雷射焊接作為一種高效精密的焊接方式,相比傳統的焊接工藝,具有單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強度普遍高於母材等優點,廣泛應用於航天、汽車等工業領域。
隨著雷射焊接技術和自動控制技術、機器人技術的結合,現已廣泛地用於車身底板、側圍車架、車頂、車門及車身總成等部分和車身大型覆蓋件的焊裝中,成為車身裝配時的主要工藝手段。
北京奔馳引進戴姆勒奔馳先進雷射焊接技術對側圍、後圍、車門、前縱梁總成、後備箱蓋等進行焊接加工。在此以北京奔馳為背景，介紹雷射焊接技術，並對比雷射焊接技術與其他焊接技術的優缺點。
1. 雷射焊接系統組成
雷射焊接系統主要由雷射源、雷射工作頭、冷卻系統、雷射房、機器人、PLC、送絲系統、雷射焊接質量檢測單元及雷射功率檢測等組成。
(1)雷射源。雷射源即雷射發生器,是雷射焊接系統的熱源供應。從1960 年第一臺紅寶石雷射器問世以來,現在市場上已經有多種雷射發生器,且光束質量也得到不斷提高,為雷射加工技術的發展奠定了基礎。
(2)雷射工作頭。雷射工作頭是指雷射加工工具,不同的雷射加工工藝對應不同的雷射加工工具。
(3)冷卻系統。由於雷射的發生無法避免散發大量熱量,為保證雷射源正常工作,需要使用冷卻系統來保證雷射源溫度恆定。
(4)雷射房。雷射對眼睛與皮膚傷害較大,因此雷射焊接需要在一個密閉空間雷射房裡進行,並搭建完整有效的安全機制。雷射房內安裝有監控系統,用於監控雷射焊接設備工作狀態。
(5)機器人。機器人作為焊接工作的執行裝置,與雷射工作頭、雷射源等其他設備通訊,控制、配合下屬設備完成焊接工作。
(6)PLC。它是工作站的總指揮官,控制工裝夾具、各種信號、工作順序等。
(7)送絲系統。雷射熔絲焊接需要送絲系統,一般送絲系統由控制單元、絲桶、主送絲管、伺服驅動單元組成。
(8)雷射焊質量檢測系統。可高效檢測雷射焊焊接質量,分為在線檢測及離線檢測。在線檢測系統是指在雷射焊焊接過程中進行的檢測,一般檢測焊接強度或記錄焊接過程中焊接錄像及各參數變動。離線檢測一般用於檢測焊縫外觀焊接質量。
(9)雷射功率檢測系統(PMM)。用於測量雷射功率大小。雷射工作頭上安裝有壓縮空氣噴氣口來減少在雷射焊接過程中飛濺、焊塵等在保護鏡片上的附著,但長期工作無法避免保護鏡片的汙染。
保護鏡片的汙染會降低雷射出光功率,影響焊接質量,甚至燒毀保護鏡片。北京奔馳採用的雷射功率測量系統,每加工一定數量的工件測量一次功率,提醒工作人員及時檢查更換保護鏡片。
(10)壓縮空氣單元。一般雷射焊接頭都會配有壓縮空氣吹氣裝置,以減少焊塵對鏡片的附著。
以北京奔馳飛行焊接為例說明雷射焊接系統的搭建,如圖1所示。
圖1 飛行焊接系統簡圖
北京飛行焊接選用德國TRUMPF公司生產的碟片式雷射發生器Tru Disk4002~Tru Disk6602 作為雷射源,使用雷射光纖連接雷射工作頭；選用TRUMPF公司生產的PFO 3D作為飛行焊工作頭；選用BOSCH公司開發的焊接控制器MPC為雷射焊接控制器；選用hema公司設計的在線質量檢測系統visir；選用PRIMES公司的PMM作為雷射功率檢測裝置。
2. 常用的雷射焊接技術及應用
白車身上常用的雷射焊接技術有雷射飛行焊、雷射釺焊、雷射熔焊。
2.1
雷射飛行焊
雷射飛行焊即雷射機器人的掃描焊接,機器人攜帶的雷射工作頭通過振鏡高速掃描,在不接觸工件的情況下完成高速焊接。
在汽車白車身裝焊車間,雷射飛行焊常用於連接兩搭接板。與傳統電阻焊相比,雷射飛行焊具有工件變形小、減輕車身質量、速度快、強度高、節省耗材、設備穩定性好等優點。
2005 年大眾公司進行的雷射焊接技術在帕薩特轎車的大批量生產過程中的應用顯示,與傳統的電阻焊相比,雷射焊接每個焊點的生產成本節省了30%~50%。雷射飛行焊工作過程不接觸工件,因此設備故障率及設備備件更換率很低,工作穩定，這就意味著設備完成安裝調試後的後期投入很小。
以北京奔馳C級車的生產廠為例,比較自動電阻點焊及雷射飛行焊接的優缺點。
北京奔馳雷射飛行焊主要用於側圍、後圍、車門、底盤前縱梁總成的焊接。C級車焊裝生產車間飛行焊接設備兩套,主要用於底盤前縱梁的焊接及的焊接。
北京奔馳C級車裝焊車間的電阻點焊採用ARO公司生產的焊槍,共205 套,選用BOSCH公司生產的控制器,選用Lutz公司提供的修磨器。雷射飛行焊與電阻點焊的特點對比如表1 所示。
表1 電阻點焊與雷射飛行焊工藝對比
北京奔馳C級車裝焊生產車間2015 年第三季度(7~9 月)備件使用情況分析。由於雷射飛行焊接與電阻點焊設備數量不同,為平行對比兩種技術的備件消耗,以平均每10 000 個焊點的備件消耗進行比較。該備件消耗的計算為
式中va為平均每10 000 個焊點所需的備件消耗(單位:元/萬點);V為季度備件消耗總價值(單位:元);P為季度日產量(單位:件/天);a為平均每把焊槍在每個件上的焊點數(單位:點);n為設備數量(單位:臺);d為季度生產總天數(單位:天)。
備件消耗量的比較如表2 所示。
表2 電阻點焊、雷射飛行焊備件消耗對比
由表1、表2的分析得出:
(1)時間效益比較
雖然雷射飛行焊需要焊前工藝(雷射打點,以保證焊接時兩板件間隙,便於鋅蒸汽溢出),但焊接速度上雷射飛行焊焊幾乎是電阻點焊的10 倍;工藝上,電阻點焊每250 個焊點就要進行一次修磨以保證焊接質量,而雷射飛行焊每3 000 點甚至可以更長時間檢測一次功率,耗時工藝頻率上雷射飛行焊遠不及電阻點焊的1/10;耗材與備件更換頻率上,從表1 和表2 可知,雷射飛行焊遠小於電阻點焊;因此,從時間效益上講,電阻點焊的時間效益遠遠低於雷射飛行焊的時間效益。
(2)經濟效益比較
電阻點焊耗材及備件消耗遠遠大於雷射飛行焊。雖然雷射飛行焊在項目搭建時花費較高,但從長期使用的角度講,雷射飛行焊的總體經濟成本也低於點焊。
(3)焊縫形狀與焊縫質量比較
雷射飛行焊焊縫形貌可以根據工藝要求靈活設計,北京奔馳常用的雷射飛行焊焊縫為C型焊縫或一字形焊縫,如圖2 所示。
圖2 雷射飛行焊焊縫
雷射飛行焊接熔深大,焊縫強度高,且焊接熱變形小,常用於車門、頂蓋等外觀件的加工,及前縱梁輪轂總成等需要高強度焊接的零件加工。
(4)自動化智能化角度比較
雷射飛行焊焊接時,機器人與焊點的位置關係沒有嚴格要求,只要所有焊點在機器人軌跡掃描範圍之內即可,機器人軌跡平順,不需像電阻點焊那樣機器人軌跡需要隨著焊點位置扭轉,具有極強的焊接靈活性。另外焊縫形狀可以靈活設計,加之完整可靠的質量檢測系統等,使雷射飛行焊成為具有高度智能化的焊接方式。
總之,雷射飛行焊經濟效益高、時間效益高、焊縫質量高、設備穩定性好、自動化智能化程度高。雷射飛行焊已成為一項成熟的技術,具有良好的的應用前景。
2.2
雷射填絲熔焊和雷射釺焊
雷射填絲熔焊和雷射釺焊都是以雷射為能量源熔化焊絲,從而連接兩板件的焊接方式。
它們的不同之處除了填絲用料不同之外,填絲熔焊熔化母材而雷射釺焊只熔化焊絲,這就決定了釺焊焊縫強度低於母材,而填絲焊焊縫強度大於等於母材。
對於雷射釺焊及雷射填絲熔焊,北京奔馳使用的雷射焊接頭均為SCANSONIC公司提供的ALO3。在北京奔馳裝焊車間,雷射填絲熔焊主要用於加轎車工前縱梁總成,雷射釺焊主要用於加工轎車尾門。
雷射熔絲焊接與傳統的電弧焊接相比,焊縫質量高、焊接速度快、焊接變形小等優點。但隨著電弧焊的發展創新,電弧焊的性能比起傳統電弧焊也高出了很多,如冷金屬過渡(CMT),很大程度地提高了電弧焊性能。
下面將分別對比以Fronius公司為代表研發的CMT電弧焊、CMT釺焊+與雷射填絲熔焊、雷射釺焊的工藝及性能,如表3、表4 所示。
表3 雷射填絲熔焊及CMT電弧焊工藝及性能對比
由表3可知,雷射填絲熔焊相對於CMT電弧焊主要優勢在於焊縫質量好、焊接速度快。
圖3 雷射填絲熔焊焊縫及CMT電弧焊焊縫
圖3a為CMT電弧焊焊縫,可以看出,焊縫熱影響區較大,焊縫凸出;圖3b為雷射填絲焊焊縫,熱影響區較小,焊縫平順。
因此雷射填絲熔焊適用於質量要求高、線速要求快的零件焊接。然而雷射填絲焊前期成本高、耗材消耗大。以北京奔馳雷射填絲熔焊為例,一般焊接功率5~6 k W,因此耗材消耗較大,主要消耗為保護鏡片及送絲機構耗材,保護鏡片平均每焊接300 m就要更換一次保護鏡片。
表4 雷射釺焊及CMT釺焊+工藝及性能對比
由表4 可知,雷射釺焊相對於CMT釺焊+焊接速度相當,主要優勢在於焊接變形量小、鍍鋅層燒蝕程度小。雷射釺焊焊縫和CMT釺焊+焊縫如圖4所示。
圖4 雷射釺焊焊縫及CMT釺焊+焊縫
設備穩定性方面,雷射填絲熔焊及雷射釺焊的工作頭穩定性遜色於電弧焊工作頭。
由於雷射熔絲焊接時,雷射需要準確打到焊絲上,即做到雷射工作斑點與焊絲尖端重合。
目前雷射熔絲焊接工作頭都設計有調節焊絲絲嘴位置模塊以達到此目標,但也無法避免長期工作過程中絲嘴位置的移動。
以北京奔馳裝焊車間為例,ALO3 設備40%以上停機是由絲嘴位置移動引起的。
目前Procitec、Scansonic等公司已經開始研發新一代的雷射熔絲焊工作頭以解決此問題。
由上述可知,雷射熔絲焊技術發展取得一定成果,但在成本方面有待於進一步降低,設備穩定性方面需要進一步提高。
3. 結論
隨著雷射焊接技術的發展,越來越多的汽車生產廠引進並使用雷射焊接。以TRUMPF公司生產的PFO 3D為代表的雷射飛行焊技術,在時間效益、經濟效益、焊接質量、智能化等方面表現出優勢,已經成為一種先進成熟的焊接技術,擁有良好的應用前景。以SCANSONIC公司生產的ALO3 為代表的雷射釺焊及雷射填絲熔焊技術在焊接速度與焊接質量上表現出優勢,但在設備穩定性及經濟性方面還需要進一步改進提高。
來源：「旺材汽車輕量化」微信公號