焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用與發(fā)展

激光技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)化了激光焊接技術(shù)在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用。新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接進(jìn)入了長(zhǎng)期以來(lái)一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所壟斷的汽車車身的制造領(lǐng)域，使得激光技術(shù)在汽車工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。利用激光混合焊接技術(shù)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(shí)電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。

目前，激光及其復(fù)合焊接技術(shù)已在許多工業(yè)部門得到應(yīng)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(cè)圍的焊接。用激光將不同厚度、材質(zhì)及性能的幾塊薄板拼焊起來(lái)，再?zèng)_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(xué)性能。與單一的激光焊接技術(shù)相比，激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn):更大的熔深、較大縫隙的焊接能力及更好的焊縫韌性，通過(guò)焊絲可以影響焊縫組織結(jié)構(gòu)及無(wú)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(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。激光熱源的特殊優(yōu)勢(shì)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(diǎn)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄板的快速連接。當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大(>106W/cm2)時(shí)，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高至沸點(diǎn)，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(gè)附加應(yīng)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(gè)小凹坑。隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的“小孔”。當(dāng)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(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著光束相對(duì)于工件而沿著焊接方向前進(jìn)。金屬在小孔前方熔化，繞過(guò)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(shè)備激光焊接設(shè)備主要由激光器、光導(dǎo)系統(tǒng)、焊接機(jī)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(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢(shì)，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應(yīng)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(lái)，國(guó)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(jìn)展，最大功率已達(dá)5kW，并已投人市場(chǎng)。由于其波長(zhǎng)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(jiǎn)化光導(dǎo)系統(tǒng)。因此，大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展，成為CO2激光焊接強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

2.光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖以及聚焦鏡等組成，實(shí)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(xué)零件的狀況對(duì)激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件尤其是透鏡性能會(huì)劣化使透過(guò)率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，表面污染也會(huì)增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量、維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

3.焊接機(jī)器人由于激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)對(duì)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(jī)器人的設(shè)計(jì)方式，既區(qū)別于常規(guī)的絞臂式焊接機(jī)器人，也無(wú)需設(shè)計(jì)焊縫自動(dòng)跟蹤矯正系統(tǒng)以及激光在線檢測(cè)系統(tǒng)，這樣可以大大降低工裝設(shè)備的成本投資，降低工裝設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。三、激光焊接方法的特點(diǎn)激光焊接方法具有如下特點(diǎn)：

(1)能量密度高、適合于高速焊接。

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

(3)無(wú)電極、工具等的磨損消耗。

(4)對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

(5)可通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時(shí)或分時(shí)焊接。

(6)很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。

(7)很容易搭載到機(jī)器人裝置上。激光復(fù)合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于激光復(fù)合焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：無(wú)燒穿時(shí)焊縫背面下垂的現(xiàn)象，適用范圍更廣；對(duì)于激光-MIG焊接，優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好及焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，焊接生產(chǎn)工時(shí)短、費(fèi)用低、生產(chǎn)效率高。

四、激光-電弧復(fù)合熱源焊接的主要形式1.激光-TIG復(fù)合焊接激光與TIG復(fù)合焊接的特點(diǎn)是：

(1)利用電弧增強(qiáng)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(shí)可高速焊接。

(3)可增加熔深，改善焊縫成形，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。

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

2.激光-等離子弧復(fù)合焊接激光等離子復(fù)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(guò)，等離子弧主要有兩個(gè)功能：一方面為激光焊接提供額外的能量，提高焊接速度，進(jìn)而提高整個(gè)焊接過(guò)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(zhǎng)冷卻時(shí)間，也就減少了硬化和殘余應(yīng)力的敏感性，改善了焊縫的微觀組織性能。

3.激光-MIG復(fù)合焊接激光-MIG復(fù)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(fù)合焊技術(shù)并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時(shí)作用于焊接區(qū)。激光和電弧在不同程度和形式上影響復(fù)合焊接的性能。在激光-MIG復(fù)合焊接時(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時(shí)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(diǎn)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(guò)填充金屬改善焊縫結(jié)構(gòu)。而激光束焊的特點(diǎn)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(shí)激光復(fù)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(fù)合焊接，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的熔池，而后面的電弧輸入的熱量同時(shí)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(fù)合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本。

4.雙激光束焊接技術(shù)在激光焊接過(guò)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(duì)激光的吸收，而且使焊接過(guò)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(duì)激光的吸收較多，結(jié)果激光對(duì)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(fù)頻率和峰值功率有較大差異的脈沖激光對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合焊接，在焊接過(guò)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(shí)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(duì)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(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)關(guān)于激光-電弧復(fù)合熱源焊接實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道較少，國(guó)外尤其是德國(guó)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究較深入。

激光-電弧復(fù)合焊接廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。

以德國(guó)大眾Phaeton的車門焊接為例(見圖6)：為了在保證強(qiáng)度的同時(shí)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(zhǎng)4980mm，現(xiàn)工藝是7條MIG焊縫(總長(zhǎng)380mm)，11條激光焊縫(總長(zhǎng)1030mm)，48條激光-MIG復(fù)合焊縫(總長(zhǎng)3570mm)。激光復(fù)合焊同樣用于新型奧迪A8汽車的生產(chǎn)。在A8側(cè)頂梁上有各種規(guī)格和形式的接頭，就是采用激光-MIG復(fù)合焊工藝，焊縫共計(jì)4.5m長(zhǎng)。激光復(fù)合焊另一特點(diǎn)就是具有很寬的焊速調(diào)整范圍。例如，復(fù)合焊在焊接Phaeton車門對(duì)接接頭時(shí)，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(fù)合焊接最大焊接速度可達(dá)9m/min。

近年來(lái)，隨著車輛運(yùn)輸設(shè)備向輕量化發(fā)展，汽車車身結(jié)構(gòu)由空間框架向鋁復(fù)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(shù)的不斷進(jìn)步，鋁合金在汽車中的應(yīng)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(xì)，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(shí)熱效率很低。另外，還存在著設(shè)備成本高、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)格等問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)激光-電弧復(fù)合焊接解決。由于電弧焊的復(fù)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(wèn)題，使鋁合金對(duì)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(shí)電弧焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問(wèn)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(diǎn)仍保持。德國(guó)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(fù)合焊接機(jī)頭。該機(jī)頭安裝在弧焊機(jī)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(diào)節(jié)精度達(dá)到0.1mm。激光復(fù)合焊接技術(shù)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(dá)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(fù)合焊接技術(shù)無(wú)論從工藝角度，還是從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看都具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

六、結(jié)語(yǔ)激光復(fù)合焊將兩種焊接方法結(jié)合起來(lái)，它采用了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)的焊接方法之一，實(shí)現(xiàn)了高焊接速度與良好焊接質(zhì)量的完美結(jié)合。激光復(fù)合焊技術(shù)是汽車工業(yè)中一種全新的焊接技術(shù)，尤其是對(duì)于激光束焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)或在經(jīng)濟(jì)上不可行的裝配間隙要求。它具有寬廣的應(yīng)用范圍和高效的特性,同時(shí)減少投資成本、縮短生產(chǎn)時(shí)間、節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。