激光焊接：汽车车身制造中的应用

目前汽车车身焊接主要有电阻点焊、激光焊、MIG和MAG焊等方式，其中激光焊接技术主要用于车身不等厚板的拼焊和车身焊接。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧围的焊接。激光焊接运用于汽车，可以降低车身重量从而达到省油目的；提高车身的装配精度，使车身刚度提升30%，从而提高了车身安全性；降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目，提高车身一体化程度。

1、激光焊的架构

激光焊接应用采用激光作为焊接热源，工业机器人作为运动系统。激光热源的优势在于，它有着极高的加热能力，能把大量的能量集中在很小的焊接点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快和焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。

（1）激光源：用于激光焊接的激光源主要有CO2气体激光源和YAG固体激光源两种。激光源最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑，CO2激光源比YAG激光源具有更大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光源。

（2）光导和聚焦系统：光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化，使透过率下降，产生热透镜效应，同时表面污染也会增加传输损耗。

（3）焊接机器人：由于激光熔焊、激光-MIG复合焊接技术方法的不同以及焊接接头形式的不同，所以对焊接接头的装配精度要求也不同。搭接焊缝的激光熔焊和角焊缝的激光钎焊可以采用普通的焊接机器人。对于对接焊缝的激光钎焊和激光焊必须采用区别于常规机器人的绞臂式焊接机器人，通常设计焊缝自动跟踪矫正系统。

（4）焊接夹具：可以保证激光焊接时所连接板材或总成的精确定位，保证焊缝间隙，防止焊接变形，从而提高激光焊接接头的质量。

（5）激光焊接控制系统：控制系统主要包括焊接过程的视频监视系统、机器人的焊缝自动跟踪系统和矫正系统、送丝控制系统等。对于不同的激光焊接方式，控制系统的组成也有所相同。激光熔焊无需送丝系统、焊缝自动跟踪系统和运行轨迹矫正系统。

2、激光焊的优势

激光焊接的主要特点如下：

（1）热量输入很小、焊缝深宽比大，热影响区小导致工件收缩和变形很小，无需焊后矫形；

（2）焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且通常表面状态好，免去焊后清理等工作；

（3）焊接一致性、稳定性好一般不加填充金属和焊剂，并能实现部分异种材料焊接；

（4）光束易于控制，焊接定位精确易于实现自动化；

（5）非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理；

（6）焊点小、能量密度高、适合于高速加工；

（7）短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料；

（8）无加工噪音，对环境无污染；

（9）可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接；

（10）很容易改变激光输出焦距及焊点位置；

（11）很容易搭载到自动机、机器人装置上；

（12）与其它焊接工艺方法比较激光焊接的前期投资较大；

（13）被焊工件装配精度高，相对而言对光束操控的精确性也有较高的要求；

（14）由于飞溅大，穿透焊的焊缝相对于钎焊更粗糙，但是强度比普通点焊要高很多。

3、激光焊的应用

应用于车身的激光焊接主要分为两种方式：一种为熔焊，不需要填充物质，激光直接作用在工件表面上进行焊接；另一种为填充焊，即通常所说的钎焊，主要应用于汽车顶盖的焊接。

3.1熔焊

根据激光束能量密度的大小，熔焊又可分为热传导焊和穿透焊。

（1）热传导焊

由于激光汇聚于一点时会产生相当高的温度（与能量密度大小有关），当温度达到1490℃时，钢板就会熔化，利用此种热效应进行焊接的方式为热传导焊，其过程为：首先通过激光将工件表面加热到熔点，金属熔化后会形成一个半球形的熔池，熔池的半径和深度慢慢增大，当吸收的激光能量与熔池向四周扩散的热量达到平衡时，熔池便不再扩大。沿预定轨迹移动激光光束，熔池也随之移动，熔池前方的金属不断熔化，后方的金属冷却，从而形成一条焊缝。热传导焊的优点体现在焊缝光滑且飞溅少，速度为1～3m/min，焊缝深度与宽度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

（2）穿透焊

在汽车白车身上，因为焊接钢板有2～4层，厚度可达4mm，所以对焊缝的深度有更高的要求，此时热传导焊无法满足工艺的要求，这就需要另一种焊接方式—穿透焊，穿透焊具有速度快、熔深更深的特点，它对激光能量密度的要求远高于热传导焊。当激光作用于工件表面时，金属迅速汽化（在2590℃钢板就会汽化为蒸汽），以蒸汽的形式扩散出熔池，并形成一个蒸汽通道，激光在通道内进行多次反射可以使金属对激光能量的吸收率增加到75%，在这里称之为“小孔效应”，当产生的蒸汽压力不足以扩散出熔池时，熔池便不再加深，形成一个稳定的焊接状态。熔池经过的位置，在蒸汽通道周围形成金属熔液流动，使上下两层板熔合在一起，金属冷却后，便形成一条高强度焊缝。与热传导焊相比，穿透焊的优势在于其焊接深度更深、速度更快，对于4mm厚的低碳钢板材，焊接速度可达5m/min；而其缺点在于其将金属迅速汽化后产生的大量飞溅容易损伤工件及加工设备。

3.2填充焊（钎焊）

另一种焊接方式为填充焊，此种方式并不熔化工件本身，而是利用激光的热效应熔化焊丝，并将其填充到所需焊接的两个工件之间，其优点在于焊缝美观，产生的热变形小，汽车顶盖的焊接多采用此种方式。汽车顶盖激光钎焊技术是最早应用于车身加工的激光工艺，其原理为利用激光将焊丝（一般为铜硅合金）熔化并填充到顶盖与侧围工件的缝隙中，不但起到连接的作用还可以进行密封。穿透焊的过程与钎焊有所不同，激光在两层钢板上进行穿透焊接，无焊丝填充，机器人带动镜头按照预先编定的轨迹直接焊接，无需导向装置。穿透焊采用激光功率为4kW，远高于钎焊。因为焊接中需要熔化工件，所以在焊缝的两端需要设置功率斜坡，即在焊接起始时，功率在30ms内从1kW线性增加至4kW，结束时功率在30ms内从4kW降到1kW。这样做的优点在于避免在起弧和收弧时将钢板焊穿，形成小洞，从而影响焊接质量。激光源采用YAG连续型激光发生器，最高输出可达4kW，由于焊丝的熔点相对钢板要低，所以选择激光的输出功率范围为（1.8～2）kW，在熔化焊丝的同时，保证顶盖和侧围不产生热变形。激光采用柔性的光缆传输，可以使激光发生器与焊接工位分开，避免设备受到损伤。根据焊丝直径的大小，在焊接端利用光学镜头改变激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊丝直径为1.0mm，将激光聚焦的光斑直径调整为1.2mm，使激光最大限度地作用于焊丝上。焊接过程中由机器人带动自适应式焊接镜头，转动轴带动伸缩臂在水平方向上转动，而伸缩臂自身可以在垂直方向移动。一般车身的激光焊缝长达42m，保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。采用激光钎焊的车顶只有一条细致平滑的焊缝，直接作为外表面以增加车身的流线视觉效果，而采用传统点焊工艺的车顶则有两条橡胶密封条。

汽车白车身顶盖激光自动焊接成套设备

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