陳肖林：激光切割和焊接在車身覆蓋件加工的應(yīng)用

2016-04-25 00:00:00

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關(guān)鍵詞：激光,激光加工,激光技術(shù)

　　由OFweek中國(guó)高科技行業(yè)門戶主辦、OFweek電子工程網(wǎng)承辦的“OFweek 2014 汽車電子與先進(jìn)制造技術(shù)論壇”于3月19日下午在上海永達(dá)國(guó)際大廈成功舉辦。

　　隨著全球汽車市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，汽車電子技術(shù)與激光加工、工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)制造技術(shù)也以此為依托而迅速地更新與發(fā)展；這些技術(shù)推動(dòng)了汽車業(yè)界的發(fā)展，同時(shí)也為廣大的從業(yè)者們帶來(lái)了更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

　　在本次論壇上，OFweek特邀上海交大汽車工程研究院、深圳比亞迪微電子有限公司、安森美半導(dǎo)體、ST意法半導(dǎo)體、華工激光、大族激光、泰克科技等與會(huì)專家和資深行業(yè)人士就汽車電子和汽車制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀、市場(chǎng)前景和前沿技術(shù)等業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)作了多個(gè)專題報(bào)告，并和臺(tái)下企業(yè)代表和聽(tīng)眾進(jìn)行了廣泛交流和深入探討。此次研討會(huì)共吸引近300名相關(guān)企業(yè)的中高層管理人員及高級(jí)工程師前來(lái)，也受到汽車電子和汽車制造行業(yè)同仁的大力支持。

　　在汽車智能化進(jìn)程加速推進(jìn)的同時(shí)，以3D打印、機(jī)器人、激光技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)也在不斷推動(dòng)汽車制造業(yè)的更新?lián)Q代?，F(xiàn)代制造技術(shù)與傳統(tǒng)汽車制造工藝的碰撞正在不斷上演，先進(jìn)制造技術(shù)與汽車生產(chǎn)的結(jié)合已是大勢(shì)所趨，在此，大族激光鈑金裝備事業(yè)部汽車行業(yè)總監(jiān)陳肖林為大家?guī)?lái)《激光切割和焊接在車身覆蓋件加工的技術(shù)應(yīng)用》的報(bào)告。

　　一、激光焊接技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)篇

　　1、激光焊接原理

　　激光焊接實(shí)質(zhì)是熱熔化焊接。利用激光四大特性，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將優(yōu)異的激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，從而使母材熔化并形成牢固的焊點(diǎn)或焊縫。根據(jù)激光熱加工機(jī)理，分為兩種機(jī)理：熱傳導(dǎo)焊和深熔焊。

　　焊接工藝示意圖

　　2、激光焊接特點(diǎn)

　　焊接速度快，焊接效率高。

　　熔深大，焊縫深寬比大（深寬比：熱傳導(dǎo)焊一般0.5，激光深熔焊可達(dá)5-10）。

　　比能小（即熱輸入量或焊接線能量?。?amp;mdash;—焊接變形小。

　　焊接強(qiáng)度高，焊縫金相組織良好。黑色金屬激光焊縫強(qiáng)度一般高于母材。

　　焊接精度好，可實(shí)現(xiàn)精密焊接。

　　可不加填充材料，實(shí)現(xiàn)自熔焊。

　　焊接材料適應(yīng)性好。有色、黑色金屬及部分非金屬（塑料等）可采用激光焊接，異種材料也可采用激光焊接。只是不同材料激光焊接性能差異很大！對(duì)焊接件的適應(yīng)性好。即焊接尺寸可很大，也可很??；形狀可復(fù)雜，也可簡(jiǎn)單。

　　焊接系統(tǒng)柔性高。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)距離焊接。

　　相比傳統(tǒng)焊接，污染小、噪音小。是一種綠色制造。

　　可與其它焊接方式復(fù)合，進(jìn)行激光復(fù)合焊接，達(dá)到增大熔深和適應(yīng)不同材料目的。

　　可添加焊接材料進(jìn)行激光釬焊。

　　可在大氣中進(jìn)行焊接。

　　可透過(guò)容器壁，焊接處在真空環(huán)境中的零件。

　　適用水下、太空環(huán)境中焊接。

　　3、常用激光焊接方式

　　3.1、自熔焊接

　　是指將高能量強(qiáng)度的激光束直接照射至材料表面，通過(guò)激光與材料的相互作用，使材料內(nèi)部熔化，繼而冷卻結(jié)晶形成焊縫。根據(jù)熱力學(xué)機(jī)理的不同，激光自熔焊又可分為激光熱傳導(dǎo)焊和激光深熔焊。熱導(dǎo)焊時(shí)材料只是熔化，焊接過(guò)程簡(jiǎn)單平穩(wěn)、熔深??；深熔焊時(shí)材料發(fā)生了熔化、氣化和等離子化等一系過(guò)程，并伴有小孔效應(yīng)，過(guò)程復(fù)雜，具有較大深寬比，是工業(yè)應(yīng)用的主要激光焊接方法。

　　3.2、復(fù)合焊接

　　是指將激光熱源和作為第二熱源的電弧復(fù)合起來(lái)作用在同一熔池上的焊接方法。激光電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光和電弧的優(yōu)勢(shì)，使其既具備一般電弧焊的高適應(yīng)性特點(diǎn)，又具備激光焊接的大熔深、高速、低變形的特點(diǎn)。激光電弧復(fù)合焊中所添加的電弧主要有TIG電弧、等離子弧和GMA電弧（即熔化極氣體保護(hù)焊，包括MIG焊和MAG焊）。激光-GMA電弧復(fù)合焊是目前最受業(yè)界矚目，研究和應(yīng)用最廣的一種。

　　復(fù)合焊接工藝示意圖

　　復(fù)合焊接熔池形狀示意圖

　　3.3、激光釬焊

　　激光釬焊的原理：激光器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（母材未熔化）潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，與母材結(jié)合，形成焊縫，實(shí)現(xiàn)良好的連接。

　　激光釬焊的特點(diǎn)

　　激光釬焊焊接速度快，噪聲小。

　　可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，熱影響區(qū)和變形小，可以焊接特殊結(jié)構(gòu)。

　　可釬焊幾何形狀復(fù)雜的工件，熱輸入更低，鍍鋅層燒損更少。

　　焊縫成形美觀，質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡(jiǎn)單處理甚至無(wú)需后處理。

　　通過(guò)外光路系統(tǒng)可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機(jī)器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)。

　　由于在激光填絲釬焊是被連接件的間隙被滲透，焊縫具有防腐蝕性。當(dāng)采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，焊縫可不經(jīng)處理進(jìn)行油漆。

　　3.4、激光填絲焊

　　是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時(shí)填入焊接材料以形成焊接接頭的一種工藝方法。同激光非填絲焊相比激光填絲焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以降低對(duì)工件坡口加工，裝配的精度要求，提高焊縫成形質(zhì)量，擴(kuò)大激光焊的適用范圍；（2）可以用較小的功率實(shí)現(xiàn)厚板焊接；（3）通過(guò)調(diào)節(jié)填絲成分，可以控制焊縫區(qū)域的組織性能。

　　商務(wù)車頂蓋與側(cè)圍組焊常用激光填絲焊工藝

　　3.5、掃描式遠(yuǎn)程焊

　　遠(yuǎn)程激光焊是指采用高速掃描振鏡頭進(jìn)行長(zhǎng)工作距離加工的一種激光焊接方法。其定位精度高、時(shí)間短、焊接速度快、效率高；工作距離長(zhǎng)，不會(huì)與焊裝夾具干涉；光學(xué)鏡片污染少；可定制任意形狀焊縫以優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。與電阻點(diǎn)焊相比，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)充分發(fā)揮了單側(cè)，非接觸式激光焊接帶來(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并將其與高速掃描振鏡具有的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，大大縮短了焊接時(shí)間，提高了總生產(chǎn)效率，可有效用于日益增多的汽車覆蓋件及零部件焊接，如汽車座椅、車身覆蓋件等常用到該工藝。

　　掃描式振鏡頭示意圖

　　二、白車身制造激光焊接篇

　　1、汽車制造激光應(yīng)用簡(jiǎn)介

　　汽車工業(yè)是一個(gè)需要大量加工和測(cè)試的生產(chǎn)型產(chǎn)業(yè)，也是激光技術(shù)應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一，安全性、舒適性、節(jié)能和環(huán)保一直是世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題，激光技術(shù)作為現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的主要加工方法之一，其發(fā)展也主要是圍繞著這一主題并結(jié)合本專業(yè)的自身特點(diǎn)進(jìn)行的。由于激光焊接工藝優(yōu)越性、效率高、柔性好等優(yōu)勢(shì)，隨著汽車輕量化概念、安全性能觀念日益增強(qiáng)，激光切割、激光焊接工藝在汽車工業(yè)領(lǐng)域尤其得到重視和廣泛應(yīng)用.其應(yīng)用主要體現(xiàn)在汽車座椅、白車身、不等厚板拼焊、齒輪、一般零部件焊接五大類。

　　2、零部件應(yīng)用案列

　　3、白車身制造

　　激光焊接已成為白車身制造標(biāo)準(zhǔn)工藝！

　　首先，激光焊接技術(shù)為車身如何實(shí)現(xiàn)輕量化和剛度提供了工藝保障.在汽車制造中的一個(gè)重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個(gè)典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時(shí)提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長(zhǎng)多達(dá)30m。

　　其次，激光焊接技術(shù)相比傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊，焊接工效也得到了大幅度提升；如國(guó)內(nèi)上海大眾的Polo、Passat 車型和一汽大眾Bora、Audi等大多數(shù)車型的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國(guó)汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志。

　　以上兩點(diǎn)，激光加工技術(shù)同時(shí)可以為汽車制造企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益。

　　整車激光組焊

　　激光組焊是將各種車身構(gòu)件，先兩兩雙件組焊，然后再多件組焊，從而形成白車身分總成，各分總成再總裝成車身?？蓱?yīng)用于大批量、小批量及新的樣車生產(chǎn)。激光焊接替代電阻焊接是一種必然趨勢(shì)！

　　一般采用高功率固體激光器和機(jī)器人組合。

　　頂蓋與側(cè)圍組焊

　　激光組焊技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　激光焊接在焊接精度、效率、可靠性、自動(dòng)化、柔性化、輕量化和降低成本等方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。在國(guó)外對(duì)汽車追求“安全第一”的環(huán)境下，激光焊接技術(shù)的發(fā)展很快。激光焊接在汽車工業(yè)中，特別是中高檔車的生產(chǎn)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。

　　車身零部件激光搭接焊技術(shù)

　　車身零部件激光角接焊技術(shù)

　　激光釬焊(復(fù)合焊）焊接工藝

　　覆蓋件應(yīng)用

　　鋼板激光拼焊技術(shù)

　　是將不同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)鋼板，“剪裁”成合適尺寸和形狀的坯板，然后用激光焊接成能進(jìn)行沖壓的板材。一般是鋼鐵企業(yè)的附屬產(chǎn)品。車身立柱、門內(nèi)板、防撞桿等白車身零件為減輕車身重量，但又得保證車身強(qiáng)度。

　　鋼板激光拼焊應(yīng)用

　　門內(nèi)板：在安裝車門鉸鏈子地方直接采用厚度大、強(qiáng)度高的板材，省去傳統(tǒng)的加強(qiáng)工藝。

　　4、車身焊縫工藝標(biāo)準(zhǔn)

　　汽車鋼板厚0.5mm到3.5mm，一般最大熔深不超過(guò)6mm，對(duì)于焊縫長(zhǎng)度小于50mm

　　焊接圖形一般設(shè)計(jì)成以下三種焊縫形狀：

　　側(cè)圍立柱組焊應(yīng)用案例

　　車身焊接工藝技術(shù)要求

　　焊縫長(zhǎng)度L2最小值一般不小于25mm。

　　5、激光搭接焊與電阻點(diǎn)焊工藝對(duì)比

　　在車身的激光焊接中，常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)有對(duì)接接頭、搭接接頭和角接接頭等。在實(shí)際生產(chǎn)中，大量的焊縫形式是多層鍍鋅鋼板(2～3層)搭接的I型焊縫。在車身激光焊接中，由于輸入激光功率密度高，若焊縫太長(zhǎng)，因熱積累容易產(chǎn)生熱變形；若焊縫太短，則無(wú)法滿足車身焊接接頭強(qiáng)度要求。