淺析激光釬焊技術在白車身焊接中的應用

□ 孫莉莉

上海市機電設計研究院有限公司 上海 200040

激光焊接技術與傳統的焊接技術相比，具有能量密度高、變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動生產等優點，近年來已成為金屬材料加工與制造的重要手段，并越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業、造船、核電設備等領域。與汽車車身焊接相關的激光焊接技術可分為兩大類：激光釬焊和激光熔焊，前者主要應用于車頂、落水槽和后蓋上下外板的焊接，后者主要應用于側圍、底板和四門窗框等區域。筆者結合實際生產情況，介紹激光釬焊技術在汽車車身焊接中的應用。

1 激光釬焊原理

激光釬焊是采用激光束作為加熱熱源的一種釬焊方法，激光束除了熔化釬料外還要加熱母材，釬料的熔點比母材熔點低，在焊接時，先將釬料加熱到高于釬料的熔點但低于母材熔點的溫度，利用液態釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴散，最終把部件連接起來。激光釬焊時，聚焦光斑直徑、焊接速度、釬絲位置都非常重要，只有正確選擇各參數，才能保證焊接過程的正常進行，激光釬焊工藝示意圖如圖1所示。

影響激光釬焊質量的因素如下。

（1）激光設備參數：激光類型和功率、聚焦位置、焦點大小、光斑直徑。

（2）機器人參數：釬焊速度。

（3）焊絲參數：焊絲進給速度、焊絲預熱電流、沖角大小、焊絲預應力。

▲圖1 激光釬焊工藝示意圖

（4）幾何參數：焊接板材間隙、焊縫截面、表面質量。

（5）其它參數和影響：機器人姿態、機器人引導精度、焊接板材材料及污染程度、保護氣等。

2 激光釬焊特點

激光釬焊的主要特點是利用激光的高能量密度實現局部或微小區域的快速加熱來完成釬焊，可實現薄板的快速連接，是一種具有高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝。

2.1 主要優勢

（1）焊接強度高，裝配精度好，可進行連續的線狀焊接，提高車身剛度和強度，提高安全性。實驗證明，激光釬焊強度為點焊1.5倍左右。

（2）焊接速度快，生產效率高，適合自動化焊接，激光釬焊與點焊的生產工時比為1∶2至1∶3。

（3）表面成形好，光潔度高，改善車身結構的抗沖擊性和耐疲勞性能。

（4）減輕車身質量。采用激光釬焊技術可減少鋼材使用，從而減少車身質量，節省能源，降低廢氣排放。

（5）焊縫窄，加熱集中，熱影響區小，焊接工件變形小。

2.2 不足之處

（1）一次性投資大，激光釬焊系統設備組成復雜，成本高，投資效益不高，只適合大批量生產車間。

（2）激光危險，需要專業維護，防護安全要求高。（3）激光釬焊系統調試復雜，涉及到焊接、光學、自動化系統工程。

3 激光釬焊系統設備組成

完善的一套激光應用工藝系統由激光房、定位車身零件的工裝夾具系統、機器人、送絲機、激光源、激光鏡組、光纖、激光冷卻系統、自動化控制柜以及抽風設備組成，如圖2所示。

▲圖2 激光焊接工藝系統示意圖

（1）激光房。它是將工位封閉并將激光的外泄指標控制在安全標準的范圍內，起到了保護罩的作用。通常在激光房內安裝攝像頭，便于激光房外監視；在激光房的防護門一側和操作工位旁安裝激光報警指示燈，在激光輸出時，起到了保護操作人員安全防護作用。

（2）激光源、激光鏡組及激光冷卻系統。為了產生激光，激光介質必須通過能量來激發，如電能、光能。用于車身激光焊接的激光源目前主要有YAG固體激光源、二極管激光源和光纖激光源三種。冷卻系統用于冷卻激光鏡組和在鏡組上的激光光纜連接頭。

（3）激光光纖。它對激光起傳輸作用，是激光源和激光加工鏡組的聯結樞紐。通常以SiO2為基質材料組成的玻璃實體纖維。

（4）備用光纖。激光光纖必須為兩套，一套為系統正常運行時用；另外一套為備用光纖，當正常運行時的光纖損壞后，能在20 min之內將新光纖連接入系統中。

（5）機器人及送絲機。機器人是實現自動激光焊接的關鍵設備。通過編寫不同的機器人程序，可以實現不同車型的共線生產和柔性化生產。更改機器人程序中的激光工藝參數，可以調整激光焊接質量。送絲機是激光釬焊系統特有的工藝設備，國內汽車公司一般選擇型號為VR1500送絲機+TPS4000電源熱送絲系統，可以將送絲機構安裝在機器人手臂上，距離焊槍近，送絲穩定性更好。

（6）自動化控制柜。激光釬焊工位自動化生產的核心設備，保證各設備的安全生產。在控制方案上，激光工位一般由一臺單獨的PLC來控制。

（7）零件工裝夾具系統。在零件本身的尺寸滿足要求下，用于保證焊接時兩套零件之間的間隙在要求范圍內，精確定位，使零件尺寸匹配，滿足制造要求，提高焊縫質量。

（8）抽風設備。排出激光釬焊加工作業過程中產生的煙霧。

4 激光釬焊在車身車間的應用

激光釬焊是汽車廠主要的車身焊接技術之一，是現代汽車流水線上一道不可缺少的工序，美國最早將高功率激光器引入汽車制造。在我國，上海大眾汽車有限公司率先在Passat-B5車身項目中引進了激光焊接技術，繼而在緊湊型轎車及其后的車型中都得到廣泛應用。激光焊接技術能夠實現全自動柔性化生產，節省車身材料，可提高汽車防腐蝕和安全碰撞等性能，從而使現代汽車能夠向個性化、輕量化、高產能和高性能方向發展。本文以某白車身后蓋生產為例 （產能45JPH（件/h），生產節拍80 s），介紹激光釬焊的應用。

4.1 后蓋生產線的設備及加工工藝

（1）后蓋部件與設備組成。后蓋由內板總成和外板總成兩部分組成，其中，內板總成由內板、鎖加強板保護件、鉸鏈加強板組成；外板總成由外板上部和外板下部組成。完成后蓋總成所需主要設備：懸掛式點焊機、涂膠設備、機器人抓手、機器人滾邊設備、凝膠設備、拉鉚槍、輸送帶、激光釬焊系統。

（2）后蓋加工工藝流程。內板總成工藝：夾具固定部件—手工涂膠—手工點焊—拉鉚—檢查；外板總成工藝：夾具固定部件—自動激光釬焊—檢查；后蓋總成工藝：夾具固定內、外板總成—自動點焊—機器人涂膠—機器人滾邊—凝膠—總成下件—檢查。

4.2 后蓋激光釬焊的工藝要點分析

后蓋激光釬焊的實現依賴于激光釬焊系統，通過調節激光功率大小、焊接速度快慢、激光鏡組光斑大小、激光鏡組在XYZ 3個坐標的角度位置、焊絲送絲速度快慢、送絲角度大小等，保證后蓋上下部件激光釬焊的實現，并獲得高質量的焊縫。后蓋激光釬焊工藝參數選取見表1，后蓋外板總成焊接效果如圖3所示。

在后蓋激光釬焊過程中，為保證設備的正常運行，提高焊接質量，激光釬焊系統對某些公用參數有著特殊要求。例如，在焊接過程中激光發生器會產生較大熱量，需要去離子水來冷卻激光鏡組和激光光纜連接頭，否則設備過熱將導致焊接過程終止，同時為保證設備的正常運行，冷卻水溫度必須高于環境溫度和相對濕度下的露點溫度，一般設置在20～35℃之間。由于激光頭對灰塵和濕度非常敏感，為了避免因空氣濕度過大而造成結露，影響生產和焊縫質量，必須連接干燥、潔凈、無油的壓縮空氣。另外，激光釬焊鍍鋅鋼板過程中，會產生大量的煙塵、鋅蒸汽，因此必須為激光房配置除塵系統，通常選擇局部排風或整體排風兩種形式，本案使用整體排風系統設計，將抽風口接入車間整體除塵系統。

表1 后蓋激光釬焊工藝參數

▲圖3 后蓋外板總成

5 結束語

隨著激光技術和材料工藝等技術的發展，激光設備將越來越輕型化，使用將更加便利，能源耗量也大大降低，成本也將隨之越來越低。激光焊接對比傳統的焊接方法有著十分明顯的優勢，而生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適于大規模生產線和柔性制造，激光焊接在白車身焊接上的應用，前景廣闊。

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