汽車行業(yè)加速升級(jí)，智造生產(chǎn)搶先一步
——激光焊接智能化系統(tǒng)解決方案

文/大族激光智能裝備集團(tuán)

在汽車制造中，采用高功率激光焊接技術(shù)可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)車身的剛度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。作為我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)裝備及自動(dòng)化裝備的主要供應(yīng)商，一直以來，大族激光智能裝備集團(tuán)金屬激光切割、焊接、焊裝、3D 打印、清洗等方面的技術(shù)水平在激光行業(yè)中遙遙領(lǐng)先，為汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、電力、廚衛(wèi)家具、家電、模具等行業(yè)提供助力。高功率激光焊接技術(shù)應(yīng)用于汽車制造中的工藝主要有：高功率激光自熔焊接、高功率激光復(fù)合焊接技術(shù)、激光焊接焊縫跟蹤技術(shù)、高功率激光遠(yuǎn)程焊接技術(shù)等。

高功率激光焊接工藝

高功率激光自熔焊接

當(dāng)激光光斑照射到工件表面上的功率密度達(dá)到106W/cm2以上時(shí)，工件在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化。在液態(tài)金屬中形成一個(gè)充滿金屬蒸汽的細(xì)長(zhǎng)孔，當(dāng)金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)加深，形成一個(gè)深度穩(wěn)定的小孔，小孔周圍就是焊接熔池，小孔隨著激光而移動(dòng)，小孔閉合后便形成焊縫，實(shí)現(xiàn)激光自熔焊接。

激光自熔焊接，即焊接的兩部分或多個(gè)部分自身熔化并最終冷卻凝聚成一體，該焊接方式不需要添加輔助的焊劑或填料，完全利用工件自身材料熔接在一起。高功率激光自熔焊接廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)，如汽車零部件行業(yè)中的安全氣囊氣體發(fā)生器、齒輪、汽車座椅零部件、減振器等多種產(chǎn)品。

高功率激光自熔焊接焊縫成形好，變形小，特別對(duì)于中薄板非常適合。而且焊接設(shè)備配置簡(jiǎn)單，工藝相對(duì)比較容易掌握，被大量應(yīng)用。

高功率激光復(fù)合焊接技術(shù)

激光復(fù)合焊接技術(shù)結(jié)合了激光焊和傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊(電弧)兩者的優(yōu)點(diǎn)。這種焊接方法的特點(diǎn)是：⑴激光焊能在較小的熱輸入量和小的焊接熱影響區(qū)獲得較大的熔深；⑵所附加的氣保焊可以大大擴(kuò)展接頭根部間隙的大小，改善表面狀態(tài)和雜質(zhì)的允許量；⑶提高焊縫根部間隙填充和成形質(zhì)量以及加強(qiáng)對(duì)焊接冶金的控制。

與純電弧焊接相比，激光復(fù)合焊接技術(shù)兼具激光焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，適用于鋁合金、鈦合金、鎂合金及高合金鋼等材料的焊接。如用純激光焊接鋁合金時(shí)，易產(chǎn)生高反及焊縫凹陷等問題，采用激光電弧復(fù)合的方法焊接，高反問題可以得到很好的解決。

激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車、機(jī)車、管道等制造工業(yè)領(lǐng)域已獲得了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)對(duì)激光復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究時(shí)，大族激光智能裝備集團(tuán)已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)備投向市場(chǎng)，案例眾多并獲得市場(chǎng)認(rèn)可、好評(píng)。

激光焊接焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤是實(shí)現(xiàn)激光焊接自動(dòng)化的一個(gè)重要組成部分。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的原理是一個(gè)光學(xué)焊縫跟蹤系統(tǒng)，主要由一個(gè)激光條紋傳感器、一個(gè)分析單元和一到兩個(gè)線性驅(qū)動(dòng)組成。激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：⑴非接觸式，克服了機(jī)械探針式系統(tǒng)所固有的缺陷，如不能處理對(duì)接工件以及小間隙和點(diǎn)固焊縫等；⑵應(yīng)用焊縫跟蹤可以保證焊接精度，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低返修率和廢品率；⑶同時(shí)降低對(duì)焊接結(jié)構(gòu)裝配件的裝配和定位精度要求，從而節(jié)約工裝夾具成本。

激光焊接焊縫跟蹤系統(tǒng)既可以與機(jī)器人集成，也可以與數(shù)控機(jī)床集成。常見跟蹤的焊縫接頭形式有：對(duì)接、角接、搭接、T 形接頭、V/Y 形坡口接頭等等，廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件(如車頂激光焊接)、鋼材(如激光拼焊板)、航空航天、造船管道等領(lǐng)域，提高了激光焊接質(zhì)量和自動(dòng)化程度。

高功率激光遠(yuǎn)程焊接技術(shù)

遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)已成為替代傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的重要焊接方法。與傳統(tǒng)激光焊接相比，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì):⑴定位精度高、定位時(shí)間短、焊接速度快、效率高；⑵工作距離長(zhǎng)，不會(huì)與焊裝夾具干涉、光學(xué)鏡片污染少；⑶編程靈活，量身定制焊縫形狀、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)度等。

與電阻點(diǎn)焊相比，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)充分發(fā)揮了單側(cè)、非接觸式激光焊接的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并將其與高速掃描振鏡的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提高了總生產(chǎn)效率，可應(yīng)用于日益增多的汽車覆蓋件及零部件的焊接。

應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車白車身焊裝及其零部件的激光連接，如汽車座椅、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、B 柱、開關(guān)柜、保險(xiǎn)杠、儀表盤、氣閥等等。大族激光智能裝備集團(tuán)“激光技術(shù)與自動(dòng)化應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室”配備了先進(jìn)的高功率遠(yuǎn)程激光焊接系統(tǒng)，掌握了常見車用材料如鍍鋅鋼板、低碳鋼、高強(qiáng)鋼等高功率遠(yuǎn)程激光焊接工藝技術(shù)，以及基于遠(yuǎn)程焊接工藝特征的夾具設(shè)計(jì)技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車覆蓋件及結(jié)構(gòu)件激光焊接系統(tǒng)

汽車車身覆蓋件及結(jié)構(gòu)件激光焊接工作站(圖1、圖2)，是集激光焊接、弧焊、涂膠、機(jī)器人視覺、離線編程、焊縫跟蹤、數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)化、追溯系統(tǒng)等學(xué)科于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有高精度、高效率、高自動(dòng)化等特點(diǎn)，具備智能化制造接口，可與工廠MES 系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和質(zhì)量追溯，輕松實(shí)現(xiàn)智能制造。

圖1 汽車覆蓋件激光焊接工作站

圖2 汽車結(jié)構(gòu)件激光焊接生產(chǎn)線

激光焊接主要應(yīng)用在汽車天窗、A/B 柱、水箱支架、車門、汽車尾箱蓋、門檻、底盤車架、前縱梁、側(cè)圍、儀表盤支架、前縱梁等方面。其中，鋁合金車門激光焊接工作站(圖3)采用5 系鋁合金作為加工材料，可實(shí)現(xiàn)3mm+3mm 疊焊，并且在激光焊接過程中使用了激光擺動(dòng)焊，焊后鋁合金車門變形小，焊縫成形美觀、無缺陷。

圖3 鋁合金車門激光焊接工作站

汽車座椅激光焊接系統(tǒng)

汽車座椅激光焊接工作站(圖4)主要應(yīng)用于汽車座椅前中后靠背、滑軌、高調(diào)器及調(diào)角器激光焊接，激光焊接相對(duì)于傳統(tǒng)弧焊工藝具有焊接效率高、變形小、精度高、輕量化等優(yōu)勢(shì)。設(shè)備配置激光焊接、產(chǎn)品識(shí)別防錯(cuò)、條碼打印、追溯系統(tǒng)、TRS 管理軟件、在線質(zhì)量檢測(cè)(LWM)、遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)等功能，已經(jīng)與佛吉亞、李爾、西德科等國(guó)際汽車座椅廠商都有良好合作。

圖4 汽車座椅激光焊接工作站

電動(dòng)汽車核心部件激光焊接系統(tǒng)

新能源汽車核心零部件激光焊接系統(tǒng)主要用于新能源電機(jī)及電池托盤激光焊接(圖5、圖6)，焊接系統(tǒng)配備激光擺動(dòng)焊接頭、焊縫跟蹤系統(tǒng)、在線檢測(cè)系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)等，解決銅、鋁合金等材料焊接工藝。目前主要應(yīng)用在發(fā)卡電機(jī)銅端子、電機(jī)定子、感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條，以及5 系/6 系鋁合金、碳鋼、高強(qiáng)鋼電池托盤等汽車核心部件。

圖5 電機(jī)定子激光焊接機(jī)

圖6 電池托盤激光焊接機(jī)

全自動(dòng)激光拼焊系統(tǒng)

全新智能化全自動(dòng)激光拼焊板生產(chǎn)線(圖7)，是集激光焊接、自動(dòng)上下料、焊縫跟蹤、焊縫質(zhì)量檢測(cè)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)化管理系統(tǒng)等于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。激光拼焊系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求提供手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)拼焊系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)多張不同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)鋼板拼焊接成能進(jìn)行沖壓的板材，已成功應(yīng)用于車身立柱、門內(nèi)板、側(cè)圍、前縱梁、天窗等汽車零部件的焊接。

汽車傳動(dòng)部件激光焊接系統(tǒng)

圖7 全自動(dòng)激光拼焊板生產(chǎn)線

圖8 飛輪焊接生產(chǎn)線

汽車傳動(dòng)部件激光焊接工作站(圖8)，可根據(jù)焊接產(chǎn)品進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多工位快速焊接及不同工件的加工切換。汽車零部件焊接采用高功率激光焊代替其他焊接方法，零件焊接部位變形很小，連接精度高，焊接速度快，連接強(qiáng)度高，而且不需要焊后熱處理。主要應(yīng)用在汽車零部件組焊，與多家汽車主機(jī)廠以及汽車零部件廠商都有良好合作，包括一汽、上汽、寶馬、霍利韋爾、博格華納等。

目前大族激光智能裝備集團(tuán)汽車傳動(dòng)部件激光焊接系統(tǒng)已成功應(yīng)用于齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)減振器、渦輪增壓器、防撞梁、安全氣囊、撥叉發(fā)動(dòng)機(jī)油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等汽車部件的制造中，擁有著豐富的應(yīng)用案例及專業(yè)技術(shù)，極大地為汽車產(chǎn)業(yè)輕量化生產(chǎn)助力，具備智能化制造接口和遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)，可與工廠MES系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和質(zhì)量追溯，輕松實(shí)現(xiàn)智能制造。

結(jié)束語

大族激光智能裝備集團(tuán)專注于高功率激光焊接技術(shù)的研究，多年來在2kW ～20kW 激光焊接領(lǐng)域積累了豐富的應(yīng)用案例與精湛的工藝技術(shù)，激光焊接的高度自動(dòng)化、高效率、美觀外形、焊接變形小、環(huán)保無耗材等優(yōu)勢(shì)，真正為傳統(tǒng)汽車零部件加工提供了全自動(dòng)化解決方案，助力汽車產(chǎn)業(yè)智造升級(jí)。