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激光焊接实现汽车生产的综合效益
作者:武汉华工激光工程有限责任公司 冯庆
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激光焊接机展厅
激光淬火, 激光熔覆, ...
激光焊接是依靠偏光镜的反射作用,将激光光束反射后汇聚于聚焦装置,从而使得聚焦点上蕴含着巨大的能量,如果将焦点移近工件,工件会在极短的时间内熔化和蒸发。因此,激光焊接设备中必须有大功率的激光器,目前,主要使用的激光器有两类:

□ 固体激光器(Nd:YAG激光器)

该激光器波长1.06mm,主要优点是产生的光束可以通过光纤传送,因此可以省去复杂的光束传送系统,适用于柔性制造系统或实现远程加工,通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3~4kW的Nd:YAG激光器。

□ 气体激光器(CO2激光器)

该激光器采用分子气体作为工作介质,产生平均波长为10.6mm的红外激光,可以连续工作并输出很高的功率,标准激光功率在2~5kW。

激光焊接工艺可以实现极小的工件变形和很高的焊接深度/宽度比,并可以获得优质的表面焊接质量,因此与传统焊接方法相比,可以获得更好的工件加工质量以及经济效益。另外,利用现代化的监测和质量控制手段也是必不可少的,包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器,通过电子计算机处理,针对不同焊接对象和要求,实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目,通过反馈控制调节焊接工艺参数,从而实现自动化激光焊接。汽车工业中,激光焊接技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。

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LWY400P型激光焊接机

激光焊接的主要优势

1、灵活多样的配套方式

激光焊接由于采用计算机控制,所以具有较强的灵活性和机动性,如:可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件进行焊接;可以完成车顶和侧围、发动机架、散热器架等部件的装配焊接;配合光纤传输系统和机械手,可以实现自动化的汽车装配生产线。这种灵活性决定了激光焊接可应用于现代高柔性的生产过程中,可以满足用户的各种需求,并降低用户生产成本,使企业更具市场竞争力。

2、不需要对工件进行二次加工

激光焊接中,光束汇聚点的直径微小,蕴含能量巨大。同时,由于激光焊接具有效率高、深/宽比大、焊缝处的热应变值较低、热影响区小等特点,因此,可以保证工件材料的原有成形性能,不需要对工件进行二次加工。

3、实现更可靠的汽车安全性

采用激光焊接,可以针对零部件不同部位的具体强度要求,采用不同厚度的钢板,从而大大提高抗碰撞能力。同时,激光焊接可以实现更好的焊缝质量,从而显著改善了车身的抗冲击性和抗疲劳性。

4、简化工艺步骤,减少设备投入

采用激光拼焊板可以在充分分析车身结构的基础上优化部件设计,实现零部件的一体成形,相比于传统汽车制造方式中将多个零部件冲压后再用点焊连接起来的方式,激光焊接不仅可以提高车身的焊接质量,同时减少了大量冲压设备和模具,增加了材料利用率,简化了工序。如一辆汽车的车身和底盘由300种以上的零件组成,采用激光焊接可以把所有不分厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起,制成各种形状的零件,大大提高汽车设计的灵活性。

主要应用案例

目前,在汽车制造领域中,激光焊接技术主要用于在线车身焊接、非在线激光拼焊和零件焊接等。

1、在线车身焊接

在线车身激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接。采用激光焊接技术,可以减少工件之间接合面的宽度,不仅降低了板材使用量,同时也提高了车体的刚度,提高了产品的市场竞争能力。

2、非在线激光拼焊

激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格、不同厚度、强度和镀层的钢板焊接在一起,完成车身某一部位的制造,例如前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、轮罩、中立柱等。

3、齿轮及零部件激光焊接

采用激光焊接对齿轮等零部件进行加工,可以实现极微小的焊接变形,焊接速度快,而且不需要焊后热处理。常用于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链、传动轴、转向轴、皮带轮、排气管、离合器等的焊接。

尤其在一些对气密性要求较高的汽车零部件的制造中,激光焊接更具有不可替代的优势。以乘用车ABS电磁阀的密封焊接为例,由于电磁阀处于液压环境中,对整个焊接部位的密封性要求极高,即使是非常细小的裂纹都会对产品质量带来极大地影响,传统的氩弧焊无法从根本上解决细小裂纹的问题。“华工激光”根据合金材料的焊接特点开发出的新型合金材料激光焊接设备可以从根本上解决细小裂纹的产生,目前已经被广泛应用于乘用车ABS电磁阀(图1)、气缸垫(图2)、液压挺杆(图3)等汽车零部件的焊接领域。

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图1 ABS电磁阀激光焊接

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图2 气缸垫激光焊接

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图3 液压挺杆激光焊接

4、塑料零部件的激光焊接

激光焊接塑料的基本原理是:两种塑料在低压力下被夹紧在一起,激光穿过一个制品,然后被另外一个制品吸收,吸收激光能量的制品将光能转化为热能,在塑料的接触面熔化,形成一个焊接区。绝大多数本色的塑料和许多有色的半透明塑料都能实现激光焊接(图4),例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯烯(PP)等材料。

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图4 塑料零部件激光焊接

与传统的塑料焊接技术相比,激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点:

□ 焊缝精密、牢固和密封性(不透气和不漏水)能好;
□ 易于控制,具有良好的适应性;
□ 极大地减小了制品的振动应力和热应力;
□ 能够将许多种类不同的材料焊接在一起。

目前市场上的塑料激光焊接机主要采用波长为1064nm的半导体激光器作为光源,以“华工激光”的产品为例,根据客户的工件形态,分别有:

(1)基于振镜运动方式的LWD50F塑料激光焊接机,主要用于平面焊接。
(2)基于电动工作台三维运动的LWD50T塑料激光焊接机,主要用于三维曲线的焊接。

结语

随着激光技术的不断发展,激光功率的不断提高,必将有越来越多的激光工艺应用到汽车及零部件的制造中来,对于汽车及零部件制造企业来说,越早引入激光加工工艺,就能越早体会到新的加工技术带来的工艺突破。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (5/5/2008)
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