激光焊接作為一種高效精密的焊接方式,相比傳統(tǒng)的焊接工藝,具有單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強(qiáng)度普遍高于母材等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航天、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域。

圖1

隨著激光焊接技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合,現(xiàn)已廣泛地用于車(chē)身底板、側(cè)圍車(chē)架、車(chē)頂、車(chē)門(mén)及車(chē)身總成等部分和車(chē)身大型覆蓋件的焊裝中,成為車(chē)身裝配時(shí)的主要工藝手段。

北京奔馳引進(jìn)戴姆勒奔馳先進(jìn)激光焊接技術(shù)對(duì)側(cè)圍、后圍、車(chē)門(mén)、前縱梁總成、后備箱蓋等進(jìn)行焊接加工。在此以北京奔馳為背景，介紹激光焊接技術(shù)，并對(duì)比激光焊接技術(shù)與其他焊接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1、激光焊接系統(tǒng)組成

激光焊接系統(tǒng)主要由激光源、激光工作頭、冷卻系統(tǒng)、激光房、機(jī)器人、PLC、送絲系統(tǒng)、激光焊接質(zhì)量檢測(cè)單元及激光功率檢測(cè)等組成。

(1)激光源。激光源即激光發(fā)生器,是激光焊接系統(tǒng)的熱源供應(yīng)。從1960 年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái),現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有多種激光發(fā)生器,且光束質(zhì)量也得到不斷提高,為激光加工技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

(2)激光工作頭。激光工作頭是指激光加工工具,不同的激光加工工藝對(duì)應(yīng)不同的激光加工工具。

(3)冷卻系統(tǒng)。由于激光的發(fā)生無(wú)法避免散發(fā)大量熱量,為保證激光源正常工作,需要使用冷卻系統(tǒng)來(lái)保證激光源溫度恒定。

(4)激光房。激光對(duì)眼睛與皮膚傷害較大,因此激光焊接需要在一個(gè)密閉空間激光房里進(jìn)行,并搭建完整有效的安全機(jī)制。激光房?jī)?nèi)安裝有監(jiān)控系統(tǒng),用于監(jiān)控激光焊接設(shè)備工作狀態(tài)。

(5)機(jī)器人。機(jī)器人作為焊接工作的執(zhí)行裝置,與激光工作頭、激光源等其他設(shè)備通訊,控制、配合下屬設(shè)備完成焊接工作。

(6)PLC。它是工作站的總指揮官,控制工裝夾具、各種信號(hào)、工作順序等。

(7)送絲系統(tǒng)。激光熔絲焊接需要送絲系統(tǒng),一般送絲系統(tǒng)由控制單元、絲桶、主送絲管、伺服驅(qū)動(dòng)單元組成。

(8)激光焊質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。可高效檢測(cè)激光焊焊接質(zhì)量,分為在線檢測(cè)及離線檢測(cè)。在線檢測(cè)系統(tǒng)是指在激光焊焊接過(guò)程中進(jìn)行的檢測(cè),一般檢測(cè)焊接強(qiáng)度或記錄焊接過(guò)程中焊接錄像及各參數(shù)變動(dòng)。離線檢測(cè)一般用于檢測(cè)焊縫外觀焊接質(zhì)量。

(9)激光功率檢測(cè)系統(tǒng)(PMM)。用于測(cè)量激光功率大小。激光工作頭上安裝有壓縮空氣噴氣口來(lái)減少在激光焊接過(guò)程中飛濺、焊塵等在保護(hù)鏡片上的附著,但長(zhǎng)期工作無(wú)法避免保護(hù)鏡片的污染。

保護(hù)鏡片的污染會(huì)降低激光出光功率,影響焊接質(zhì)量,甚至燒毀保護(hù)鏡片。北京奔馳采用的激光功率測(cè)量系統(tǒng),每加工一定數(shù)量的工件測(cè)量一次功率,提醒工作人員及時(shí)檢查更換保護(hù)鏡片。

(10)壓縮空氣單元。一般激光焊接頭都會(huì)配有壓縮空氣吹氣裝置,以減少焊塵對(duì)鏡片的附著。

2、常用的激光焊接技術(shù)及應(yīng)用

白車(chē)身上常用的激光焊接技術(shù)有激光飛行焊、激光釬焊、激光熔焊。

2.1 激光飛行焊

激光飛行焊即激光機(jī)器人的掃描焊接,機(jī)器人攜帶的激光工作頭通過(guò)振鏡高速掃描,在不接觸工件的情況下完成高速焊接。

在汽車(chē)白車(chē)身裝焊車(chē)間,激光飛行焊常用于連接兩搭接板。與傳統(tǒng)電阻焊相比,激光飛行焊具有工件變形小、減輕車(chē)身質(zhì)量、速度快、強(qiáng)度高、節(jié)省耗材、設(shè)備穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2005 年大眾公司進(jìn)行的激光焊接技術(shù)在帕薩特(參數(shù)|圖片)轎車(chē)的大批量生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用顯示,與傳統(tǒng)的電阻焊相比,激光焊接每個(gè)焊點(diǎn)的生產(chǎn)成本節(jié)省了30%~50%。激光飛行焊工作過(guò)程不接觸工件,因此設(shè)備故障率及設(shè)備備件更換率很低,工作穩(wěn)定，這就意味著設(shè)備完成安裝調(diào)試后的后期投入很小。

以北京奔馳C級(jí)(參數(shù)|圖片)車(chē)的生產(chǎn)廠為例,比較自動(dòng)電阻點(diǎn)焊及激光飛行焊接的優(yōu)缺點(diǎn)。

北京奔馳激光飛行焊主要用于側(cè)圍、后圍、車(chē)門(mén)、底盤(pán)前縱梁總成的焊接。C級(jí)車(chē)焊裝生產(chǎn)車(chē)間飛行焊接設(shè)備兩套,主要用于底盤(pán)前縱梁的焊接及的焊接。

表1 電阻點(diǎn)焊與激光飛行焊工藝對(duì)比

北京奔馳C級(jí)車(chē)裝焊生產(chǎn)車(chē)間2015 年第三季度(7~9 月)備件使用情況分析。由于激光飛行焊接與電阻點(diǎn)焊設(shè)備數(shù)量不同,為平行對(duì)比兩種技術(shù)的備件消耗,以平均每10 000 個(gè)焊點(diǎn)的備件消耗進(jìn)行比較。該備件消耗的計(jì)算為

式中va為平均每10 000 個(gè)焊點(diǎn)所需的備件消耗(單位:元/萬(wàn)點(diǎn));V為季度備件消耗總價(jià)值(單位:元);P為季度日產(chǎn)量(單位:件/天);a為平均每把焊槍在每個(gè)件上的焊點(diǎn)數(shù)(單位:點(diǎn));n為設(shè)備數(shù)量(單位:臺(tái));d為季度生產(chǎn)總天數(shù)(單位:天)。

表2 電阻點(diǎn)焊、激光飛行焊?jìng)浼膶?duì)比

由表1、表2的分析得出:

(1)時(shí)間效益比較

雖然激光飛行焊需要焊前工藝(激光打點(diǎn),以保證焊接時(shí)兩板件間隙,便于鋅蒸汽溢出),但焊接速度上激光飛行焊焊幾乎是電阻點(diǎn)焊的10 倍;工藝上,電阻點(diǎn)焊每250 個(gè)焊點(diǎn)就要進(jìn)行一次修磨以保證焊接質(zhì)量,而激光飛行焊每3 000 點(diǎn)甚至可以更長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)一次功率,耗時(shí)工藝頻率上激光飛行焊遠(yuǎn)不及電阻點(diǎn)焊的1/10;耗材與備件更換頻率上,從表1 和表2 可知,激光飛行焊遠(yuǎn)小于電阻點(diǎn)焊;因此,從時(shí)間效益上講,電阻點(diǎn)焊的時(shí)間效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光飛行焊的時(shí)間效益。

(2)經(jīng)濟(jì)效益比較

電阻點(diǎn)焊耗材及備件消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光飛行焊。雖然激光飛行焊在項(xiàng)目搭建時(shí)花費(fèi)較高,但從長(zhǎng)期使用的角度講,激光飛行焊的總體經(jīng)濟(jì)成本也低于點(diǎn)焊。

(3)焊縫形狀與焊縫質(zhì)量比較

激光飛行焊焊縫形貌可以根據(jù)工藝要求靈活設(shè)計(jì),北京奔馳常用的激光飛行焊焊縫為C型焊縫或一字形焊縫,如圖2 所示。

圖2 激光飛行焊焊縫

激光飛行焊接熔深大,焊縫強(qiáng)度高,且焊接熱變形小,常用于車(chē)門(mén)、頂蓋等外觀件的加工,及前縱梁輪轂總成等需要高強(qiáng)度焊接的零件加工。

(4)自動(dòng)化智能化角度比較

激光飛行焊焊接時(shí),機(jī)器人與焊點(diǎn)的位置關(guān)系沒(méi)有嚴(yán)格要求,只要所有焊點(diǎn)在機(jī)器人軌跡掃描范圍之內(nèi)即可,機(jī)器人軌跡平順,不需像電阻點(diǎn)焊那樣機(jī)器人軌跡需要隨著焊點(diǎn)位置扭轉(zhuǎn),具有極強(qiáng)的焊接靈活性。另外焊縫形狀可以靈活設(shè)計(jì),加之完整可靠的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等,使激光飛行焊成為具有高度智能化的焊接方式。

總之,激光飛行焊經(jīng)濟(jì)效益高、時(shí)間效益高、焊縫質(zhì)量高、設(shè)備穩(wěn)定性好、自動(dòng)化智能化程度高。激光飛行焊已成為一項(xiàng)成熟的技術(shù),具有良好的的應(yīng)用前景。

2.2 激光填絲熔焊和激光釬焊

激光填絲熔焊和激光釬焊都是以激光為能量源熔化焊絲,從而連接兩板件的焊接方式。

它們的不同之處除了填絲用料不同之外,填絲熔焊熔化母材而激光釬焊只熔化焊絲,這就決定了釬焊焊縫強(qiáng)度低于母材,而填絲焊焊縫強(qiáng)度大于等于母材。

對(duì)于激光釬焊及激光填絲熔焊,北京奔馳使用的激光焊接頭均為SCANSONIC公司提供的ALO3。在北京奔馳裝焊車(chē)間,激光填絲熔焊主要用于加轎車(chē)工前縱梁總成,激光釬焊主要用于加工轎車(chē)尾門(mén)。

激光熔絲焊接與傳統(tǒng)的電弧焊接相比,焊縫質(zhì)量高、焊接速度快、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。但隨著電弧焊的發(fā)展創(chuàng)新,電弧焊的性能比起傳統(tǒng)電弧焊也高出了很多,如冷金屬過(guò)渡(CMT),很大程度地提高了電弧焊性能。

下面將分別對(duì)比以Fronius公司為代表研發(fā)的CMT電弧焊、CMT釬焊+與激光填絲熔焊、激光釬焊的工藝及性能,如表3、表4 所示。

表3 激光填絲熔焊及CMT電弧焊工藝及性能對(duì)比

由表3可知,激光填絲熔焊相對(duì)于CMT電弧焊主要優(yōu)勢(shì)在于焊縫質(zhì)量好、焊接速度快。

圖3 激光填絲熔焊焊縫及CMT電弧焊焊縫

圖3a為CMT電弧焊焊縫,可以看出,焊縫熱影響區(qū)較大,焊縫凸出;圖3b為激光填絲焊焊縫,熱影響區(qū)較小,焊縫平順。

因此激光填絲熔焊適用于質(zhì)量要求高、線速要求快的零件焊接。然而激光填絲焊前期成本高、耗材消耗大。以北京奔馳激光填絲熔焊為例,一般焊接功率5~6 k W,因此耗材消耗較大,主要消耗為保護(hù)鏡片及送絲機(jī)構(gòu)耗材,保護(hù)鏡片平均每焊接300 m就要更換一次保護(hù)鏡片。

表4 激光釬焊及CMT釬焊+工藝及性能對(duì)比

由表4 可知,激光釬焊相對(duì)于CMT釬焊+焊接速度相當(dāng),主要優(yōu)勢(shì)在于焊接變形量小、鍍鋅層燒蝕程度小。激光釬焊焊縫和CMT釬焊+焊縫如圖4所示。

圖4 激光釬焊焊縫及CMT釬焊+焊縫

設(shè)備穩(wěn)定性方面,激光填絲熔焊及激光釬焊的工作頭穩(wěn)定性遜色于電弧焊工作頭。

由于激光熔絲焊接時(shí),激光需要準(zhǔn)確打到焊絲上,即做到激光工作斑點(diǎn)與焊絲尖端重合。

目前激光熔絲焊接工作頭都設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)焊絲絲嘴位置模塊以達(dá)到此目標(biāo),但也無(wú)法避免長(zhǎng)期工作過(guò)程中絲嘴位置的移動(dòng)。

以北京奔馳裝焊車(chē)間為例,ALO3 設(shè)備40%以上停機(jī)是由絲嘴位置移動(dòng)引起的。

目前Procitec、Scansonic等公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)新一代的激光熔絲焊工作頭以解決此問(wèn)題。

由上述可知,激光熔絲焊技術(shù)發(fā)展取得一定成果,但在成本方面有待于進(jìn)一步降低,設(shè)備穩(wěn)定性方面需要進(jìn)一步提高。