焊接技术在汽车制造中的应用与发展

2018-09-12 17:06:00
陆启蒙
原创
2240

激光技术的竞争强化了 激光焊接技术汽车制造工业中的应用。新的 激光焊接电源和更高的功率使得 激光焊接进入了长期以来一直被传统 焊接技术所垄断的 汽车车身的制造领域,使得激光技术在汽车工业中得到了极为广泛的应用。利用激光混合焊接技术可大大提高冲压件缝隙的连接能力,更加充分地利用激光高速焊接时 电弧焊接的工艺稳定性。

目前,激光及其复合焊接技术已在许多工业部门得到应用,而汽车是其中最重要的部门,最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊以及顶盖与侧围的焊接。用激光将不同厚度、材质及性能的几块薄板拼焊起来,再冲压成形。不但提高了材料利用率,由40%~60%提高到70%~80%,而且减轻了重量,提高了综合力学性能。与单一的激光焊接技术相比,激光混合焊接技术具有显著的优点:更大的熔深、较大缝隙的焊接能力及更好的焊缝韧性,通过焊丝可以影响焊缝组织结构及无焊缝背面下垂现象等。

一、激光焊原理激光焊采用激光作为焊接热源, 机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于,它有着超乎寻常的加热能力,能把大量的能量集中在很小的作用点上,所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点,可实现薄板的快速连接。当激光光斑上的功率密度足够大(>106W/cm2)时,金属在激光的照射下迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高至沸点,金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面,产生一个附加应力反作用于熔化的金属,使其向下凹陷,在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行,激光可以直接射入坑底,形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续深入。光斑密度很大时,所产生的小孔将贯穿于整个板厚,形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化,绕过小孔流向后方,重新凝固形成的焊缝如图1所示。

二、激光 焊接设备激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接机和控制系统组成如图2所示。

1.激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑,CO2激光器比YAG激光器具有很大优势,是目前深熔焊接主要采用的激光器,生产上应用大多数还处在6~15kW范围。YAG激光器一般功率小于1kW,用于薄小零件的微连接。近年来,国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展,最大功率已达5kW,并已投人市场。由于其波长短,仅为CO2激光的1/10,有利于金属表面吸收,可以用光纤传输,简化光导系统。因此,大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展,成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。

2.光导和聚焦系统光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤以及聚焦镜等组成,实现改变光束偏振状态及方向,传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下,光学部件尤其是透镜性能会劣化使透过率下降,产生热透镜效应,表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。

3. 焊接机器人由于激光-MIG复合焊接技术对焊接接头的装配精度要求较低,所以可以不必采用激光钎焊机器人的设计方式,既区别于常规的绞臂式焊接机器人,也无需设计焊缝自动跟踪矫正系统以及激光在线检测系统,这样可以大大降低工装设备的成本投资,降低工装设计的复杂程度。三、激光 焊接方法的特点激光焊接方法具有如下特点:

(1)能量密度高、适合于高速焊接。

(2)焊接时间短、材料本身的热变形及热影响区小,尤其适合高熔点、高硬度加工。

(3)无电极、工具等的磨损消耗。

(4)对环境无污染。

(5)可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。

(6)很容易改变激光输出焦距及焊点位置。

(7)很容易搭载到机器人装置上。激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接,优点主要体现在:无烧穿时焊缝背面下垂的现象,适用范围更广;对于激光-MIG焊接,优点主要体现在:较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小,从而使得整个系统的生产过程稳定性好,设备可用性好及焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小,焊接生产工时短、费用低、生产效率高。

四、激光-电弧复合热源焊接的主要形式1.激光-TIG复合焊接激光与TIG复合焊接的特点是:

(1)利用电弧增强激光作用,可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料。

(2)在焊接薄件时可高速焊接。

(3)可增加熔深,改善焊缝成形,获得优质焊接接头。

(4)可以缓和母材端面接口精度要求。例如,当CO2激光功率为0.8kW,TIG电弧的电流为90A,焊接速度2m/min时,可相当5kW的CO2激光焊机的焊接能力,5kW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合,焊接速度0.5~5m/min时,获得的熔深是单独使用5kW的CO2激光束焊接时的1.3~1.6倍。

2.激光-等离子弧复合焊接激光等离子复合焊接采用如图3所示的同轴方式。等离子弧由环状电极产生,激光束从等离子弧的中间穿过,等离子弧主要有两个功能:一方面为激光焊接提供额外的能量,提高焊接速度,进而提高整个焊接过程的效率;另一方面等离子弧环绕在激光周围,可以产生热处理的效果,延长冷却时间,也就减少了硬化和残余应力的敏感性,改善了焊缝的微观组织性能。

3.激光-MIG复合焊接激光-MIG复合焊的基本原理如图4所示。除了电弧向焊接区输入能量外,激光也向焊缝金属输入热量。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。在激光-MIG复合焊接时,挥发不仅发生在工件的表面,同时也发生在填充焊丝上,使得更多的金属挥发,从而使激光的能量传输更加容易。MIG焊的特点在于电源成本低,焊缝桥联性好,电弧稳定性好,易于通过填充金属改善焊缝结构。而激光束焊的特点在于熔深大,焊接速度高,热输入低,焊缝窄,但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同时激光复合焊接的熔池比MIG焊的要小,工件变形小,大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。激光-MIG复合焊接,会产生两个独立的熔池,而后面的电弧输入的热量同时起到了焊后回火处理的作用,降低焊缝硬度(尤其是焊钢)。由于激光复合焊接的焊接速度非常高,因此可以降低生产时间和生产成本。

4.双激光束焊接技术在激光焊接过程中,由于激光功率密度大,使得焊接母材被迅速加热熔化、气化,生成高温金属蒸气。在高功率密度激光的继续作用下,很容易生成等离子体云,不仅减小工件对激光的吸收,而且使焊接过程不稳定。如果在较大的深熔小孔形成后,减小继续照射的激光功率密度,而已经形成的较大深熔小孔对激光的吸收较多,结果激光对金属蒸气的作用减小,等离子体云就能减小或消失。因而,用一束峰值功率较高的脉冲激光和一束连续激光,或者两束脉冲宽度、重复频率和峰值功率有较大差异的脉冲激光对工件进行复合焊接,在焊接过程中,两束激光共同照射工件,周期地形成较大深熔小孔,然后适时停止一束激光的照射,可使等离子体云很小或消失,改善工件对激光能量的吸收与利用,加大焊接熔深,提高焊接能力,如图5所示。

五、激光复合焊接技术在汽车车身制造中的应用国内关于激光-电弧复合热源焊接实际应用的报道较少,国外尤其是德国对此项技术的研究较深入。

激光-电弧复合焊接广泛应用于汽车工业。

以德国大众Phaeton的车门焊接为例(见图6):为了在保证强度的同时又减轻车门的重量,大众公司采用冲压、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊缝总长4980mm,现工艺是7条MIG焊缝(总长380mm),11条激光焊缝(总长1030mm),48条激光-MIG复合焊缝(总长3570mm)。激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在A8侧顶梁上有各种规格和形式的接头,就是采用激光-MIG复合焊工艺,焊缝共计4.5m长。激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如,复合焊在焊接Phaeton车门对接接头时,焊接速度1.2~4.8m/min都是可行的。通常焊丝送丝速度为4~9m/min,激光功率为2~4kW。最优化的焊速是4.2m/min,送丝速度6.5m/min,激光功率2.9kW。MIG-激光复合焊接最大焊接速度可达9m/min。

近年来,随着车辆运输设备向轻量化发展,汽车车身结构由空间框架向铝复合车体开始发展。随着大断面铝型材的生产和焊接技术的不断进步,铝合金在汽车中的应用也不断增加。目前,汽车 铝车身主要采用激光 焊接工艺,由于光束直径很细,要求坡口装配间隙小于0.5mm,跟踪精度很高,一开始尚未形成熔池时热效率很低。另外,还存在着设备成本高、工件准备工序要求严格等问题,这些问题可以通过激光-电弧复合焊接解决。由于电弧焊的复合,熔池宽度增加,使得装配要求降低,焊缝跟踪容易。由于电弧可以解决初始熔化问题,使铝合金对激光的反射减少,提高了激光的吸收率,从而可以大大降低激光器的输出功率,减少使用激光器的功率。同时电弧焊的气流也可以解决激光焊金属蒸气的屏蔽问题,从而避免表面凹陷形成的咬肉,而激光焊的深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持。德国大众汽车工程公司的T.GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光-MIG复合焊接机头。该机头安装在弧焊机器人手臂上,几何尺寸小,适合任何空间位置焊接,在各方向上的调节精度达到0.1mm。激光复合焊接技术由激光与其他热源的相互作用,焊接速度提高了,焊接周期缩短了,而且达到同样焊接目的所需的激光功率降低,这些都能使焊接成本大大降低。另外,这种方法能够改善像铝合金、异种材料等的焊接性。因此,激光复合焊接技术无论从工艺角度,还是从经济角度来看都具有广阔的发展和应用前景。

六、结语激光复合焊将两种焊接方法结合起来,它采用了两者各自的优点,获得了最佳的焊接效果,更高的焊接速度与良好的焊缝搭桥能力。它是目前最先进的焊接方法之一,实现了高焊接速度与良好焊接质量的完美结合。激光复合焊技术是汽车工业中一种全新的焊接技术,尤其是对于激光束焊无法实现或在经济上不可行的装配间隙要求。它具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少投资成本、缩短生产时间、节约生产成本和提高生产率,具有更强的竞争力。


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