雷射焊接技術在一汽-大眾白車身焊接中的應用

　　來源:汽車材料網

　　摘要：介紹了雷射焊接技術在一汽－大眾各種車型白車身焊接上的應用，不僅提高了車身防腐性能，而且使車身強度提高30％，極大地提高了生產效率，確保車身製造精度高，又保證了汽車車體的美觀，同時減輕了車身質量。重點論述了雷射焊接的基本原理和各種焊接方式的特點及焊接接頭形式，雷射熔焊及雷射釺焊特點，雷射焊系統基本組成結構和焊接參數規範的選擇。分析了雷射焊缺陷的種類及影響雷射釺焊質量的因素，介紹一汽－大眾雷射焊質量檢測的手段和方法及評價標準、雷射焊的安全防護措施及其發展趨勢。

　　關鍵詞：雷射焊接；雷射釺焊；質量檢測；白車身雷射焊接

　　前言

　　至從1960年美國人發明第一臺紅寶石雷射器以來，在近幾十年的時間裡，雷射應用技術得到了飛速的發展。德國大眾汽車製造廠早在20世紀80年代就率先採用雷射焊接白車身頂蓋與側圍、側圍、車門等鈑金焊接。雷射作為一種優異的材料加工熱源得到了越來越廣泛的應用，其範圍也日益廣泛。從電子工業到機械製造領域，雷射加工技術變得越來越成熟。

　　在汽車製造領域，雷射加工技術得到了廣泛的應用和發展。其中雷射熔焊、雷射釺焊技術正是在車身製造的推動下開發出來的一項新的連接技術。德國大眾汽車公司成功的將雷射焊技術應用到了汽車白車身焊接上。一汽－大眾汽車有限公司在新一代的產品(BORA A4、Golf A4、Golf A6、Caddy、Sagitar、Maogtan、Magotan CC、Audi A6、Audi A6L、Audi A4、Audi Q5 等)中引進了這一雷射焊接新技術，不僅提高了車身防腐性能，而且使車身強度提高30％，極大提高了生產效率，確保車身製造高精度，又保證了汽車車體的美觀，同時減輕了車身質量，為汽車行業生產輕量化汽車作出了突出貢獻。

　　1、應用

　　1.1

　　雷射焊接技術的經濟效益

　　1.1.1 雷射焊接加速了採用衝壓零件代替鍛造零件的進程

　　雷射可以焊接不同厚度和不同表面塗鍍層的金屬板，再經過衝壓，能達到變形的最合理的金屬組合，省去了二次加工。

　　1.1.2 降低了廢品率

　　雷射束改進了產品設計投產周期，減少搭接寬度和加強部件的數量，並簡化車身結構件，減輕了車身質量。

　　1.1.3 提高汽車品質

　　採用雷射焊接工藝可以顯著改善車身的抗衝擊性、抗疲勞性、防腐性能、白車身強度以及安全性能。

　　1.1.4 提高汽車生產商的效益

　　採用雷射拼焊板可以大大提高汽車設計的靈活性，且大大降低了模具數量，增加了材料利用率，並一次衝壓成型。

　　1.2

　　雷射在汽車生產中的主要應用形式

　　1.2.1 飛行焊接

　　包括疊板焊接、梯角焊接、雙焦點焊接。雷射束照射在材料上，將其加熱至融熔，使對接在一起的組件接合在一起。雷射焊接，使用比切割金屬時功率小的雷射束，使材料熔化而有少量汽化，在冷卻後成為一塊連續的固體結構。飛行焊接適用範圍如圖1 所示。

　　1.2.2 雷射釺焊

　　包括卷邊焊接、等高梯角焊接、不等高梯角焊接、冷絲焊接、熱絲焊接。單獨使用雷射或聯合其他熱源，用於熔化填充物，使填充物滴落在母材表面，將母材緊密連接在一起。雷射釺焊適用範圍如圖2所示。

　　1.2.3 混和焊接

　　雷射＋MIG；雷射＋MAG 等。

　　1.2.4 雷射切割

　　用於板材切割等。

　　1.2.5 雷射打標

　　用於刻字、銘牌標記等。PQ35 平臺不同形式的雷射焊接工藝如圖3 所示。

　　1.3

　　一汽－大眾雷射設備在焊裝生產中應用概況

　　一汽－大眾雷射設備在焊裝生產中應用概況如圖4 所示。焊裝車間共採用了德國TRUMPF 公司生產的雷射焊機60 臺，這些設備維修技術複雜且備件價格昂貴，同時作為一項全新的技術，雷射焊白車身焊接技術的應用也給一汽－大眾汽車有限公司的員工隊伍提供了前所未有的機遇和挑戰。

　　其中開迪、速騰、邁騰車型共採用雷射焊縫1 600 餘條，焊縫累積長度近70 m，如此大規模、大批量採用雷射焊技術在整個一汽－大眾汽車有限公司乃至在整個汽車產業界都是少有的。預計未來5 年內，將繼續購買雷射焊機27 臺。為一汽－大眾汽車有限公司向廣大顧客交付品質卓越的轎車提供有力的保證。

　　雷射焊接技術的主要特點是：

　　1)工作效率高，定位精度高、焊縫變形小；

　　2)外觀美觀，質量穩定；

　　3)利用光學原理能量集中的特性對零件進行焊接；

　　4)最大功率可達到4 400 W，保證了焊接強度遠遠大於其他焊接方法；

　　5)Sagitar 白車身採用21 臺雷射焊機，焊縫長度為9 m，使車身整體強度提高了30％。

　　1.4

　　一汽－大眾焊裝車間雷射焊接使用分布狀況

　　一汽－大眾焊裝車間雷射焊使用統計如圖5 所示。

　　2、功能和特點

　　奧迪A6L 是國產技術領先、品質優良的高檔豪華轎車，是高科技的結晶。主焊線白車身的側圍與頂蓋的焊接採用雷射焊，使白車身的焊接質量大幅度提高，為一汽－大眾汽車有限公司生產品質卓越的奧迪A6L 高級轎車提供了保證。雷射就是通過激發雷射發生體，使能量放大、疊加，以放射的形式發射(光的放大就是處於高能級的原子受光輻射，由高能級躍遷到低能級，同時發光)。雷射焊是利用雷射的熱量加熱金屬，使被焊金屬熔化並形成焊縫。

　　以奧迪A6L 車型為例，具體說明其特點：

　　2.1

　　雷射熔焊及雷射釺焊的特點

　　(1)雷射熔焊的特點：

　　a．功率密度高，加熱集中，焊縫熱影響區小；

　　b．獲得較小的焊縫寬度；

　　c．直線性好，可以焊接一般焊接方法難以達到的部位，傳播距離長；

　　d．可以焊接難熔的材料；

　　e．一臺雷射焊機可以用於多個工位的焊接；

　　f．雷射對焊接接頭具有「淨化作用」，使焊縫金屬強度高、韌性好、機械性能好；

　　g．雷射焊的缺點是有焊縫腐蝕的危險；

　　h． 雷射焊接動作均由機器人完成，實現了精確定位的同時，也使得生產時間縮短30％。

　　(2)雷射釺焊主要特點：

　　a．雷射釺焊焊接速度快，噪聲小；

　　b．可精確調節和控制熱輸入，熱影響區和變形小，可以焊接特殊結構；

　　c．可釺焊幾何形狀複雜的工件；熱輸入更低，鍍鋅層燒損更少；

　　d．焊縫成形美觀、質量穩定，焊後僅需簡單處理甚至無需處理；

　　e．通過外光路系統可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機器人連接構成柔性加工系統；

　　f．由於在雷射填絲釺焊時被連接件間的間隙被滲透，焊縫具有防腐性。當採用適當的工藝參數，焊縫可不經處理進行油漆。

　　2.2

　　雷射焊與釺焊、CO2 焊的比較

　　雷射焊、釺焊、CO2 焊特點比較如表1 所示。

　　2.3

　　雷射焊系統基本結構

　　以3000W雷射焊為例介紹其基本結構。雷射設備組成如圖6所示。

　　1)雷射控制器：由3 個共振器和3 個放大器組成組成，主要產生雷射。

　　2)控制裝置：控制和監視整個雷射器。包括內部功能、操作單元控制、接口根據外部設備(如SPS)控制等。

　　3)配電裝置：將電網電源分配到各個控制單元，並控制雷射設備的起動和安全迴路。

　　4)燈供電：供給雷射器的激發燈管的動力。

　　5)內冷卻裝置：將雷射中相應的損失熱排除到一個外部冷卻水循環中(環流)。

　　6)雷射光纜：傳輸雷射。雷射光束直徑為0．6mm的光柵，核心為玻璃透明材料，芯旁有一個電纜，預防光纜斷裂，電纜有感應，外部網起保護作用。雷射光纜彎曲直徑應大於200 mm。

　　7)加工鏡組：通過快門、轉向器等將光纜末端雷射經2 個透鏡組將平行光再次聚焦到工件表面上。

　　8)PLC 控制機：外部控制裝置，由PLC 操作可以進行外部控制打開和關閉。

　　9)機器人控制器：可編輯機器人程序，控制整個系統處於正常狀態，可以直接控制雷射器的雷射打開→雷射準備好→程序激活→程序完成→程序

　　中斷。

　　10)雷射控制器：可編輯雷射焊參數，內部控制雷射的產生、故障診斷、信息的提示、記錄等功能。

　　11)冷卻機組：當外循環冷卻系統冷卻內循環的溫度超過39℃時，冷卻機組工作冷卻外循環溫度，使雷射共振器和放大器在30 ℃正常工作。

　　2.4

　　雷射焊作用原理

　　由機器人控制器發出信號給PLC，PLC 獲得程序號發射給雷射控制器，雷射控制器得到程序號準備開始工作，機器人開始移動，使掛在機器人頭部滑槽正好在一半的位置，此時放出保護氣體氬氣。

　　當垂直電壓和水平電壓分別為1 500 mV 和3 000 mV時，以4 m／min 的速度焊接，同時給雷射發出一個指令，雷射器程序運行，發出雷射，並沿頂蓋焊接，焊縫長1．5m，焊後雷射關閉，機器人停止運動，沿頂尖接觸工件相反方向返回。

　　當頂尖從零件中離開，機器人開始移動，此時垂直電壓和水平電壓仍為1500mV和3000mV，機器人回原位時，垂直電壓和水平電壓均為0 mV，則另一側機器人開始重複上述內容，完成1．5 m長焊縫，至此整個白車身焊接完成。

　　2.5

　　焊接參數的選擇

　　1)雷射功率3 kW。固體雷射器(Nd:YAG－釹：釔、鋁、石榴石)能量可調，系統全自動調節功率達3kW。

　　2)雷射焊速度4 m／min。焊接速度取決於能量密度，能量密度越大，焊接速度越快。

　　3)板材為鍍鋅鋼板。側圍外板厚0．8 mm，頂蓋板厚0．75mm。裝配間隙：通過頂尖來控制，一般為0．05～0．20mm。當焊縫寬度小於0．15mm時，鋅蒸氣不能通過側面的間隙排除，而從焊縫表面排除，易產生氣孔缺陷；當焊縫寬度大於0．15 mm 時，熔化金屬不能完全填充間隙，造成強度不足。焊縫厚度與板材相同時，機械性能最好，焊縫寬度取決於焦點直徑；焊縫深度則取決於能量密度、焊接速度、聚焦直徑。

　　4)保護氣體為氬氣，流量為25 L／min，使用壓力為0．15～0．20 MPa。

　　5)焦點直徑0．6 mm。

　　6)焦點位置：對於板厚1 mm 時，聚焦正好在上表面位置上，焦點位置取決於圓錐的形狀。

　　3、影響雷射釺焊質量的因素

　　影響雷射焊接質量的因素如圖7 所示

　　4、雷射焊質量檢測手段

　　為了保證焊縫質量，一汽－大眾採用多種方法進行檢驗，並制定詳細嚴格的返修計劃，以確保白車身的強度。

　　4.1

　　檢測方法

　　4.1.1 目視檢驗

　　1)依據德國標準PV 6917 標準；

　　2)對每一個下線的分總成都要進行目視檢驗；

　　3)重點檢測焊縫的熔透狀況(如未熔透、過熔透、燒穿)，兼顧焊縫的表面狀況(如飛濺、氣孔)；目視檢測時雷射焊縫缺陷的種類如圖8 所示。

　　雷射釺焊目視檢查評價方法如表2 所示。

　　4.1.2 破壞性檢驗

　　破壞性檢驗所用工具如圖9 所示。

　　4.1.3 金相顯微分析

　　雷射焊縫微觀缺陷種類如圖10 所示。

　　4.1.4 無損檢測

　　雷射焊無損檢測方法比較如表3 所示。

　　4.2

　　雷射釺焊缺陷返修基本要求

　　雷射釺焊缺陷返修基本要求如表4 所示。

　　4.3

　　雷射焊安全

　　雷射焊設備是根據技術標準和承認的安全技術規則製造的，但還可能在使用過程中對使用者或第三者的人身和生命造成危險，或者對設備及其他貴重物品產生消極影響。德國Trumpf 公司的設備通常按下列雷射保護等級進行分配：

　　4.3.1 雷射產品等級

　　1)CLASS1； (2)CLASS1M； (3)CLASS2； (4)CLASS2M；(5)CLASS3R；(6)CLASS3B；(7)CLASS4。

　　等級1 是指在適當的操作條件下是安全的，包括直視光學部分，如：有保護蓋的光學元件。

　　等級4 是指射線對眼睛和皮膚有危害，必須採取相應的安全措施。首先藉助於特殊的雷射保護眼鏡保護眼睛。雷射焊接的常用警示標牌如圖12 所示。

　　4.3.2 評價方法

　　1)對眼睛的傷害。Nd:YAG 雷射波長為1 064 mm，可穿透眼角膜、眼球、玻璃體在眼底進行聚焦，將會造成永久性傷害，如圖13 所示；(2)對皮膚的傷害。

　　4.3.3 操作雷射焊機應注意的事項

　　1)雷射是不可見光，必須戴防護眼鏡；(2)機器人本身很重，移動速度快，易傷人；(3)每次工作前檢查雷射間內部是否有人，門是否關緊；(4)未受過安全培訓的人不得進入雷射間；(5)可以通過雷射間外的玻璃窗觀察機器人等工作狀態，該玻璃是特殊材料製成的，可濾掉一定波長範圍內的光，或使用鏡頭監視；(6)定期檢查金屬間是否有破損，以防雷射外漏；

　　7)經常觀察雷射間外部警示燈；(8)紅色：按急停開關；(9)橘黃—長亮，雷射點燃。閃爍—雷射未點燃(焊機上指示燈)；(10)橘紅：雷射準備好，可以焊接。(11)綠色：開始工作，正常。

　　5、雷射焊未來發展趨勢

　　在雷射加工工藝中存在母材受熱熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充滿金屬蒸汽，金屬氣體與雷射作用形成等離子云。等離子云吸收、反射雷射，降低金屬材料對雷射的吸收率，使雷射的能量利用率降低；對焊接母材端面接口要求高，容易產生錯位；容易生成氣孔疏鬆和裂紋；焊後在母材端面之間的接口部位存在凹陷，焊接過程不穩定等情況。

　　同時，為消除或減少單熱源雷射焊接的缺陷，人們在保持雷射加熱優點的基礎上，利用其他熱源的加熱特性來改善雷射對工件的加熱，從而把雷射與其他熱源一起進行複合熱源焊接。主要有雷射與電弧、雷射與等離子弧、雷射與感應熱源複合焊接以及雙雷射束焊接等。

　　根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，雷射焊接設備向大功率、多路式，自動化方向發展。雷射器則向二極體雷射器及碟式雷射器，光纖雷射器方向發展。雷射器形式如圖14 所示。

　　新型二極體及高能碟式雷射焊機的最大優點是：

　　1)功率反饋與控制系統穩定，輸出功率大，碟式雷射器的光電轉換效率大於30％，穩定性好，可以根據用戶使用要求自由組合進行拓展；

　　2)可以降低設備投資20％～30％；

　　3)減少運行費用，能源消耗進一步降低；

　　4)雷射焊機壽命延長；

　　5)採用飛行焊接設備，協同作業效果好，動態效果、靈活型等，可使焊接範圍更廣範；

　　6)焊接參數調整更方便，工藝過程時間縮短，焊接速度提高；

　　7)光路互換保證生產，所有雷射器TLN 聯網，便於監控；

　　8)設備維修更簡捷，碟式雷射器免維護。雷射焊接材料也由一般低碳鋼發展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板等材料，雷射焊接速度也達到了每分鐘幾十米，雷射焊接技術日益成熟，並大量應用到生產線上，在汽車生產線上如汽車結構件(包括白車身的車門、側圍、後蓋、頂蓋等)的高速拼焊，並已取得了巨大的經濟效益和社會效益。

　　–THE END–

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