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激光焊接造就更完美的车身 |
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作者：上海通用汽车有限公司 孙志成 |
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激光加工是利用高辐射强度的激光束，经过光学系统聚焦（功率密度可达104～1011W/cm2），对工件加工部位施加高温进行热加工的技术。与传统的焊接方法相比，激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性化制造。其中，激光焊接在工程车辆制造领域中的成功应用可大大提高生产效率和产品质量，已经凸显出激光焊接的巨大优势。
激光焊接的优点首先是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5:1，最高时可达10:1，焊接质量比传统焊接方法好；其次是焊缝强度高，焊接速度快，焊缝窄，且通常表面状态好，免去了焊后清理等工作，外观比传统焊接要美观；另外，激光焊接可焊接难以接近的部位，施行非接触远程焊接，具有很大的灵活性，尤其是近几年来，在光纤激光加工技术中，由于光纤传输技术的优势，激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
鉴于这些特点，在汽车工业，激光焊接通常被应用于车身焊接的关键工位以及对工艺有特殊要求的部位，如：用于车顶与侧围外板焊接能解决焊接强度、效率、外观及密封性的问题；用于后盖焊接可解决直角搭接问题；应用在车门总成的激光拼焊可有效提高焊接质量和效率。
激光焊接在白车身制造中的应用主要由普通激光焊接、激光钎焊、激光远程焊接等，现就这些焊接工艺分别进行简单介绍。
激光焊接
普通激光焊接工艺主要被用于车顶焊接，可以降噪和适应新的车身结构设计。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数被用于车顶焊接。目前，德国大众已在Audi A6、Audi A4、Golf和Passat等车顶采用了此项技术，宝马的5系、欧宝的Vectra车型以及瑞典沃尔沃的一些车型生产中，对激光焊接更是趋之若鹜。 
图1 车顶激光焊接装置及车身外观
在我国，上海大众已经在众多车型上采用了激光技术来焊接车顶和侧围外板，如帕萨特、途安等；上海通用的新君威、君越平台上也应用了激光焊接工艺。图1是上海通用新君威的车顶与侧围焊接装置，采用了4kW泵浦激光器，同时，焊缝识别、跟踪系统以及焊缝质量实时监测系统等都集成于激光焊接头上。焊接新君威车顶只需十几秒，与传统点焊相比，焊接质量和效率都大大提高，焊接完毕后，无需增加车顶饰条，提高了整车的美观度。
图2 车顶侧围激光焊接头设计
与传统电阻点焊接头相比，采用激光焊接方式可大幅降低接头凹槽宽度（由20mm降低到10mm左右），从而可以减少车重。在设计连接方式时，可采用重叠方式（overlap joint）和搭接方式（fillet joint）两种。从图2可以看出，二者所焊接的位置有所差别。重叠方式对激光焦点的定位要求较低，只需聚焦在板材重叠范围内即可，不需要专门的焊缝跟踪系统，但缺点是当焊接镀锌板时，被激光气化的锌蒸汽无法溢出，会导致焊缝可能出现气孔等缺陷。搭接方式对激光焦点的定位要求较高，需聚焦在搭接缝上，故需要专门的焊缝跟踪系统，增加了设备成本，但它可以避免焊接镀锌板时的焊缝气孔等缺陷问题，锌蒸汽可从搭接头边缘缝隙中排出。图3为两种不同方式下焊接镀锌板的质量对比（4.4kW，0.8mm热镀锌板）。 
图3 不同搭接方式镀锌板激光焊接质量对比
使用激光焊接的优点很明显，焊接速度快（以5～6m/min的焊接速度，焊接1.5m车顶只需十几秒）、焊缝质量好、连接强度高（激光焊缝强度是常规电阻点焊的1.5倍）且具有较高的密封性；缺点是设备投资成本较高，如两台4kW ND:YAG泵浦激光器加上附属焊接系统的成本约为250万美元，远远高于电阻点焊设备的投资。
激光钎焊
激光钎焊与传统的MIG钎焊类似，其区别在于它采用激光源来熔化焊丝，填充焊缝，以形成焊接接头。图4所示为激光钎焊的工艺及应用效果。
汽车生产厂家通常采用的激光钎焊钎料是CuSi3，熔点950℃左右，远低于钢的熔点（约1500℃），故激光钎焊所需的激光器功率较低（约为普通激光焊接的一半），能够大大节省昂贵激光器的投资成本。CuSi3浸润后强度可达350MPa左右，高于普通低碳钢，故激光钎焊能够达到很高的强度。
图4 激光钎焊工艺及应用
激光钎焊过程中，钎料被填入到接头缝隙中，无需在焊后涂胶及添加饰条，能够节省大量工艺成本。目前激光钎焊已在车顶与侧围外板、后盖焊接上得到广泛应用。激光钎焊在焊接车顶与侧围外板时的缺点是，它对夹具定位的要求较高，每种车型均需要专门的夹具来对车顶侧围进行夹持（见图5），以保证焊缝的精度，获得稳定的焊接质量，因此，激光钎焊夹具的柔性较差。
图5 激光钎焊的夹具
远程激光焊接
远程激光焊接（见图6）已经正在成为可替代传统汽车白车身电阻点焊的一种新手段。根据行业调查，业界已安装的远程激光焊接设备超过60套，主要集中在欧洲和北美地区。
图6 远程激光焊接系统
远程激光焊接为非接触式焊接，采用专门的镜头将激光聚焦在1～2m远的焊接工件上，镜头由机器人驱动，通过机器人移动和激光聚焦点的变化，灵活地实现各个部位的焊接。激光远程焊接技术发挥了单侧、非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合，大大缩短了焊接时间，在整个焊接工艺流程中提高了总生产效率。
对于传统激光/机器人焊接，20mm的缝焊需0.2～0.4s完成，重复定位时间约3s，而对于远程激光焊接来说，焊接时间相同，重复定位时间仅为0.2s。由此可见，远程激光焊接的关键优势在于定位时间大大缩短，这是由于它装备了高速的光束扫描装置。
Comau Pico公司很早就曾为推动远程激光焊接技术的发展而努力，他们曾和Rofin Sinar等公司合作，采用一台基于 CO2激光器的远程焊接设备，利用扫描镜片以高速反射光束，焊接车身件的多个焊接位置。
在Fiat Marea车型的一个典型部件上，远程CO2激光焊接也被用来替代电阻点焊，以消除在车后部尾门上采用胶粘剂带来的成本。在这一应用中，总的激光缝焊时间是5s。在对该车型门框的焊接上，43条激光焊缝仅需30s就能完成，替代了传统的电阻点焊。在这项应用中，重复定位时间的降幅高达94%。
Renault公司采用一套Agilaser焊接C85的前门部件，替代了原先使用的需要12台机器人电阻焊的系统。原系统需要占地1050m2 ，而采用5机器人工作站的 Agilaser仅占地808m2。
两台 Agilasers以66s的周期生产部件，焊接93条右侧及左侧激光焊缝，而以前则需要电阻点焊130个右侧和左侧焊点。在 Renault公司，一台Agilaser在C65车型的前门焊接38条激光焊缝，仅用两套夹具。
激光远程焊接的优点在于更经济、占用空间更少，相比要使用6～8套夹具的电阻点焊来说，远程焊接的仅需一套夹具。另一方面，远程激光焊接的缺点在于其对工件匹配要求很高，这使得设计和制作夹具非常复杂。
小结
目前普通激光焊接和激光钎焊技术已比较成熟，被普遍用在车顶及后盖的焊接中；远程激光焊接仍然在不断发展中，是一种高效率、灵活的焊接方式。
在白车身制造中，采用激光焊接技术可以提高产品设计的灵活性，提高生产效率，增强车身的刚度，提高产品质量和市场竞争力。随着激光技术的不断成熟和成本的逐步下降，各种激光焊接工艺必将在轿车白车身制造中得到越来越广泛的应用。
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(10/9/2009) |
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