「连接技术」Laser激光焊接

好焊配好车

2018-02-07 14:33科技领域创作者
关注

激光焊接技术作为一项激光加工技术,早在1964年就应用在薄小零件的焊接中。随着汽车工业的快速发展及人们需求的不断提高,为满足安全、环保和节能等要求,并实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化发展,从20世纪80年代开始,激光焊接技术开始应用于汽车车身制造领域。据有关资料统计,欧美工业发达国家50%~70%的汽车零部件都是用激光加工完成的,其中主要以激光焊接和切割为主,激光焊接在汽车生产中已成为标准工艺。

工艺原理

激光的含义:LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation(通过诱导放出实现光能增幅)。

LASER

L - Light 光线

A - Amplification by 放大

S - Stimulated 激励

E - Emission of 发光

R - Radiation 辐射

激光焊接的原理是由激光发生器发出的激光束,聚焦在焊丝表面上加热,使焊丝受热熔化,润湿车身上的钢板,填充钢板接头的间隙,形成焊缝最终实现良好的连接。焊接后形成铜焊丝与钢板之间的钎焊连接,铜焊丝与钢板分别为不同元素,其形成的焊接层,为两种不同元素高温后形成的融合。相较于传统的点焊,这种焊接方式焊接质量更好,速度更快,焊接部位强度更高。

图1 激光焊接原理图

工艺优缺点

激光焊接的优点如下:

热影响区小。可将输入热量降到最低的需要量,热影响区小,因此热变形亦最小。非接触式。可见即可焊,属于非接触式焊接,无需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑,机器的耗损及变形亦可降至最低。激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间导引。激光束可聚焦在很小的区域,可自动焊接小型且间隔相近的部件。易于采用数控方式实现高速自动化焊接。激光焊接的缺点如下:

焊件位置需非常准确确,务必在激光束的聚焦范围内。最大可焊厚度受到渗透厚度限制,超过19mm的工件,不适合使用激光焊接。高反射性及高导热性材料如铝、铜及其他合金等,焊接性能会受激光强弱改变。当进行中能量至高能量的激光自动焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。能量转换效率太低,通常低于10%。焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。激光焊接机器人系统组成

1 — 激光器;2 — 光导系统; 3 — 遥控盒;4 — 送丝机;

5 — 激光加工头; 6 — 操作机;7 — 机器人控制柜; 8 — 焊接电源

常用的激光加工头,装于六自由度(常说的六轴)机器人(上图中6)本体手臂末端,其运动轨迹和激光加工参数是由机器人数字控制系统(上图中7)提供指令进行。根据用途可以分为激光切割、激光焊接、激光熔覆激光加工头。常见的激光加工头见图3所示。

图3 常用的激光加工头

分类介绍

1 激光钎焊

(1)原理

激光钎焊是以激光作热源,利用熔点比母材低的材料作填充金属(称为钎料),经加热熔化后,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散,实现连接的焊接方法,其原理如图4。

图4 激光钎焊原理图

(2)特点

激光钎焊工艺应用于焊接,不仅使产品更加美观,提高了密封性,而且显著提高了焊接区域的强度,提升了整车的安全性能。其母材连接方式均属于卷边对接,如图5所示。

(3)应用区域

激光钎焊为目前汽车车身焊接应用广泛的焊接工艺,其主要优势在于能生成光滑的表面,同时可避免熔化镀锌层。主要用于:侧围外板与顶盖外板结合处(如图6和图7,取消车顶橡胶密封条,美观且节省成本);行李箱盖外板上下段的接合(如图8)。

图8 奥迪Q5行李箱盖

2 激光熔化焊

(1)原理

激光熔化焊是以激光作热源,在两板角接处,各熔化两板件部分母材(同时熔化附近焊丝填充两板件角接处),使其形成液体金属,待其冷却后,形成可靠连接的一种焊接方法,其工艺原理如图9所示。

图9 激光熔化焊原理图

(2)特点

激光熔化焊具体可分为激光熔透焊、激光熔焊(不填丝)和激光熔化填丝焊等,多用于汽车前端、顶盖与地板、车门内板等处的焊接。母材连接方式均为搭接,如图10所示。

图10 激光熔化焊母材搭接形式

(3)应用区域

激光熔化焊主要应用在车顶、门盖上。图11所示为激光熔焊应用于汽车背门。

3 激光飞行焊

(1)原理

激光飞行焊(Welding on-Fly)称为激光远程焊(remote laser welding)或激光机器人扫描焊接。其是在机器人的第六轴上安装一个高速扫描反射镜(常称“振镜”)扫描头,仅通过镜片摆动反射,实现激光轨迹运动,而无需机器人手臂跟随运动。激光远程焊接系统高度柔性化,效率比一般的激光焊接更高,一套系统可取代6~9套普通机器人点焊。激光头与工件距离超过500mm,可延长镜头保护玻璃的使用寿命。其工艺原理与熔焊相同,为板材搭接形式。图12为车门正在使用飞行焊。

图12 激光飞行焊用于车门焊接

(2)特点

与传统的焊接相比,激光远程焊最大的优点在于能够提高生产效率,扫描头的快速镜片运动使得用于定位机器手的时间大大减少,进而大幅度缩短了制造时间,与电阻点焊平均0.5个焊点/s的速度相比,其焊接速度为3~4个焊点/s,使激光束得到了充分利用。通过大批量的生产测试,与传统的电阻点焊相比,激光远程焊的时间可以缩短80%。以大众汽车公司为例,该公司传统的电阻点焊工艺采用4台机器人、5把焊枪,焊点共34个,加上装卸时间,一共需要34.7 s;现在采用激光扫描焊接,完成同样的工作,即34个焊点,且焊点形状为C型(C型焊点较圆点型焊点强度更高),只需1台机器人,1个PFO,而时间缩短为13 s。

相对传统点焊来说,激光飞行焊可以自定义焊缝形式,优化了焊缝强度增加设计的灵活性,可以适用于任何焊缝形式,任何焊缝方向。图13为传统点焊与激光飞行焊的焊接方式对比。

图13 激光飞行焊的焊接方式

(3)应用区域

激光飞行焊目前主要用于汽车车门、侧围门洞止口等一些焊点密集(需求较高的焊接效率)且承载要求较低的部位。图14为福特野马的激光飞行焊区域示意图。

4 激光复合焊

(1)原理

激光复合焊(LaserHybrid)主要指激光与MIG电弧复合焊接。激光和电弧相互作用、取长补短,激光复合焊技术并不是两种焊接方法依次作用,而是两种焊接方法同时作用于焊接区。激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能。其工艺原理如图15所示。

图15 激光复合焊原理图

(2)特点

表1 激光复合焊与两种焊接的对比

LaserHybrid与MIG相比优点

LaserHybrid与激光焊相比优点

焊接速度更高

焊接过程更稳定

熔深更大

焊缝桥联性更好

热输入低

熔深更大

抗拉强度高

成本更低

焊缝窄

更好柔性或适应性

激光焊接是用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法,但这种工艺要求激光束和焊接接缝尺寸保持相应的一致性。相对而言,气体金属电弧焊接则更擅长处理间隙尺寸不一致的情况。所以,激光复合焊是一个将激光焊核气体焊接相互结合的工艺,从而达到理想的焊接效果。激光复合焊与MIG、激光焊的对比如表1所示。

(3)应用区域

目前,激光复合焊常用于顶盖、车门的焊接。

观点

1 与点焊对比

布置与减重车身装配中焊点可达几千个,传统焊装采用的是电阻点焊工艺。电阻点焊工艺是用两个电极从两个方向压紧工件,在两块搭接件上加压并通电,使接触面间形成焊点而将工件焊在一起。为满足结合和外形要求,各焊点间要保持一定间隔(热影响、操作空间,一般间隔20mm以上)。点焊时焊钳在工件边缘下进行焊接,凸缘宽度需要16mm;而激光焊为单边焊接,凸缘宽度只需5mm,把点焊改为激光焊,由于此凸缘的设计不同,就可单车节约钢材40kg。

表2 激光焊与电阻点焊的对比

对比项目

激光焊

电阻点焊

焊接效率

适中

自动化率

成本

可靠性

适中

组装性能

美观性

强度与NVH激光焊接的接头是一条细长的连续的直线,而电阻点焊的接头则是一排离散的圆点,激光焊的焊缝金属是经过快速凝固获得的,其更加细小,有利于提高焊缝金属的强度,因此激光焊焊缝金属的强度要比电阻点焊焊缝金属的强度高一点。

激光焊接的抗拉强度会受焊缝长度、熔宽等因素影响,而点焊的抗拉强度也与焊点数量和间距等因素有关。虽然激光焊接确实在提高强度上有优势,但考虑实际生产中,这两者在强度上并没有明显的可比性。但不可否认的是,激光焊接由于提高了板材之间的贴合度,且焊缝一致性更好,在提升刚性还是有优势的,尤其是在改善NVH性能上。

2 铝合金激光焊的利与弊

激光焊接铝合金时,与镀锌钢板的焊接一样,在焊接过程中也会产生许多气孔和裂纹,影响焊接质量。铝元素电离能低、焊接稳定性差,还会造成焊接不连续等现象,加之高热量的焊接方式,整个过程中会产生三氧化二铝和氮化铝,对环境造成污染。

不过,可以在焊接前打磨铝合金板表面,增加其对激光能的吸收;焊接时配合惰性气体,防止出现气孔。

铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值问题,是极具前景的铝合金焊接工艺之一,目前工艺还不成熟,处于研究探索阶段。

不同的铝合金,激光焊接的难度各不相同。非热处理强化的铝及铝合金1000系列、3000系列和5000系列具有良好的焊接性;4000系合金的裂纹敏感性极低;对于5000系合金,当ω(Mg)=2%时合金产生裂纹,随着镁含量升高,焊接性能有所改善,但延展性、耐蚀性变差;2000系、6000系和7000系合金的热裂倾向较大,焊缝成形不良,焊后时效硬度显著降低。

因此,对于铝合金的激光焊接,需采用合适的工艺措施,正确选择焊接方法和焊接工艺,来获得良好的焊接效果。焊接前对材料进行表面处理,控制焊接工艺参数,改变焊接结构等,都是有效的方法。

3 焊接参数的选择

激光功率3KW。激光焊速度4m/min。焊接速度取决于能量密度,能量密度越大,焊接速度越快。板材为镀锌板时(如侧围外板0.8mm,顶盖外板0.75mm)装配间隙:通过顶尖来控制,一般为0.05~0.20mm。当焊缝小于0.15mm时,锌蒸气不能通过侧面的间隙排除,而从焊缝表面排除,易产生气孔缺陷;当焊缝宽度大于0.15mm时,熔化金属不能完全填充间隙,造成强度不足。焊缝厚度与板材相同时,机械性能最好,焊缝宽度取决于焦点直径;焊缝深度取决于能量密度、焊接速度、聚焦直径。保护气体为氩气,流量为25L/min,使用压力为0.15~0.20MPa。焦点直径0.6mm。焦点位置:对于板厚1mm时,聚焦正好在上表面位置上,焦点位置取决于圆锥的形状。4 激光钎焊的夹具系统

激光焊接过程中需要对焊接钢板进行足够稳固的夹紧,所以会设计专门的夹具。激光焊接夹具体积庞大、结构复杂,整体为框式结构,左右车身两侧用夹具型块顶住、定位支撑好以后用汽缸夹紧。上部设计专门的汽车顶盖激光钎焊的定位压紧抓具,使用多个压紧头进行压紧,用机器人抓住顶盖,摆放在车身上,用汽缸夹紧,让车身钢板需要焊接的边沿贴合足够紧密。如图16所示。

工艺因素

温度激光束的入射角聚集性和离焦量焊接的穿入深度焊接速度对激光焊接强度的影响检验

1 目视检测

依据德国标准PV 6917标准(可以联系作者索取);对每一个下线的分总成都要进行目视检测;重点检测焊缝的熔透状况(如未熔透、过熔透、烧穿),兼顾焊缝的表面状况(如飞溅、气孔);激光焊缝的宏观缺陷种类如图17所示。

图17 激光焊缝宏观缺陷种类

激光钎焊目视检查评价方法如表3所示。

表3 激光钎焊外观质量评价

序号

缺陷描述

缺陷评价

1

暴露的气孔

有条件允许,只要不影响功能,表面可以修复;直径大于0.2mm的气孔必须返修

2

钎料溢出(过多)

有条件允许,只要不影响功能,表面可以修复;可以返修

3

焊缝表面层状波纹

接头必须连续被钎料焊满;可以返修

4

表面裂纹(横向、纵向)裂纹产生在焊缝处

有条件允许,只要不影响功能,表面可以修复;可以返修

5

表面裂纹(横向、纵向)裂纹产生在母材处

不合格,需要返修

6

母材熔穿

不合格,需要返修

7

咬边及未焊透

不允许,需要返修

8

飞溅

有条件允许,只要不影响功能,表面可以修复;可以返修

9

缺肉

不允许,需要返修

10

始端未焊,终端有凹坑

不允许,需要返修

11

焊缝缺落(匹配间隙大)

不允许,需要返修

2 破坏性检验

破坏性检验的工具如图18所示:

图18 破检工具

3 金相显微分析

激光焊缝微观缺陷种类如图19所示:

图19 激光焊缝微观缺陷种类

4 无损检验

可使用超声波、X射线等仪器对激光焊接质量进行检验。

总结

根据激光焊接技术在汽车厂的实际应用效果,可以看出,采用激光焊接不仅能降低车身重量、提高车身的装配精度,同时还能大大加强车身的强度,在用户享受舒适的同时,为其提供更好的安全保障。相信随着激光焊接技术难题的不断突破和制造工艺的不断提高,激光焊接必将成为未来汽车白车身制造工艺中的重要组成部分。

举报/反馈