利用激光焊接技术改善汽车制造本钱

2018-09-03 16:15:00
陆启蒙
原创
1209

本文主要先容在 激光焊接技术中对气体的选择对很多方面的影响,这些方面包括了激光光束相互作用,防护效率,焊珠性能,以及用来传输标准的气体混合物和流量的设备。

目前竞争激烈的汽车市场中有着对速度的急切需求。而从消费者方面来说,他们更为关心的是马力。然而,在制造业中,速度就是生产量和生产率的全部。美国 汽车制造商们由于众多的原因,包括了车身设计,认知品质还有拥有本钱等,正在逐步失往其市场份额。

固然关于车身设计的讨论并不在本文的考虑范围内,然而,进步质量和生产率的策略却是讨论的重点。这两者都能通过混合加工技术来实现,这项技术将 激光焊接与传统金属极气体 电弧焊(GMAW)结合起来进行焊接。

激光参数,比如波长,光束质量,光斑大小,功率密度,焦深,以及光束定位等等,对于成功进行焊接都是十分关键的。其他参数还包括对GMAW能量源的常规补充和脉冲传递,GMAW金属丝的定位,接触的角度,以及金属线的化学性质。此外,基底材料氧化物表面情况,对接处的设计,焊缝宽度以及保护气体类型和流量也给混合 焊接工艺的质量和性能带来了影响。

下面将具体的先容气体的选择对很多方面的影响,这些方面包括了激光光束相互作用,防护效率,焊珠性能,以及用来传输标准的气体混合物和流量的设备。

混合的激光加工技术将一个二级能源合并到焊接池区域。混合加工技术使得 激光焊接的上风得到具体化,这些上风包括了焊接速度得到进步,热影响区域受到限制,焊接的接缝变窄同时具有精良的焊道外形。GMAW作为二次能源,它进步了总体的加工能量效率,降低了装备本钱的同时还进步了焊接缝隙的能力,此外,它降低了冷却速率,同时改善了铝的能量耦合效率。

其次,尽管设备更加复杂,但是通过减小进行焊接所需要的谐振腔的尺寸,GMAW的供能本钱就降低了,从而降低了整个机器的本钱。根据所要的结果可以决定GMAW焊丝进给位置在激光光束之前或之后。利用拖尾式的GMAW焊丝进给方式可以实现较高的焊接速度。GMAW焊丝被送进激光产生的熔融焊池中,这样熔融焊丝所需要加进的二次能量就降低了。

此外,当填充焊丝到达尾部时,GMAW的电弧产生等离子体,蒸发了基底材料,从而在焊接池的前边沿处产生了凹陷。在熔融的焊接池内的此凹陷降低了激光光束必须穿透的总深度,从而改善了穿透性能。

已有资料很好的证实了,从匙孔或者焊接区域排出的蒸汽粒子会导致激光光束的衰减(散射和吸收),从而降低与基底材料耦合的光束能量。1激光光束的散射和吸收降低了焊接的速度和深度。2胶层决定了粒子越大,衰减效应就越严重。

氦保护气体带来最小的均匀蒸汽粒子大小。这说明了对CO2 或 YAG激光焊接来说,纯氦是控制粒子大小的最佳选择。我们必须承认,氦气与氩气相比,确实有比较高的电离率和较低的等离子体形成电压,但是它的分子重量较小。因此,氦保护气需要较大的流速,以保证有效的将激光光束路径上的金属蒸汽排出。由于氦气的单位本钱高于氩气,因此,这就增加了焊接过程中均匀每英尺本钱。

为了优化保护气体以实现抑制等离子体,排出蒸汽粒子以及降低单位本钱,我们考虑使用高达 40-50%的氩气混合气体。比重越高,混合气体所需要用来排出蒸汽粒子的流速就越小。混合气体还在焊接池固化过程中提供了更长时间的惰性气氛,从而使焊接速度更大。它还降低了捕捉气体的量,从而减轻了由于多孔性而带来的报废率。

其次,固化率的降低促进了晶粒的生长和内部应力的减轻,这就增加了疲惫强度。由于纵横比(焊缝深度/宽度)较高和随后的应力所产生的焊接裂缝都几乎被清除了,这是由于GMAW填充金属的加进导致了焊接面宽度增加。

在混合气体中,适当的添加少量的二氧化碳和/或氧气,或将它们作为GMAW过程的二次保护气体,能够进一步的进步焊珠的性能。氦-氩混合气体易于产生更高的电弧电压,相应的得到的焊珠外形更宽,电弧稳定性也更高。

因此,可以加进3-10%的二氧化碳来稳定传递和收缩电弧。在一些情况下,可以加进1-5%的氧气来实现优质的电弧稳定性,同时在焊接边沿实现更好的连接(浸湿)。与二氧化碳混合气体相比,氧气由于电离率较低,热导任性能较高,易于提供宽而浅的穿透分布。

针对所需质量和生产率标准的混合气体被终极确定以后,还需要考虑如何把它们经济的运送到使用地点。用户可以通过在生产现场混合这些保护气体,利用低本钱的液态氩供给方式。为什么不用支付预混高压氦气筒的价格来支付氩气,二氧化碳或者氧气呢?

氩气可以通过液态氩瓶来经济的运送, 满足高达35,000立方英尺的月消耗,该数目相当于每月的混合气体用量为87,500立方英尺。氩气的月消耗量更大的话可以使用批量供给来实现本钱水平的优化。分析中还需要考虑到填充损耗,每月设备费,成批供给的合同限制,以及运费等等因素。

另一方面,氦气一般是通过高压Tube Trailer或者钢瓶组来供给的。现场的混合需要一个混合系统,它能够正确的调节从0-100%的微小成分。总的质量系统可以通过在混合器的出口放置一个分析仪来实现监控,一旦混合比超出误差范围,就会报警。已有软件和报警系统可以将这种信息传至桌面电脑,或者通过传真或电子邮件送至更远的地方。

公道设计的混合激光气体传送系统使用户能够实现更高的焊接速度,相应的得到更高的生产率。关注保护气体的参数,如类型,流量,与冲击角度,将进步焊接质量,降低光束吸收和散射效果。

不断发展辅助 焊接技术,将一些方法如GMAW和激光技术相结合,使得用户能够发挥出两项技术的上风,并且从中受益。

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