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用于车身焊接的二极管激光技术
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交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ...
有时候,降低成本的同时也可以提高外观,生产出高品质的汽车。应用实例:将激光钎焊用于车顶与汽车侧面板连接的焊接中。与激光焊接和点焊相比,激光钎焊可以大大提高焊缝的外观效果,甚至于车顶饰条都可以省去。消费者也因此获得了更多的好处——车辆更加轻、车内更安静、整个车身更坚固且更安全,也避免了很容易出现突出来的塑料部件的烦恼,省去了昂贵且不必要的维修费用。因为没有车顶饰条,焊接表面非常地连续平滑,车顶的线条也变得更加干净清爽,容易积累灰尘和赃物的缝隙也没了。

在过去十年里,激光技术被大量地用于白车身的生产中。沃尔沃和宝马都是采用激光焊接技术较早的汽车制造商,大众公司起步稍晚但是迅速走到了前面,在其位于德国沃尔夫斯堡及全球各地的工厂内安装了大量的灯泵浦脉冲Nd:YAG激光设备。最早的激光焊接接头都是隐藏起来的或被遮住的,主要是为了降低焊接翼缘的尺寸和车身的重量,通过液压成型支柱的使用来提高结构的刚性。今天这些结构性焊接方式依然在使用中。不过,只有在镀锌钢板的激光钎焊以及将铝材料与A级表面面板的填充钢丝焊接时,激光焊接的优势才可以得到最佳的体现。对这些表面来说,最重要的是热变形要尽可能地小,焊缝的刚性要足够强,这样在几乎不需要任何后处理的情况就可以进行涂装工作,所有这些让激光焊接成为白车身连接中一种独一无二的工艺。镀锌钢板的A级表面激光钎焊最早于1997年应用在奥迪TT车型上。将C柱焊接到后侧围板上可以将同样的部件用于敞篷车及双门轿跑车以及大众宝来行李箱盖上——该行李箱盖是两个部件冲压后连接在一起的。

设备的考虑

无故障时间是汽车生产工厂内任何设备首要考虑的因素。一般对设备无故障运行时间的要求是至少要达到99.5%,最多不超过30分钟要让设备再重新运转起来。虽然远远比不上电信通讯设备的可靠性,但是对工业激光系统来说这样的要求也是非常具有挑战性的了,而且通常是项目开展初期最大的问题。通常这个问题需要采取两手准备的方式——采用可靠的激光设备,同时辅以可行的备用方案。

许多工厂都采用所谓的“激光农场”的方式,一条产线上所有的激光器都设置在生产区域的中央位置,工作环境得到有效的控制——这个位置通常在夹层楼面上。厂区内所有用到激光器的位置分布在工厂的各个角落,需要很长的光纤进行传输,还需要高级控制方式,通过工厂网络提供光束传输解决方案。在灯泵浦脉冲Nd:YAG激光器是唯一一种工业激光解决方案的时期,这是最佳的生产布局方式。这些系统非常庞大且效率低下,需要经常进行定期或不定期维修。

工业领域应用中最新的激光技术,如光纤耦合二极管激光器、光纤激光器或者是蝶式激光器等都是以二极管技术为基础的激光器,固有的可靠性更高。在一些新的激光应用项目中,二极管激光器通常安装在激光加工单元附近。备用方案通常依赖额外的光纤和光束开关,可以与最高8条光纤进行分时,虽然降低了生产周期,但是可以服务于多个生产单元,或在整个系统出现故障的情况下服务于车身的两个面的生产需求。因为采用了滚动脚轮,在其他激光器被维修的情况下还可以很快地将备用激光器快速地移动激光加工单元,免除了一定要在生产区域维修的不便和麻烦。

将多功率激光器安装在脚轮上意味着汽车行业另外一个需求也得到了解决。现在的激光器设计得比普通家用电冰箱还小,这主要得益于墙面插座效率的提高。蝶式和光纤激光器的插座效率可以分别达到25%和30%,而用于钎焊的光纤耦合二极管激光器的插座效率可以达到40%以上。这样激光器本身自带的辅助部件如电源和冷却系统的尺寸就可以得到大幅的减少,整个激光器的尺寸也就得到了减少。此外,与灯泵浦系统相比,外部冷却要求也得到了大幅的降低,冷水机可以放在激光发生器的内部或旁边。

钎焊速度的提高

二极管激光器首次应用于工业领域是作为一种钎焊工具,用于奥迪A3轿车后挡板的焊接上。最初采用的加工速度为2.4 m/min。为了提高产量,大众设立了这样一个目标——在不牺牲焊接质量的情况下提高钎焊的速度。在大众位于沃尔夫斯堡的途安生产线上,研究人员对Nd:YAG激光器和光纤耦合而激光激光器进行了对比。已有的YAG激光器采用散焦光束,而新添加的二极管激光器采用聚焦光束的方式,焦点直径设置为3.2mm。

在使用了二极管激光器后,钎焊的速度和接头质量都得到了提升。若采用top-hat光束聚焦方式,功率密度可以更加均匀地分布到焊接部件的边界区域。在使用6kW二极管激光器情况下,边缘切口可以减少75%,最高焊接速度可以增加到4.4 m/min。大众最后决定将所有的YAG激光器替换成二极管激光器,用于途安轿车的钎焊加工中。

铝合金件焊接

新的排放及企业平均油耗标准给汽车制造商带来了前所未有的压力,提高发动机效率是他们迎接这种挑战的一种方式,与此同时,降低车身重量也是立竿见影的有效方式。用铝合金替代钢而用于车身结构件上可以实现50%的减重效果,比如采用大量铝合金的奥迪A8轿车比1994年最早推出来的首款车型轻了239kg。

铝合金件的连接在最初的确是一个不小的挑战,但是随着铆接及MIG焊接工艺的应用,这个问题已经基本得到了解决。现在,激光技术的新发展更进一步解决了铝合金的连接问题。

采用填丝的方式来焊接铝合金白车身结构件很自然地成为许多汽车制造商在面对铝合金连接带来的挑战时选择的一种解决方案,采用的加工方式也几乎相同。接头类型基本一样,同时采用相同的加工头。

二极管激光器对铝合金焊接来说具有独特的优势:二极管的波长范围为900-1060nm,与蝶式激光器的1030nm波长和光纤激光器的1070-1080nm波长更加接近铝合金峰值吸收波段。一些汽车制造商在这方面做了大量的开发和测试工作,最后都将二极管激光器用于结构焊接及外表皮连接。

通常来说,焊接车身中常用的6000系列铝合金件需要AlSi填充材料,避免焊接接头出现热裂现象。激光焊接设备基本与钎焊工艺中采用的加工设备一样,这些都经过了多年的行业应用,已经非常成熟。在钎焊中,填丝采用接触式焊缝跟踪镜头添加进去。

在经过多年的研发和探索后,奥迪决定采用4Kw/400μm光纤的二极管激光器来焊接旗下几款车型的铝合金后挡板,现在依然在工厂内采用该系统。

库卡北美公司也成功应用了4Kw/400μm和6kW/1000μm激光器,根据接头要求的不同有针对性地选择使用。一般的焊接速度为3-4m/min。1000μm光纤对搭焊来说特别有效果,这种连接方式对焊接强度要求非常高,而且在焊缝背面看不出,甚至完全没有焊接迹象。

其他焊接应用

混合动力车和电动汽车需要采用大容量的电池。锂离子电池外壳大多数都是铝合金制成的,需要气密性。焊接过程不能破坏壳子内任何部件。

热导焊是该应用的解决方案,加工过程非常稳定,工艺窗口较宽。举例说明:某个电池壳采用3000系列铝合金制成,厚度为1mm,焊接深度被严格控制在0.3-0.6mm之间,没有采取任何预清洗工作。

在该例子中,焦点直径设置为0.6mm,200mm聚焦镜头,焊接速度为4.5m/min,功率控制在1800-2800w之间,焊接过程非常稳定,最后焊接深度在0.35-0.55mm之间,虽然输出功率范围较大,但是依然控制在工艺窗口范围内。

结论

为了满足汽车制造商对车辆可靠性的需求,一种新的近红外激光器为汽车车身设计提供了新的思维方式。二极管激光钎焊部件满足可视焊缝在不需要进一步后处理情况下光学质量的最高规格标准。优秀的加工稳定性、较高的焊接速度、可靠性和成本优势等特性让光纤耦合二极管激光器在许多新的汽车车身连接方面获得了越来越广泛的应用。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/11/2013)
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