干貨 | 汽車覆蓋件的幾種典型激光焊接工藝

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關鍵詞:汽車 技術

    安全、舒適、節能和環保一直是世界汽車工業發展的主題。激光焊接工藝在汽車工業領域尤其得到重視和廣泛應用,其中汽車覆蓋件是激光焊接的五大類之一。激光焊接已經成為車身覆蓋件制造的標準工藝!

    激光焊接運用于汽車上可以降低車身重量、提高車身裝配精度、增加車身的剛度、降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本。

    德國人是最早把激光焊接技術運用于汽車,在20世紀90年代中期,BMW公司利用激光焊接機器人完成了BMW5系列轎車的第一條焊縫,焊縫總長度達12m。

    德國大眾Touran轎車的激光焊縫總長度達到了70m。隨后,奧迪、速騰、高爾夫及Passat等品牌的車頂采用了激光焊接技術,通用、豐田、福特、寶馬、奔馳等公司陸續均采用了激光焊接技術。

    以下介紹四種典型的應用于汽車覆蓋件方面的激光焊接工藝。

    當功率密度達到一定的范圍(106~107 W/cm2)的激光束照射到材料表面時,材料吸收光能轉化為熱能,材料被加熱熔化至汽化,產生大量的金屬蒸汽,在蒸汽逸出表面時產生的反作用力下,使熔化的金屬液體向四周排擠,形成凹坑,隨著激光的繼續照射,凹坑穿入更深,當激光停止照射后,凹坑周邊的熔液回流,冷卻凝固后將兩工件焊接在一起。

    對于激光自熔疊焊工藝而言,其影響因素較多。除了材料本身的影響外,主要有以下幾個方面:

    影響因素

    1、激光功率

    激光焊接中存在一個激光能量密度閾值,低于此值,工件僅發生表面熔化,熔深很淺,也即焊接以穩定熱傳導型進行;一旦達到或超過此值,等離子體才會產生,這標志著穩定深熔焊的進行,熔深會大幅度提高。如果激光功率低于此閾值,激光功率密度較小時,會出現熔深不足甚至焊接過程不穩定。

    2、焊接速度

    焊接速度對熔深影響較大,提高速度會使熔深變淺,但速度過低又會導致材料過度熔化、工件焊穿。所以,對一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個合適的焊接速度范圍,并在其中相應速度值時可獲得最大熔深。

    3、離焦量

    為了保持足夠功率密度,焦點位置至關重要。離開激光焦點的各平面上,功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種:正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負離焦。離焦量的變化直接影響焊縫寬度與深度。

    4、保護氣體

    激光焊接過程常使用惰性氣體來保護熔池,但在大多數應用場合常使用氬、氮、氦等氣體作保護,使工件在焊接過程中免受氧化,同時可以吹散等離子體。

    缺點

    焊接厚度有限;工件裝配要求高;激光焊接系統一次性投資成本較高。

    案例

    汽車四車門、頂蓋、側圍等部位

    遠程焊接借助的是振鏡掃描頭來實現的(如下圖所示),其激光束定位方法不同,激光束入射到掃描振鏡的X、Y軸兩個反射鏡上,計算機控制馬達精準調節反射鏡的角度,實現激光束的任意偏轉,使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置,實現焊接功能。

    優勢

    其定位精度高、時間短、較一般激光自熔焊的焊接速度快、效率高,焦距長,不會與焊裝夾具干涉、光學鏡片污染少;可定制任意形狀焊縫以優化結構強度等。與電阻點焊相比,激光遠程焊接技術充分發揮了單側,非接觸式激光焊接帶來的技術和經濟優勢,并將其與高速掃描振鏡具有的優勢相結合,大大縮短了焊接時間,提高了總生產效率,可有效用于日益增多的汽車覆蓋件及零部件焊接。

    缺點

    它對來料及裝配精度要求比較高,主要是焊縫處兩面的貼合精度;當工件厚度過大時,焊縫深寬比增大,焊縫處剪切強度低,主要適用鈑金厚度低于2mm的連接,如汽車覆蓋件等。

    案例

    如汽車四門內板分總成、A、B、D柱內板總成車門、天窗總成等

    激光器發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)潤濕母材,填充接頭間隙,與母材結合,形成焊縫,實現良好的連接。(如下圖)

    影響因素

    1、光斑直徑。

    光斑直徑對釬料的鋪展影響較大。光斑直徑過小,激光集中在釬料上,對母材的加熱不足,釬料在母材上鋪展時冷卻過快,使釬料不易鋪展;光斑直徑過大,如果激光功率不夠則無法及時熔化焊絲,如果激光功率足夠則會嚴重燒損母材。對于卷對接接頭,光斑直徑與焊縫寬度(填充面寬度)基本一致時,釬料的鋪展會較充分。

    2、激光功率。

    焊絲熔化的速度取決于激光能量的大小,即激光功率。當激光功率不足時,焊絲熔化速度慢,鋪展不充分,生產效率低;當激光功率過大時,焊絲熔化速度快,如果送絲速度跟不上,則焊縫的鋪展會間斷。激光功率的最大值受設備限制,調節激光功率的大小要考慮其與焊接速度及送絲速度的匹配。

    3、焊接速度。

    焊接速度決定作業時間的長短和生產效率的高低,所以應根據設備可提供的激光功率的大小選擇適當的焊接速度以提高生產效率。通常焊接速度越快,生產效率越高,但對于半徑較小的圓弧段焊縫或過渡段焊縫,過快的焊接速度產生的離心力將會阻礙熔融釬料的鋪展,使焊接過程不穩定。

    4、送絲速度。

    選定了焊接速度之后,需根據焊縫填充量的多少來匹配適當的送絲速度。送絲速度過快,焊縫表面會出現釬料的堆積,影響外觀質量,送絲速度過慢則會使焊縫表面出現下陷,過少的填充量會影響焊縫的焊接強度。

    優勢

    焊縫成形均勻美觀,密封性好,焊縫強度高。

    缺點

    釬焊接頭力學性能主要由釬料保證,接頭強度相對較低,耐熱性差,且焊前清理要求嚴格。

    激光釬焊質量缺陷造成的原因

    釬焊絲校準:焊絲沒有穿過焦點中心,焊絲距離焦點的長度過長或過短。

    釬焊絲溫度:焊絲預熱溫度錯誤。

    間隙尺寸:部件之間的間隙尺寸不均勻。

    焊接速度與送絲速度的不匹配。

    出光的控制:激光器和送絲機的開關點可能與加工過程不相符。

    難點

    編程示教工作量大,工裝夾具結構復雜,重復定位精度要求較高,加工軌跡的開始和結尾段難以控制。

    案例

    行李箱尾蓋、頂蓋和側圍的流水槽、C柱等

    激光復合焊是指在焊接時使用激光束和電弧等離子體熱源進行有機復合而構建的新型焊接熱源共同加熱母材焊接區域,形成共同的熔池,使待焊工件的不同部分有效連接的一種新型焊接工藝方法。

    激光-電弧復合焊接由于同時有激光熱源和電弧熱源的作用,因此其兼有激光焊接和電弧焊接的優點,與純電弧焊接相比,激光電弧復合焊接焊后變形小,熔深大,能明顯提高焊接效率,與純激光焊接相比,可提高焊接裝配間隙的適應性,并且焊縫成形飽滿,所以在焊縫成形的控制以及焊接間隙的容許誤差兩個方面具有明顯的優勢,具有良好的綜合經濟性。

    另外,由于電弧的熱作用范圍、熱影響區較大,使得焊接時溫度梯度減小,降低了冷卻速度,相對激光自熔焊使熔池的凝固過程變得緩慢,減少或消除了氣孔及裂紋出現的可能,也可改善焊縫和熱影響區的組織性能。

    1、能量利用率提高,焊接過程穩定性增強。

    激光焊接時產生的光致等離子體,會嚴重影響到焊接過程的穩定性,降低能量的利用率,而加入了電弧后,電弧的介入可以稀釋光致等離子體,增加激光的穿透能力,提高焊接的穩定性。

    2、焊接熔深增加

    采用激光電弧復合焊時與單獨采用激光束焊接相比,熔深大約可增大20%。

    3、焊接速度提高,焊縫成形改善

    在一定的工藝條件下,復合焊接的速度可達MAG弧焊的三倍左右,是激光自熔焊的1.5倍左右,同時可改善熔融金屬的浸潤性,避免咬邊等缺陷出現。

    4、降低工件裝配要求,間隙適應性好

    電弧的存在使接頭間隙允許范圍變寬,即使在間隙寬度超過光斑直徑時也可以實現連接,也避免了單純激光焊時可能存在的一些焊接缺陷等。

    5、降低激光器功率要求,成本大幅降低

    采用復合熱源后,可以大大降低激光器的功率要求,可以實現較低激光功率下復合較低成本的弧焊熱源來獲得較大的熔深,使設備成本大幅降低。

    案例

    在汽車制造業內激光復合焊也有大批量的應用,如一些鋁質車門的焊接等。以德國大眾VW Phaeton的車門焊接為例:為了在保證強度的同時又減輕車門的重量,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4980mm,現在的工藝是7條MIG焊縫(總長380mm),11條激光焊縫(總長1030mm),48條激光-MIG復合焊縫(總長3570mm)。

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    (審核編輯: 智匯張瑜)

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