（尤其適合鍍鋅板）。因此，在一個車門上，laserHybrid系統可全部完成所有焊縫的焊接,即可實現MIG焊、激光焊、激光-MIG復合焊,而無需更換設備。這里順便提一下熱絲激光釬焊，它也是采用MIG焊電源預熱填充焊絲（不是熔化焊絲），同激光-MIG復合焊的區別只是增加了一套軟件。
結論
激光-MIG復合焊技術為汽車工業提供了一種全新的焊接技術，尤其是對于激光束焊無法實現或在經濟上不可行的裝配間隙較寬的焊接。它具有寬廣的應用范圍和高效的特性，同時減少投資成本、縮短了生產時間、節約了生產成本和提高生產率，具有更強的競爭力。
激光-MIG復合焊也提供了一種全新的焊鋁工藝。當然這也得益于高效率的YAG激光器問世，保證了焊接過程的穩定，從而使此技術在實踐中得以應用。Fronius公司對復合焊技術已經進行了大量的基礎研究。大量的研究表明，將兩種不同的焊接方法融合在一起是可行的，而且可以獲得更為良好的綜合性能，復合焊同時也提高了對各種材料和結構的可焊性、焊接性能以及焊接的可靠性。這在大眾汽車公司鋁合金車（Phaeton D1，AUDI A8）的焊接中得到了應用驗證。另外可通過調整不同的焊接參數，獲得滿足不同焊接需要。如可影響焊縫的形狀和結構組成，通過增加填充金屬可以提高焊縫的橋聯性，增加焊縫的寬度，減少了焊前的準備工作。此外，激光-MIG復合焊大幅提高了焊接效率，并在投資成本上比激光焊要低，焊接可達性更高，焊接接頭適用性更廣。激光復合焊還可應用在軌道機車車輛、容器、輪軸等方面。
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