早在20世紀(jì)80年代德國大眾汽車制造廠即采用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車白車身上頂蓋總成與側(cè)圍總成、車門總成等工藝連接。激光焊接技術(shù)以其強(qiáng)度高、速度快、成本低、密封性和外觀質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)被國外及國內(nèi)合資企業(yè)廣泛應(yīng)用于白車身制造中，部分企業(yè)更編制對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行推廣。其中，激光熔焊、激光釬焊等相關(guān)技術(shù)也在車身制造技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下普遍應(yīng)用。

激光飛行焊接技術(shù)（Laser Scanner Welding，LSW）相對(duì)于傳統(tǒng)成熟的激光焊接工藝技術(shù)是通過使用機(jī)器人控制激光進(jìn)行掃描焊接的一種新型工藝。其主要優(yōu)點(diǎn)在于焊接速度快的同時(shí)與工件無接觸，可以最大限度地消除每段焊接前不斷重復(fù)定位造成的非生產(chǎn)性時(shí)間的浪費(fèi)，使得激光束在線時(shí)間最大化，生產(chǎn)效率得到大幅度提高。

01、激光飛行焊技術(shù)的工藝特點(diǎn)

激光飛行焊技術(shù)是近年來出現(xiàn)在國內(nèi)外市場上的一種新型高效焊接技術(shù)，針對(duì)多點(diǎn)焊接能夠極大提高生產(chǎn)效率。激光飛行焊接技術(shù)是通過機(jī)器人手臂的移動(dòng)與激光掃描儀的高動(dòng)態(tài)定位運(yùn)動(dòng)配合使用，將激光器中的激光束通過光釬傳遞到安裝在機(jī)器人上的可編輯聚焦光學(xué)頭（PFO）上，安裝在PFO中的兩片高速掃描反射鏡（即“濾鏡”）促使激光束按照事先編制的程序路徑進(jìn)行高速精確運(yùn)動(dòng)，通過遠(yuǎn)心透鏡聚焦實(shí)現(xiàn)鈑金件的焊接。在汽車制造業(yè)中，激光飛行焊接技術(shù)可應(yīng)用于汽車座椅板、儀表相關(guān)件、車門結(jié)構(gòu)件、行李箱蓋以及其他特殊材質(zhì)（如鍍鋅材質(zhì)）薄板的焊接工藝中。

我公司某高端轎車車型在車門調(diào)試階段，對(duì)車門窗框部位的弧焊工藝焊后變形問題花費(fèi)了近半年時(shí)間攻關(guān)。弧焊后車門變形量最大達(dá)到3mm，前門窗框總成50%~70%的部位弧焊變形量超過0.7mm以上（見圖1及附表），而后車門總成達(dá)到了80%~90%部位弧焊變形。在進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試時(shí)需要花費(fèi)較大的人力物力才把該問題控制在可接受范圍。

圖1   車門檢測點(diǎn)，注：1~60為車門檢測點(diǎn)。

 

 

尤其對(duì)比激光飛行焊技術(shù)，在車門焊接時(shí)可以最大程度的減小焊接變形量，極其有利于后期總成精度的調(diào)試，尤其對(duì)門蓋類精度要求以及匹配功能要求均較高的工件來說，使總成的精度得到保證。

02、激光飛行焊接原理

激光飛行焊與傳統(tǒng)的激光焊接主要區(qū)別是激光束定位方法不一樣。激光飛行焊技術(shù)通過激光束入射到掃描振鏡的X，Y軸兩個(gè)反射鏡上，計(jì)算機(jī)控制反射鏡的角度，實(shí)現(xiàn)激光束的任意偏轉(zhuǎn)。通過負(fù)透鏡的線性移動(dòng)，使焦點(diǎn)位置在Z方向上產(chǎn)生一定的調(diào)節(jié)范圍，通過具有一定功率密度的激光聚焦在待加工工件表面的不同位置實(shí)現(xiàn)焊接連接。振鏡組的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，使振鏡鏡片在掃描鏡頭內(nèi)將激光光束快速在焊點(diǎn)之間切換，由于聚焦鏡聚焦距離長，反射鏡小角度偏轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)激光束在焊點(diǎn)（縫）之間可快速切換，其定位時(shí)間幾乎為零，從而可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的快速焊接。激光飛行焊接的原理如圖2所示，圖3為激光飛行焊基本組成結(jié)構(gòu)。

 圖2   激光飛行焊接原理

 

圖3    激光飛行焊基本組成結(jié)構(gòu)，1.光釬  2.PFO  3.機(jī)器人  4.激光器  5.焊接件

在采用激光飛行焊接時(shí)，通過可移動(dòng)的反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)加工光束的引導(dǎo)；通過反射鏡的角度變化引導(dǎo)激光束，從而產(chǎn)生一個(gè)加工區(qū)，在其加工區(qū)中可以高度動(dòng)態(tài)、精確地實(shí)施焊接作業(yè)。加工區(qū)的大小取決于工作距離和激光束的偏轉(zhuǎn)角度。加工速度和工件上的光斑直徑取決于鏡組的成像特性、激光束的入射角度、光束質(zhì)量和材料。

通過一個(gè)輔助透鏡系統(tǒng)的移動(dòng)，焦點(diǎn)可以在Z軸方向以極高的動(dòng)態(tài)性移動(dòng)，從而無需移動(dòng)激光頭或者工件，就可以對(duì)三維工件進(jìn)行完整的加工。

由于激光束的偏移運(yùn)動(dòng)速度非?？欤瑤缀鯖]有非生產(chǎn)性時(shí)間，所以激光器可以在將近100%的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

03、激光飛行焊的優(yōu)勢

傳統(tǒng)激光焊和激光飛行焊的工步如圖4、圖5所示。經(jīng)對(duì)比可以看出，激光飛行焊實(shí)現(xiàn)了在線時(shí)間最大化，有效生產(chǎn)時(shí)間占整個(gè)工作時(shí)間的90%以上。

圖4   傳統(tǒng)激光焊接方式

 

 

圖5   激光掃描焊接方式

相對(duì)傳統(tǒng)工藝的點(diǎn)焊技術(shù)來說，激光飛行焊可以自定義焊縫形式，優(yōu)化焊縫焊后強(qiáng)度，增加了設(shè)計(jì)及工藝的靈活性，可以適用于任何焊接形式、任何焊接方向。同時(shí)可以根據(jù)工藝要求自定義焊縫分布，使得焊縫的受力最優(yōu)化得以完美的實(shí)現(xiàn)。激光飛行焊的無接觸、靈活的焊縫要求，可使得焊接搭接面更小。如圖6、圖7所示，傳統(tǒng)點(diǎn)焊為保證焊點(diǎn)質(zhì)量，避免出現(xiàn)騎邊焊等焊接缺陷，在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)時(shí)要求其搭接邊最小≥11mm。而在我公司一款新型車型車門設(shè)計(jì)時(shí)采用激光飛行焊技術(shù)，焊接位置的最小搭接邊要求為≤6mm。從這個(gè)角度分析，采用激光飛行焊可以在一定程度上減少材料成本和降低車身重量，在保證車身制造質(zhì)量的基礎(chǔ)上最大限度的實(shí)現(xiàn)輕量化，亦達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖6   點(diǎn)焊搭接要求，注：B搭接邊≥11mm。

 

圖7  激光飛行焊搭接邊示意

掃描焊接系統(tǒng)可適用于一個(gè)工件多處焊接以及定位轉(zhuǎn)換比較困難的狀況。針對(duì)一些大型不易移動(dòng)，或者具有復(fù)雜曲面外形的工件，可以根據(jù)事先編程的路徑加工任意的圖形單元，通過機(jī)械手的快速靈活定位實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的焊接，焊接加工軌跡具有很大的自由性。

目前在汽車行業(yè)運(yùn)用較多的碟片式光纖傳導(dǎo)激光器擁有模塊化配置，極高的二極管壽命、優(yōu)化高效的諧振設(shè)計(jì)、不懼反射損壞、能量反饋控制以及優(yōu)秀的光束管理等優(yōu)勢，保證了激光飛行焊技術(shù)的可靠性。PFO振鏡和機(jī)器人實(shí)時(shí)同步其高速動(dòng)態(tài)性能使得掃描速度可達(dá)每分鐘700m。無接觸加工過程，焦距可達(dá)0.5~1.5m，精度可以控制在0.2mm以內(nèi)，加之焊接過程的穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本、更小的空間占用率等諸多優(yōu)勢，使得整個(gè)焊接范圍更廣、焊接過程更靈活。

04、結(jié)語

激光飛行焊技術(shù)通過在極短時(shí)間內(nèi)的快速定位，極大地降低了生產(chǎn)節(jié)拍，較小的熱輸入量保證總成焊后產(chǎn)生的變形小，更有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。由于其通過機(jī)器人手臂與激光掃描儀緊密配合使用，保證在焊接過程中與工件零接觸，焊縫位置可實(shí)現(xiàn)靈活多變化及大型零件、復(fù)雜曲面的快速多點(diǎn)焊接。這樣不僅減少了焊接設(shè)備的過多投入及使用場地的占用，降低單臺(tái)生產(chǎn)成本，而且焊接整體效果穩(wěn)定。

基于上述優(yōu)勢，激光飛行焊技術(shù)除了可應(yīng)用于行李箱蓋、車門、座椅板、儀表盤支持件、座椅調(diào)整件和座椅架等白車身件上的焊接外，還可在鋁合金、鍍鋅薄板以及電池、塑料等的焊接上得到廣泛應(yīng)用。