汽车工业中的激光焊接技术

汽车工业中的激光焊接技术相关产业相关产业CorrelativeIndustries相关产业相关产业CorrelativeIndustriesPAGE64WMEMPAGE64WMEM4期2010年8月PAGE644PAGE644期2010年8月WMEM汽车工业中的激光焊接技术燕来荣1.激光焊接技术的特点及应用领域世界上第一个激光器的成功演示在40多年前，在今天，激光科学技术蓬勃发展，其作用远远超出了其发明初期人们原有的预想。激光技术的应用目前遍及科技、经济、军事和社会的许多领域。汽车工业是激光加工重要的应用领域，占激光加工15%的份额。激光焊接、激光切割、激光标记、激光打孔都有着广泛的应用。激光焊接技术在制造领域的应用稳步增长，由脉冲到连续，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由简单单缝到复杂形状，激光焊接在不断的演化过程中已经逐步成为一种成熟的现代加工工艺技术。激光(受激辐射光)最基本的特点就是：单色性、方向性、相关性，这些独特性质加上由此而来的超高亮度，超短脉冲等性质使它已经紧紧的和现代工业结合在一起，这些特质非常适合焊接加工。激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束、等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点。激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题；

激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光器一般按产生激光的工作物质不同来分类，主要有半导体(GaAs,InP等)激光器、固体(Nd:YAG等)激光器、气体(CO2、He-Ne等)激光器、液体(可调谐染料等)激光器、化学激光器、自由电子激光器等。其中气体激光器以气体或金属蒸汽为发光粒子，它是目前种类最多，激励方式最多样化，激光波长分布区域最宽，容易实现大功率连续输出，应用最广泛的一类激光器。固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质，其浓度比气体大，因而可以获得比较大的激光能量输出，具有能量大，峰值功率高，机构紧凑，牢固耐用等特点，在激光焊接中主要就采用这两种受激物质的激光器。激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接，在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接，随着激光输出功率的提高，特别是高功率CO2激光器的出现，激光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展，最大的焊接深宽比已经达到了12∶1，激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了今天的焊接镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料，激光焊接速度也达到了每分钟几十米，激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生产线上，在汽车生产线上如齿轮焊接，汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊并已取得了巨大的经济和社会效益。在激光应用技术的各个领域中，激光性能的发展趋势是在不断地提高，这种发展趋势可以增大激光的功率和提高激光的射束质量，借助于新的激光器件外壳，也需要很大的机器，同时需要复杂的外部冷却系统，因此需要占用很大的工厂空间，这无疑会导致较高的投资费用，而且那时的焊接设备习惯使用Nd：YAG固态激光器。虽然后来二极管激光器的成功应用逐渐取代了这种固态激光器，但这些二极管激光器的质保时间通常不足3000h，仍然无法和固态激光器竞争。随着新型的二极激光器的研制成功，它们几乎都是免维护的，而且预期寿命可高达20000h，因此成功地替代了固态激光器成为厂商的首选。现在的激光焊接系统其结构简洁紧凑，标准的系统可处理最大240mm×240mm的工件，而且聚焦直径小于1.5mm。此外，还可选用各种过程监测手段。看到二极管激光技术的巨大应用潜力和广阔的应用前景，供应商们不断加大研发力度，许多新技术由此应运而生。例如，二极管激光光纤耦合技术以及使用工业机械手进行激光焊接等，其中，二极管激光光纤耦合技术即使更换激光源后仍可保证激光光束的均一性。随着技术的进步，激光焊接能够很容易地利用工艺和设备的优势来弥补该技术与常规方法在设备成本上的差距。因此，成本因素已经不再是限制激光焊接技术获得广泛应用的主要原因。4.汽车激光加工和机器人焊接新技术激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。激光加工具有一些其它加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；激光加工过程中无刀具磨损，无切削力作用于工件；激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部

加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工最小；由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人生产方式在汽车焊接中获得了大量应用。焊接机器人是本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高和柔性程度极高的焊接设备。具有重复精度高、焊接质量好、运动速度快和动作稳定可靠等特点，焊接机器人是焊接设备柔性化的最佳选择。焊接设备作为焊装生产线的重要组成部分，是否采用焊接机器人是焊装生产线柔性程度的重要标志之一。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。随着汽车轻量化制造技术的推广，一些高强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决，必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此，机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。5.激光焊接技术的应用前景激光焊接技术对传统的汽车焊接工艺带来了冲击性的影响，各大汽车公司对此都抱有十分积极的态度，采用新技术就意味着更强的竞争力，特别是竞争残酷的汽车工业。激光焊接技术在焊接铝材，用焊接件代替铸件以及全车身构架结构焊接的应用前途最大，激光器生产厂家应该抓住商机，在激光器的可移动性、体积等方面下功夫，用光纤传输激光，使激光器更适合汽车生产线的需要。国内一些激光产品生产厂家已经逐渐意识到这一点，生产的脉冲激光焊接机利用光纤耦合聚焦，使用方便，激光头可以远离焊接区，激光器性能稳定可靠，寿命长，也可以使用传统的光学传统系统，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一机多用途，特别适用于激光加工车间和自动化生产线。据了解，未来激光焊接技术将会采用方式：一是改进现有技术，这意味着针对发展激光焊接将会有一种新的激光源—纤维激光，这是一种设有灵活的纤维谐振器的激光，输入能量比率远远高于输出能量，整个设备将比较紧凑，大功率纤维激光的另一个好处在于模件建造，许多功率大约为300W~500W的纤维谐振器，如果发生技术漏洞，更换一个合适的模块非常容易，在这种情况下，由于激光工作的时间比较长，因此也不需要配备一个训练有素的技术员。另一种是在一些以电阻螺柱焊接为主的地区介绍的激光焊接方式—“交替龙门焊接”，当

焊接时间超过50%的工作时间时，激光焊接装置更为节省。在应用方面,现在正在应用电阻螺柱焊接，解决这个问题的办法是一种规定有两个焊接交替配置的激光，当一个配置的焊接正在运行时,另一个配置处处理头向下一个焊接位置移动，在这以后激光将转至另一个焊接配置，这项技术已由蒂森克虏伯引进。除此之外针对汽车制造商也将会出现完全新式的使世界焊接领域发生革命性变化的焊接技术，如摩擦焊接。它的优势是只需能够焊接两个零件必要的低能量输入即可，而热量变形较低。由于温度非常低,因此，焊缝不会比材料坚硬，但也有不足之处：高强度压力和快速自转要求必须要很好地固定住金属零件。以前有几家公司采用这项技术来焊接铝。但无论从哪个角度来说，激光拼焊技术将会是未来车身焊接技术的发展方向。激光焊接技术对传统的汽车焊接工艺带来了冲击性的影响，各大汽车公司对此都抱有十分积极的态度，采用新技术就意味着更强的竞争力，特别是竞争残酷的汽车工业。激光焊接技术在焊接铝材，用焊接件代替铸件以及全车身构架结构焊接的应用前途最大，激光器生产厂家应该抓住商机，在激光器的可移动性、体积等方面下功夫，用光纤传输激光，使激光器更适合汽车生产线的需要。国内一些激光产品生产厂家已经逐渐意识到这一点，比如湖北光通光电系统有限公司生产的脉冲Nd:YAG激光焊接机利用光纤耦合聚焦，使用方便，激光头可以远离焊接区，激光器性能稳定可靠，寿命长，也可以使用传统的光学传统系统，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一机多用途，特别适用于激光加工车间和自动