汽车工业中的激光焊接技术.doc

汽车工业中激光焊接技术

燕来荣

1. 激光焊接技术特点及应用领域

世 界 上 第 一个激光器成功演示在40 多 年 前 , 在今天, 激光科学技术蓬勃发展, 其作用远远超出 了其发明早期大家原有预想。 激光技术应用目 前遍布科技、 经济、 军事和社会很多领域。 汽车 工业是激光加工关键应用领域, 占激光加工15% 份额。 激光焊接、 激光切割、 激光标识、 激光打孔 都有着广泛应用。

激光焊接技术在制造领域应用稳步增加 , 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, 激光焊接在不停演化过 程中已经逐步成为一个成熟 现代加工工艺技术 。 激光 (受激辐射光) 最基础特点就是: 单色性、 方 向性、 相关性, 这些独特征质加上由此而来超高 亮度, 超短脉冲等性质使它已经紧紧和现代工业 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一个热加工工艺, 它与 电子束、 等离子束和通常机械加工相比较, 含有许 多 优 点 。 激光束激光焦点光 斑 小 , 功 率 密 度 高 , 能焊接部分高熔点、 高强度合金材料; 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, 能够多个焊接加
工; 激光焊接自动化程度高, 能够用计算机进行控 制, 焊接速度快, 功效高, 可方便进行任何复杂 形 状 焊 接 ; 激 光 焊 接 热 影 响 区 小 , 材 料 变 形 小 , 无需后续工序处理; 激光可经过玻璃焊接处于真空 容器内工件及处于复杂结构内部位置工件 ; 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。
激光器通常按产生激光工作物质不一样来分类, 关键有半导体 (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, 它是现在种类最多, 激励方法最多样化, 激 光波长分布区域最宽 , 容 易实现大功率连续输出 , 应用最广泛一类激光器。 固体激光器是将产生激 光粒子掺于固体基质, 其浓度比气体大, 所以可 以取得比较大激光能量输出, 含有能量大, 峰值 功率高, 机构紧凑, 牢靠耐用等特点, 在激光焊接 中关键就采取这两种受激物质激光器。
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 , 伴随激光输出功率提升, 尤其是高功率CO2激光器 出现, 激光深穿透技术在中国外都得到了快速发 展, 最大焊接深宽比已经达成了12∶1, 激光焊接材
料也由通常低碳钢发展到了今天焊接镀锌板 、 铝
板、 钛板、 铜板和陶瓷材料, 激光焊接速度也达成 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 (包含车门车身) 高速拼焊并已取 得了巨大经济和社会效益。
在激光应用技术各个领域中, 激光性能发 展趋势是在不停地提升, 这种发展趋势能够增大激 光功率和提升激光射束质量, 借助于新激光

产生方案和新激光设备设计方案, 也包含新激
光技术应用领域, 这种发展趋势可在以后很快得以 实现。

2. 激光焊接在汽车行业中应用

美国是最早将高功率激光器引入汽车工业国 家。 在美国汽车工业中心底特律地域有40 余家激光 加工站, 用于汽车金属件切割和齿轮焊接 , 使 汽车改型从5 年缩短到2 年。 美国通用汽车企业已 经采取22 条激光加工生产线, 美国福特汽车企业采 用Nd:YAG激光器结合工业机器人焊接轿车车体, 极 大地降低了制造成本, 美国三大汽车企业电阻点 焊生产线被激光焊生产线所替换。 在日本, 激光焊 接在生产线上成功应用为世界所瞩目, 如在汽车 车体制造中采取将薄钢板实施激光焊接后冲压成型 新方法, 现在已为世界上大多数汽车厂家所仿效。 世界上很多著名汽车企业都建有专门激光焊接专 用生产线: Thyssen钢铁企业轿车底板拼焊生产线, 大众汽车厂齿轮激光加工生产线, 奔驰汽车厂
18个厂房里有8个厂房安装了激光加工设备。
采取激光焊接能够给汽车制造业带来巨大经 济效益, 如车身装配中大量点焊, 把两个焊头夹 在工件边缘上进行焊接, 凸缘宽度需要16mm, 而激 光焊接是单边焊接 , 只需要5mm, 把点焊该为激光 焊, 每辆车就能够节省钢材40kg。 用传统点焊焊接两 片 0.8mm 钢 板 冲 压 件 , 平 均 是 20 点/min, 焊 距 是
25mm, 即速度为0.5m/min, 用激光焊速度能够达成

5m/min 以 上 。 采取激光焊接技术 , 不 仅 降 低 成 本 , 还大大提升了生产效率。 现在, 一套千瓦级激光 加工机器人系统只要几十万美元, 新型激光器安
全性和可靠性也得到了确保 , 其故障停机率仅2% ,
防护方法也极为可靠。 激光焊接时需要工件接触面 紧密吻合, 这在工艺上是不轻易实现, 但现在先 进夹持方法和适合激光焊接凸缘设计使这一问 题得到了处理, 激光焊接技术逐步成熟使得各大 汽车厂商无一例外将激光焊接应用到了汽车生产 线上。
据相关资料统计, 在欧美发达工业国家中 , 有
50%～70% 汽车零部件是用激光加工来完成。 其 中关键以激光焊接和激光切割为主。 激光焊接在汽 车工业中已成为标准工艺。 激光用于车身面板焊 接可将不一样厚度和含有不一样表面涂镀层金属板焊 在一起, 然后再进行冲压, 这么制成面板结构能 达成最合理金属组合。 激光焊接速度约为4.5m/ min, 而且变形很小, 省去了二次加工。 激光焊接加 速了用冲压零件替换铸造零件进程。 采取激光焊 接, 能够降低搭接宽度和部分加强部件, 还能够压 缩车身结构件本身体积。 仅此一项车身重量可 降低56kg。 激光焊接用于车顶外壳与框架焊接, 传动 转换器盖板焊接 , 由CNC 控制, 其循环时间约为
16s, 实际焊接时间仅为3s, 一天可连续运行24h。
用于焊接小轿车变速箱总成和底盘 , 激光束 焊接速度快, 易于自动化控制而且易于归并到一 个灵活制造系统中, 激光束改善了厂家产品设 计投产周期, 降低了成品废品率。
激光焊接在汽车工业中最关键就是应用在汽车 车身焊接和拼接坯板焊接上。 为满足市场和用户 需求, 改善车身和制造工艺是十分必需, 而汽 车车身价值约占汽车总价值1/5, 采取激光焊接 工艺使车身抗冲击性和抗疲惫性都能够得到显著 改善, 提升汽车品质。 激光焊接因为采取计算机 控制, 所以含有较强灵活性和机动性, 能够对形 状特殊门板、 挡板、 齿轮、 仪表板等零部件焊 接, 也能够完成车顶和侧围, 发动机架和散热器架 等 部 件 装 配 , 如 果 加 上 光 纤传输系统和机械手 , 就能够实现自动化汽车装配生产线。 使用3kW左右 光纤传输Nd:YAG 连续激光器 , 配合点焊系统 , 和生产线上夹具相配合, 就能够达成自动化焊接 目, 通用、 奔驰等都采取了这一系统应用在最 新车型生产线上, 激光焊接系统几乎能够达成 完美加工要求, 在效率、 经济、 安全、 强度、 抗 腐蚀性上都有优异表现。
一辆汽车车身和底盘由300 种 以 上 零 件 组

成, 采取激光焊接几乎能够把全部不分厚度、 牌号、
种类、 等级材料焊接在一起, 制成多种形状零 件, 大大提升汽车设计灵活性。 拼接坯板就是在 充足分析车身结构基础上优化部件设计, 使之可 以由少数多个经典坯板焊接而成, 这么大大降低 了模具数量, 增加了材料利用率, 而且能够在强度 要求不一样部位采取不一样厚度坯板, 能够一次冲 压成型, 减轻了重量, 提升了精度, 还使得抗腐蚀 性和安全性能都有大幅度提升, 车身结构也大大简 化, 大大增加汽车生产商效益。

3． 激光焊接工作原理及其工艺和设备 技术

激光因为其独有高亮度、 高方向性、 高单色 性、 高相干性, 自诞生以来, 其在工业加工中应 用 十 分 广 泛 , 成为未来制造 系统共同加工手段 。 用激光焊接加工是利用高辐射强度激光束 , 激光 束经过光学系统聚焦后, 其激光焦点功率密度为
104~107W/cm2, 加工工件置于激光焦点周围进行加 热熔化, 熔化现象能否产生和产生强弱程度关键 取决于激光作用材料表面时间、 功率密度和峰值 功率。 控制上述各参数就可利用激光进行多种不一样 焊接加工。

激光焊接是将高强度激光束辐射至金属表面, 经过激光与金属相互作用, 金属吸收激光转化为 热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。 激光焊接 机理有两种: 一是热传导焊接。 当激光照射在材料 表 面 时 , 一部分激光被反射 , 一部分被材料吸收 , 将光能转化为热能而加热熔化, 材料表面层热以 热传导方法继续向材料深处传输, 最终将两焊件 熔接在一起; 二是激光深熔焊。 当功率密度比较大
激光束照射到材料表面时, 材料吸收光能转化为
热能, 材料被加热熔化至汽化, 产生大量金属蒸 汽, 在蒸汽退出表面时产生反作用力下, 使熔化 金属液体向四面排挤, 形成凹坑, 伴随激光继 续照射, 凹坑穿入更深, 当激光停止照射后, 凹坑 周围熔液回流, 冷却凝固后将两焊件焊接在—起。
这两种焊接机理依据实际材料性质和焊接需 要来选择, 经过调整激光各焊接工艺参数得到不 同焊接机理。 这两种方法最基础区分在于: 前 者熔池表面保持封闭, 以后者熔池则被激光束穿透 成孔。 传导焊对系统扰动较小, 因为激光束辐 射没有穿透被焊材料, 所以, 在传导焊过程中焊缝 不易被气体侵入; 而深熔焊时, 小孔不停关闭能 造成气孔。 传导焊和深熔焊方法也能够在同一焊接 过程中相互转换, 由传导方法向小孔方法转变取 决于施加于工件峰值激光能量密度和激光脉冲持 续时间。 激光脉冲能量密度时间依靠性能够使激 光焊接在激光与材料相互作用期间由一个焊接方法 向另一个方法转变, 即在相互作用过程中焊缝能够 先在传导方法下形成, 然后再转变为小孔方法。
激光技术采取偏光镜反射激光产生光束使其集 中在聚焦装置中产生巨大能量光束, 假如焦点靠 近工件, 工仵件就会在几毫秒内熔化和蒸发, 这一 效应可用于焊接工艺。 激光焊接设备关键是大功 率激光器, 关键有两大类, 一类是固体激光器, 又 称 Nd:YAG 激 光 器 。 Nd （ 钕 ） 是一个稀土族元素 , YAG代表钇铝柘榴石, 晶体结构与红宝石相同。 Nd: YAG 激光器波长为1.06μm, 关键优点是产生光束 能够经过光纤传送, 所以能够省去复杂光束传送 系统, 适适用于柔性制造系统或远程加工, 通常见于 焊接精度要求比较高工件。 汽车工业常见输出功 率为3kW~4kWNd:YAG激光器。 另一类是气体激光 器, 又称CO2激光器, 分子气体作工作介质, 产生平 均为10.6μm 红外激光, 能够连续工作并输出很高 功率, 标准激光功率在2kW~5kW之间。
早些年, 激光焊接技术即使是焊接很小电子器
件外壳, 也需要很大机器, 同时需要复杂外部 冷却系统, 所以需要占用很大工厂空间, 这无疑 会造成较高投资费用, 而且那时焊接设备习惯 使用Nd: YAG 固态激光器。 即使以后二极管激光器 成功应用逐步替换了这种固态激光器, 但这些二 极管激光器质保时间通常不足3000h, 仍然无法和 固态激光器竞争。 伴随新型二极激光器研制成

功, 它们几乎都是免维护, 而且预期寿命可高达
0h, 所以成功地替换了固态激光器成为厂商 首选。 现在激光焊接系统其结构简练紧凑 , 标准 系统可处理最大240mm×240mm 工件, 而且聚焦 直 径 小 于1.5mm。 此 外 , 还可选择多种过程监测手 段。
看到二极管激光技术巨大应用潜力和宽广应 用前景, 供给商们不停加大研发力度, 很多新技术 由此应运而生。 比如, 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确保激光 光束均一性。
伴随技术进步, 激光焊接能够很轻易地利用工 艺和设备优势来填补该技术与常规方法在设备成 本上差距。 所以, 成本原因已经不再是限制激光 焊接技术取得广泛应用关键原因。

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见应用。 依据激光束 与材料相互作用机理, 大致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热效应来完成加 工过程, 包含激光焊接、 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 控制光化学反应加工过程。 包含光化学沉积、 立 体光刻、 激光刻蚀等。 激光加工含有部分其它加工 方法所不含有特征。 因为它是无接触加工, 对工 件无直接冲击, 所以无机械变形; 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, 而且是局部
加 工 , 对非激光照射部位没 有 或 影 响 极 小 。 因 此 ,
其热影响区小工件热变形小后续加工最小 ; 因为 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所以它是一个极 为灵活加工方法; 生产效率高, 加工质量稳定可 靠, 经济效益和社会效益好。 激光加工作为优异制 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关键部门, 对提升产品质 量、 劳动生产率、 自动化、 无污染、 降低材料消耗 等起到愈来愈关键作用。
汽车制造批量化、 高效率和对产品质量一致 性要求, 使机器人生产方法在汽车焊接中取得了 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焊 接设备。 含有反复精度高、 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 柔性化最好选择。 焊接设备作为焊装生产线重 要组成部分, 是否采取焊接机器人是焊装生产线柔 性程度关键标志之一。
因为机器人控制速度和精度提升, 尤其是电 弧传感器开发并在机器人焊接中得到应用 , 使机 器人电弧焊焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度 上得到很好处理, 机器人焊接在汽车制造中应用 从原来比较单一汽车装配点焊很快发展为汽车零 部件和装配过程中电弧焊。 机器人电弧焊最大 特点是柔性, 即可经过编程随时改变焊接轨迹和 焊接次序, 所以最适适用于被焊工件品种改变大、 焊 缝短而多、 形状复杂产品。 这恰好又符合汽车制 造特点。 尤其是现代社会汽车款式更新速度非 常快, 采取机器人装备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 , 更能够用于包含电弧焊其它制造业, 如造船、 机 车车辆、 锅炉、 重型机械等等。 所以, 机器人电弧 焊应用范围日趋广泛, 在数量上大有超出机器人 点焊之势。
伴随汽车轻量化制造技术推广, 部分高强合 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。 这些材料焊接往往无法用 传统焊接方法来处理, 必需采取新焊接方法和 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。 所以, 机器人与高功率激光焊和搅拌摩 擦焊结合将成为肯定趋势。

5. 激光焊接技术应用前景

激光焊接技术对传统汽车焊接工艺带来了冲 击性影响, 各大汽车企业对此都抱有十分主动 态度, 采取新技术就意味着更强竞争力, 尤其是 竞争残酷汽车工业 。 激 光 焊接技术在焊接铝材 , 用焊接件替换铸件以及全车身构架结构焊接应用 前途最大, 激光器生产厂家应该抓住商机, 在激光 器可移动性、 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需要。 中国部分 激光产品生产厂家已经逐步意识到这一点, 生产 脉冲激光焊接机利用光纤耦合聚焦, 使用方便, 激 光头能够远离焊接区, 激光器性能稳定可靠, 寿命 长, 也能够使用传统光学传统系统, 激光器既可 以激光焊接, 也能够激光切割和打孔, 一机多用途, 尤其适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取方法 : 一 是改善现有技术, 这意味着针对发展激光焊接将会 有一个新激光源——纤维激光, 这是一个设有灵 活纤维谐振器激光, 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 另一个好处于于模件建造 , 很多功率大约为300W~
500W纤维谐振器, 假如发生技术漏洞, 更换一个
适宜模块非常轻易, 在这种情况下, 因为激光工 作时间比较长, 所以也不需要配置一个训练有素 技术员。 另一个是在部分以电阻螺柱焊接为主 地域介绍激光焊接方法——“交替龙门焊接”, 当
焊接时间超出50%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 决这个问题措施是一个要求有两个焊接交替配置 激光, 当一个配置焊接正在运行时, 另一个配置 四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 使世界焊接领域发生革命性改变焊接技术 , 如 摩擦焊接。 它优势是只需能够焊接两个零件必需 低能量输入即可, 而热量变形较低。 因为温度非 常低,所以, 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需要很好地固定住金 属 零 件 。 以前有几家企业采 用这项技术来焊接铝 。 但不管从哪个角度来说, 激光拼焊技术将会是未来 车身焊接技术发展方向。
激光焊接技术对传统汽车焊接工艺带来了冲 击 性 影 响 , 各 大 汽 车 企业对此都抱有十分主动 态 度 , 采取新技术就 意味着更强竞争力 , 特 别是竞争残酷汽车工业 。 激光焊接技术在焊接 铝 材 , 用焊接件替换铸 件以及全车身构架结构焊 接应用前途最大 , 激 光器生产厂家应该抓住商 机 , 在激光器可移动性 、 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 需 要 。 中国部分激光产 品生产厂家已经逐步意识 到 这 一 点 , 比 如 湖 北 光 通光电系统有限企业生产 脉 冲Nd:YAG 激 光 焊 接机利用光纤耦合聚焦 , 使 用 方 便 , 激光头能够远 离 焊 接 区 , 激 光 器 性 能 稳 定 可 靠 , 寿 命 长 , 也 可 以使用传统光学传统系 统 , 激光器既能够激光 焊 接 , 也能够激光切割和 打 孔 , 一 机 多 用 途 , 特 别适适用于激光加工车间和 自 动 化 生 产 线 。 激 光 焊 接技术在焊接铝材 , 用 焊 接件替换铸件以及全车 身构架结构焊接应用前 途 最 大 , 激光器生产厂 家应该抓住商机 , 在 激 光 器 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需要。
21 世纪汽车工业正在步入能根据用户要求进行 柔性模块式生产方法, 传统加工工艺不能满足新 生产方法需要, 这给激光焊接技术大规模应用 提供了一个机遇, 激光焊接技术及其她激光加工技 术在汽车领域中一定会有更大发展, 成为汽车工 业中关键加工方法。 □