激光_MIG复合焊接技术在车身制造过程中的应用

1、 激光及激光钎焊技术在生产中有着一定程度的应用,MIG 钎焊焊接技术在生产中也有着更为广泛的应用。激光-MIG 复合焊接技术将激光焊接技术与MIG 钎焊焊接技术有机地结合为一体,克服了各自的缺点,具有较好的焊接工艺性,并可以获得优质的焊接接头,是一种有着较大潜力的焊接新方法,具有广泛的发展前景。鉴于目前国内激光-MIG 复合焊接技术的应用程度较低,相关的研究及报道较少,故对该项焊接新技术的原理及工艺特点加以分析介绍。激光-MIG 复合焊接技术原理与特点1.激光-MIG 复合焊接技术原理 (1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

2、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、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时(大于106 W/cm 2,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溶化的金属,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。光斑功率密度很大时,所产生的小孔将不再继续深入且贯穿于整个板厚,形成深穿透焊缝。小孔随着

3、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,重新凝固形成焊缝。 (2MIG 焊原理MIG 焊是通过电弧热作为热源,熔化填充的焊丝金属,把母材连接到一起。MIG 焊具有电弧功率大、热量集中、焊接速度快、热影响区小、生产效率相对较高,因此可以焊接较厚的焊缝。采用氩气保护的MIG 焊具有更好的电弧稳定性,且可以获得更好的焊缝表面质量及焊缝的熔宽比。(3激光-MIG 复合焊接技术原理Nd:YAG 激光器焊接金属时的激光束强度可达106 W/cm 2,当激光到达材料表面时,该点的温度迅速升高到挥发温度,并形成挥发孔。焊缝最明显的特征是具有很高的深宽比。MIG 电弧燃烧的能量密

4、度稍高于104 W/cm 2。激光复合焊的基本原理见图1。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。激光-MIG 复合焊接提高了熔深和焊接速度。焊接过程中金属蒸气挥发,并且反作用于等离子区。等离子区对激光有轻微吸收,但可以忽略不计。整个焊接过程的特性取激光-MIG 复合焊接技术在车身制造过程中的应用一汽-大众汽车有限公司 韩立军吉林大学 朱俊洁以铝合金车身结构焊接为例介绍了激光-MIG复合焊接技术的原理及特点。将激光焊与电弧焊两种焊接技术有机地结合起来,可以获

5、得具有优良综合性能的焊接接头,不仅可以改善焊接质量和生产工艺性,同时可以提高焊接效率。图1 激光-MIG 复合焊接原理决于选择的激光和电弧输入能量的比例。工件温度对于激光能量的吸收是一个决定性的因素。开始焊接时需解决表面反射问题,尤其是铝合金。当工件表面达到挥发温度时形成挥发孔,这样几乎所有的能量都可以传到工件上。焊接所需要的能量由随温度变化的表面吸收率和工件传导损失的能量来决定。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。2.激光-MIG复合焊接特点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

6、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。激光焊接所需要的激光功率由金属的物理性质及表面吸收率和反射率所决定,铝合金对可见光和红外线都具有较高的反射率(约达90%,因此铝合金焊接时需要更大功率的激光器,并需要采用特殊的工艺措施减少反射,提高吸收率。小孔法焊接可以提高激光焊的能量吸收率(50%,形成熔透的小孔需要10%的入射能量,小孔一旦形成,所需能量就会下降。而激光复合焊接可以结合两者的优点,既能获得所需要的焊缝形貌,又能在激光焊接速度较高的前提下,充分利用电弧焊过程的稳定性。另外,电弧热的作用使所需激光焊机的

7、功率可以相应减小。激光复合焊接是将两个电弧进行复合,两个电弧相互影响和支持。不仅焊接过程更稳定,而且形成的熔池比单用激光束焊要大,搭桥能力更好,可允许更大的焊接装配间隙。同时,激光复合焊接的熔池比MIG焊的要小,热输入低,热影响区小,工件变形小,大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。激光-MIG复合焊接将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(尤其是焊接钢材。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。激光-MIG复合焊设备组成与特点1.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

8、器人的设计方式,既区别于常规的绞臂式焊接机器人,且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。2.激光复合焊接设备系统激光复合焊系统主要包括激光发生器、数控MIG焊机、焊接控制系统及激光焊头等,见图2。复合激光焊头是最关键的部件。较小的焊头几何尺寸,可以确保很好的焊接操作性,尤其是在焊接复杂车身构件时。此外,焊头具有良好的可拆卸性,可以方便地安装到机器人上,在焊接过程中焦距和焊距都是可调的。激光复合焊工艺的一个重要难题是如何防止焊接过程的飞溅污染激光头的防护玻璃。为了保护激光光学元件,将激光头上的石英防护玻璃片涂上双层的防反射材

9、料,但随着焊接过程中的飞溅对玻璃片污染程度的增加,导致作用在工件上的激光能量逐渐减少,大部分激光被玻璃片本身所吸收,且产生热应力,因此防护玻璃片失效。为了解决飞溅污染问题,在防护玻璃前安装了“横向喷射”系统,可将飞溅转向90°,避免了飞溅接触防护玻璃,使激光复合焊头不受烟尘和飞溅的污染而保持清洁。激光复合焊头带双循环水冷冷却系统,MIG焊焊枪设计的负载为焊接电流250 A,激光器功率设计为4 kW。这种焊头可实现4种焊接方法,即激光-MIG复合焊、非填丝型激光焊、MIG焊、填丝型激光钎焊。激光-MIG复合焊工艺分析1.铝合金的焊接特点铝及铝合金具有独特的物理化学性能,在焊接过程中会产

10、生一系列的困难和特点,具体如下。(1氧化能力强铝与氧的亲和力较大,在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3,其熔点高达2 050 ,远远超过了铝合金的熔点,且密度大,约为铝的1.4倍。在焊接过程中,氧化铝薄膜将阻碍金属之间的良好结合,易造成夹杂。并且氧化膜会吸附水分,导致焊接时生成气孔。图2 激光-MIG复合焊接设备(2导热系数和比热容较大铝合金的导热系数、比热容等都很大,约比钢大1倍多,焊接过程中大量的热能被迅速传到基体金属内部,因此焊接铝合金时需要消耗更多的热量。(3热裂纹倾向性大铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍,凝固时体积收缩率可达6.5%左右,因此在焊接某些铝合金时,往往由于过大的内

11、应力而在脆弱区间内产生热裂纹,这是高强铝合金焊接时最为常见的焊接缺陷之一。(4容易形成气孔焊接接头中的气孔是铝合金焊接时易产生的另外一个缺陷,氢是焊接时产生气孔的一个主要原因。铝合金的液体熔池极易吸收气体,在焊接冷却凝固过程中,高温下溶入的大量气体来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔。铝合金由于比强度高、抗腐蚀性好而得以广泛应用。CO2激光焊接铝合金的困难主要在于高的反射率以及导热性好,难以达到蒸发温度,难于诱导小孔的形成(尤其是Mg含量比较小时,容易产生气孔。提高激光吸收率的措施除了表面化学改性、表面镀层、表面涂层外,还有激光-MIG焊接方法的“阴极雾化”作用,其效果非常好。MIG焊接成本低,适

12、用性强,缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝,焊速高、热输入低,但投资高,对工件制备精度要求高,对铝等材料的适应性差。2.铝合金激光-MIG复合焊接特点(1对消除等离子云的作用借助于激光-MIG复合焊接,可以有效消除单一激光焊接过程中等离子云的产生。在高功率密度的条件下进行激光焊接时,可以发现激光在金属作用区域里,金属蒸发极为剧烈,不断有红色金属蒸气逸出小孔,在金属熔池表面上方存在着一个蓝色的等离子云,它伴随着小孔而产生。激光既是一种光,也是一种电磁波。一方面金属被加热气化后,在熔池上方形成高温金属蒸气云,当激光功率很大时,高温金属在电磁场的作用下发生离解形成等离子

13、体;另一方面,焊接时施加的保护气体也会形成等离子云。等离子云对焊接过程会产生不利的影响。位于熔池上方的等离子云对激光的吸收系数影响较大。它相当于一种屏蔽,吸收部分激光,使金属表面得到的激光能量减少,焊接熔池减小、焊缝表面增宽,形成“图钉”状焊缝,且焊接过程不稳定。借助于激光-M I G复合焊接,通过对熔池表面吹惰性气体,利用气体的机械吹力驱除等离子云,使其偏离熔池上方;同时,还可以利用低温气体降低熔池上方的气体温度,抑制等离子云产生的高温条件。利用MIG焊接熔滴的过渡形式,同样可以造成周围磁场的变化和气流的扰动,对抑制产生等离子云具有积极的作用。在直流反极性或交流焊接的情况下,MIG焊接具有“

14、阴极雾化”作用,即去除材料表面的氧化膜的作用。铝、镁及其合金的表面存在一层致密难熔的氧化膜Al2O3,它的熔点为2 050 ,而铝的熔点只有658 ,其覆盖在焊接熔池的表面,如不及时清除,焊接时会造成未熔和,使焊缝表面形成皱褶或者内部产生气孔夹杂,直接影响焊缝质量。在MIG焊接时,被焊接金属表面的氧化膜在焊接电弧的作用下可以被清除而获得表面光洁美观、成形良好的焊缝。这是由于阴极斑点现象具有自动寻找金属氧化物的性质所决定的。因为金属氧化物的逸出功小,容易发射电子的缘故,所以氧化膜上容易形成阴极斑点并进而产生电弧。由于阴极斑点的能量密度较高,并且被质量较大的正离子撞击,致使氧化膜破碎。(2对材料表

15、面激光吸收系数的影响金属对激光的吸收率可以近似用下式表示:h(T0.365(1+(T-201/2其中,h(T为金属在T温度时的吸收率;为金属材料在20时的电阻率;为电阻温度系数;T为温度;为激光波长。从上面的公式中可以看出,激光吸收率随着温度的增加而增加,随电阻率的增加而增加。借助于激光-MIG复合焊接中MIG焊的热作用,可以有效增加预热作用,提高激光作用于金属表面的温度,从而提高激光的吸收系数,适当降低激光器的功率。(3对焊接接头成形的影响在同样的熔深前提下,比较激光焊、MIG焊和激光复合焊3种形式的焊缝成形,激光焊的焊缝有凹陷,MIG焊的焊缝很宽、加强高高。而MIG-激光复合焊的加强高小,

16、且送丝速度只需5.5 m/min,约是MIG焊送丝速度(11 m/min的一半。借助于MIG焊,以附加电弧热作为热源,熔化填充的焊丝金属,可以提高焊接速度,生产效率相对较高,因此可以焊接较厚的焊缝。采用氩气保护的MIG焊具有更好的电弧稳定性,且可以获得更好的焊缝表面质量及焊缝的熔宽比。在M I G -激光复合焊接铝合金时,通常采用亚射流过渡区,此时由于电弧为蝶形,所以阴极雾化区域较大。焊缝起皱皮及表面形成黑粉的现象较轻。由于采用恒流外特性电源,焊接过程中弧长在一定范围内变化,焊接电流可以保持不变,因此焊接外形和熔深非常均匀。并且,亚射流过度时熔深为碗形,与图钉形的激光焊缝相结合形成理想的焊缝形

17、状。在深熔焊接时,熔池上方产生等离子体,而复合焊接时激光产生的等离子体有利于电弧的稳定。复合焊接可提高焊接效率;可提高焊接性差材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性;可增加焊接的稳定性和可靠性。通常,激光加丝焊是很敏感的,通过与电弧的复合,则变的容易而可靠。 激光焊、MIG 激光复合焊及MIG 焊接头成形比较见图3。MIG 焊焊缝搭桥能力好,对接头装配要求低。 激光-MIG 复合焊的复合效应表现为电弧增加了对间隙的桥联性,其原因有以下2个方面。一是填充焊丝。二是电弧加热范围较宽。电弧功率决定焊缝顶部宽度。激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维 持的阻力,使电弧更稳定。激光功率决定了焊缝的深度。更进一步

18、讲,复合导致效率增加,且增强焊接适应性。 从能量观点看,激光电弧复合对提高焊接效率十分显著,这主要基于两种效应。一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度;二是两热源相互作用的叠加效应。以德国大众Phaeton 的车门焊接为例,见图4。为了在保证强度的同时又减轻车门的质量,采用冲压件、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊缝总长4 980 mm ,其中7条MIG 焊缝(总长380 mm,11条激光焊缝(总长1 030 mm,48条激光-MIG 复合焊缝(总长3 570 mm。激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在其侧顶梁上有各种规格和形式的接头采用MIG-激光复合焊工艺,焊缝共计4.5 m 长。 由于接头形式各异,激光复合焊并不是适用于车门上的所有焊缝。在接头装配间隙很大的位置,采用具有良好桥联能力的MIG 焊比激光焊或复合焊更有优势。反之,接头间隙非常小的焊缝,热能集中,采用焊速快的纯激光焊是最好的方案。需要强调的是,激光-MIG 复合焊接系统可以同时实现MIG 焊、激光焊、激光-MIG 复合焊3种工艺。关闭MIG 焊时,系统成为激光焊;反之关闭激光则系统成为MIG 焊。如果没有激光复合焊系统,奥迪A8的车门就不得不更多采用厚而重的铝铸件。 激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范