激光焊接技术（通用11篇）
激光焊接技术 篇1
激光技术作为20世纪最重大的发明之一, 在刚刚诞生不久就被人称为“解决问题的工具”, 作为一种新的加工技术和加工手段, 激光技术在工业制造领域具有巨大的市场潜力。如今, 激光技术已经广泛应用于汽车工业中的打标、焊接、切割、打孔、热处理、精密调阻以及精密配重等领域。
激光焊接技术
激光技术应用于汽车零部件甚至整车的焊接已经有20多年的历史。目前, 激光焊接已经成为最先进的汽车制造工艺之一。激光焊接技术不仅广泛应用于汽车齿轮 (包括联体齿轮) 、变速器、滤油器、空调带轮和液压挺杆等零部件, 车顶、车门、行李箱和发动机盖等车体部位的激光焊接应用也非常广泛。
激光焊接的主要优点有:焊接速度快、生产效率高;焊缝深宽比大, 光亮美观;热输入小、焊接热影响区小、焊接变形小, 焊接钢板的厚度可达到50mm。
由于激光焊接的特点是被焊接工件变形极小, 零件的装配间隙也很小, 因此, 对零件和工装的精度要求较高。由于国内汽车零部件的精度较低, 重复精度较差, 对激光焊工艺的推广应用带来了一定的难度。
例如对于车身生产, 普遍存在成形件的三维焊接问题。激光焊中激光束点尺寸数量级所要求的零件装配尺寸精度很高, 所以对车身中普遍存在着的三维空间焊接接头, 目前尚存在使用局限性。换言之, 应用上的可行性与零件装配后的精密度直接有关, 也与激光系统的“对准”有关。目前已有汽车厂成功地在白车身焊接中采用了激光焊工艺。
激光焊接对于接头的间隙有严格要求。通常, 搭接接头与对接接头的间隙, 其允差按板厚确定。搭接接头间隙允差不得超过焊件中薄件厚度的25%。若过大常导致上片烧穿而下片不熔合。对接接头间隙允差不得超过板厚的15%。对接接头两板横向错位与不平度应控制在板厚的25%以内, 纵向直线度应控制在0.13mm以下。
在激光焊的保护气体选用方面, 由于高功率激光束使金属蒸发并形成等离子体, 它对激光束起着阻隔作用, 影响激光束被焊件吸收。为了排除等离子体, 通常用高速喷嘴向焊接区喷送惰性气体, 迫使等离子体偏移, 同时又对熔化金属起到隔绝大气的保护作用。保护气体多用氩 (Ar) 或氦 (He) 。
虽然白车身激光焊接目前尚存在设备投资及维护成本高、使用条件苛刻等问题, 但由于其具备焊接精度高、零件变形小、焊接结构强度与刚度提升显著等一系列突出的优点, 仍然被众多厂商采纳并推广。
激光焊接技术应用实例
1.激光焊接系统简介
激光焊接技术作为一种高效、节能的新兴技术, 目前在国外轿车白车身焊接中已经得到了广泛应用, 近年来, 国内也逐步开始了对此项技术的探索和应用。图1所示为某汽车厂顶盖与两侧侧围搭接处的激光焊接, 其激光焊系统的设备连接如图2所示。
图2所示激光焊接系统中, 存在一个中央控制系统, 与系统中其他设备的控制程序连接在一起, 统一进行控制。最关键的两台设备是激光的源头——激光发生器及直接作用于工件表面的激光焊接头。
2.激光焊接设备
激光焊接系统是由各种设备集成的一套自动化程度及精度极高的系统, 其设备根据用途可分为两大类:激光焊接设备及附件设备。
根据焊接部位及工况的不同, 通常集成商在制定工艺方案时会有所不同, 但其所使用的激光焊设备大体上是相同的。
在这些激光焊接设备中, 核心的设备是激光发生器及焊接头总成, 目前应用在白车身焊接中的激光发生器类型有很多, 主要有CO2激光器、YAG激光器和光纤激光器。光纤激光器作为第三代激光技术的代表, 具有波束参数卓越, 电光转换效率大于25%, 稳定性高, 免维护运行, 超小型化等优点, 在焊接领域挑战了CO2激光器和YAG激光器的统治地位。在汽车白车身制造中, 光纤激光器将会是最具发展前景的激光器。
为确保激光焊接能正常运行, 系统集成时还需为激光焊设备配备相应附属设备, 以确保激光焊系统的安全、环保及可控性, 附表所示为某轿车激光焊配备的附属设备。
附属设备一般由集成商统一进行集成, 其中激光焊接中央控制系统为整个激光焊系统的控制中心, 通过程序及信号的对接将所有设备连接在一起, 统一进行控制, 而焊接工装则从工艺方面保证了焊接总成的精度, 其余的附属设备则是为了保证激光焊系统能够安全运行, 并且作业环境满足环保要求。
激光技术在国内外汽车厂的应用
就目前国内情况, 上海通用的P o l o、上海大众Passat车型和一汽Bora等中外合资企业的国产化车型在制造过程中都采用了激光焊接技术。国内自主企业目前对于汽车白车身的激光焊接技术尚处在探索阶段, 国内自主汽车品牌的华晨、奇瑞和吉利汽车也相继在其新车型上此项技术进行研发应用激光焊接技术, 并作为先进制造技术被业内人士接受, 但目前的激光焊主要靠引进国外成套装备或生产线。
结语
本文就目前国内外激光技术的应用及工艺做了简单介绍, 可以看出, 中国虽已成为汽车生产大国, 但与发达国家的汽车工业还存在巨大的差距。汽车工业是世界性的产业, 为使我国的汽车工业能快速赶上发达国家水平, 必须在汽车制造中采用包括激光焊接技术在内的先进加工技术。目前我国的激光焊接技术虽然有了长足的发展, 但还不能满足国内汽车工业的生产要求, 这就需要我们进一步提高国内的激光焊接技术水平, 使中国尽快地成长为一个世界汽车制造强国。
激光焊接技术 篇2
题目：激光焊接技术的应用及发展班级：姓名：学号：
激光焊接技术的应用及发展
高伟
（沈阳工业大学 材料科学与工程学院 辽宁 沈阳）
摘 要：激光焊接作为一种新型的焊接方法，已经在越来越多的领域得到广泛的应用。本文对激光焊接技术的概况、国内外激光焊接技术的研究现状、激光焊接技术的应用、激光焊接技术的发展等方面进行了综述。希望对激光焊接技术的应用和发展有一个比较全面的了解。
关键字：激光焊接技术 应用领域 发展
Abstract: As a new technology, laser welding is widely applied in mangy fields.The general situation of laser welding technology, the research situation of domestic and foreign laser welding technology, application of laser welding technology and the development tend of laser welding technology are summaries in this paper.Through this paper we get a quite comprehensive understanding to the laser welding technology application and development.Key words: laser welding, application fields, development 引 言
激光焊接作为一种新型的焊接技术已被广泛的应用于IT、医疗、电子、汽车、机械和航天等行业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。由于具有很高的适应性、很强的加工能力以及更加先进的质量检测手段，激光焊接在许多行业已经逐步取代了一些传统的焊接技术。
1激光焊接技术的概况
目前激光焊接是激光工艺技术应用的核心内容,同样是目前大力发展的一种焊接技术。一些国外发达国家早已将激光焊接技术应用于工业生产方面,而国内在开发激光焊接技术的时候,州门还要拟定起一个匹配于我国工业的发展规划书。随着工业制造的持续发展,高效的加工技术将会是未来工业发展的必然趋势,而激光焊接则符合这一发展趋势。通过长期实践我们总结出,激光焊接在加工业的应用面非常宽,激光焊接术较之常规焊接技术其焊接品质更高,月加工更有效率。
激光焊接的特点是被焊接工件变形极小,焊接深度/宽度比高,热影响区小,因此焊接质量比传统焊接方法高,它们在工业上的应用越来越广泛。激光焊接还具有不受磁场的影响,不局限于导电材料,不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生X射线等优点。随着制造部门把自动化技术应用到焊接过程,激光和计算机控制的结合能够更好更精确地控制焊接过程,从而提高产品质量。保证激光焊接的质量,也就是激光焊接过程监测与质量控制也已成为激光利用领域的重要内容,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。激光可以用于对很多材料的焊接,碳钢、低合金高强度钢、不锈钢、铝合金和钛合金等都可以用激光进行焊接。一般来说,激光焊接的速度跟激光功率成正比,也受到工件的材料类型和厚度的影响。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而日趋广泛,目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。2激光焊接技术的研究现状
目前,国内一些激光设备与生产单位主要生产kW级的CO2激光设备和1 kW以下的固体YAG激光设备。对激光焊接研究主要集中在激光焊接等离子体形成机理、特性分析、检测、控制、深熔激光焊接模拟、激光-电弧复合热源的应用、激光堆焊、超级钢焊接、水下激光焊接、宽板激光拼焊、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等。
清华大学彭云等人分析了超细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点,进行了400 M Pa和800 M Pa 2 种超细晶粒钢的激光焊接试验,并与等离子弧焊接、MAG焊接进行了比较。无论是碳钢或经合金强化的高强度钢,还是通过特殊冶金加工的高强度钢,在快速加热和冷却的激光焊条件下,一方面接头的硬度大大高于母材,使接头易产生裂纹;另一方面激光的再热作用使HAZ出现软化区。目前,对于高强度钢激光焊接性方面的研究还不足,其应用还缺少更多的数据,需进一步深入研究。
相关资料显示,激光的高能量密度不但可以融化金属,且还能够将金属完全汽化,而金属在气化后与激光束接触,就会出现等离子体。等离子体可以吸收激光束,同时还能够将激光进行反射,这样就会导致光斑聚焦发生偏移,这在很大程度上都影响着激光的焊接质量。因此控制等离子体,尉罢在激光焊接技术的主要问题。近年来国外开发了激光摆动法,其理论为将光束沿悍接方向反复摆动,时间在匙孔出现后和等离子体出现前,这样有效的防止了等离子体的出现。而相关资料显示,等离子体的内质密度为影响激光束传输的核心要素,其可以经磁场辐射遏制等离子体对激光束的屏蔽效应。
另外,我们还进行了一些难熔金属的焊接,如钨、钥、祖等,这些金属的熔点都在2600℃以上,用传统的焊接方法成品率低且质量不能保证,用激光焊接不仅工艺简单,而且成品率均在98%以上。对熔点温度相差很大的两种不同的金属进行激光焊接,例如铜和铁、钢和金、铬和钦、铁和钥、镍和铂等,都可收到很好的效果。激光焊接作为一种特殊的焊接工艺,正逐渐被人们所认识和使用,随着我国改革开放的不断深入,激光焊接技术一定会得到瞩目的发展。
3激光焊接技术的应用
伴随工业激光器的研发以及相关学者对焊接技术的研究,目前此技术已被广泛应用。不过因成本问题,应用激光焊接的基本都是量产焊接的行业,七以口造船业以及汽车制造业等等,同时很多投资较大的特殊行业也会应尾激光焊接技术。在欧美地区,激光焊接已被汽车业以及金属加工业所广泛应用二而在中国,激光焊接术还仅仅被应用在电气等工业。现阶段很多发达国家的主要绍齐来源都要依附于汽车工业,很多发达国家平均每年的汽车出产量少则数千万计,所以,制造技术的完善及发展,始全绪日是相关学者的主要研究课题。利用激光焊接技术,能够有效的控制车体的质量,而且还在很大程度上提高了车身的强度,最主要的是降低了汽车的生产成本。
近年来激光焊接技术已应用于造船领域,一般的船用板材都需要达到一定的厚度,且焊缝较长,所以焊接后的翘曲以及变形为造船业的一大问题。相关资料显示,通过普通焊接工艺,大概有四分之一的工作量都应尾到了船板的整型中。因为激光焊接有较高的能量密度,同时光斑范围较小,热影响范围较常规的弧焊要小很多,焊后无显著的变形从而激卿旱接技术十分适用于造船业。通过激光对塑料施焊,在发达国家已是非常成熟的技术,而此技术在国内正处于发展中。常规塑料焊接基本都是以高频焊、热熔焊以及振动摩擦焊为主,上述焊接技术难以达到那些结构繁琐、加工精度高领域白舫目关要求。3.1激光焊接技术在汽车制造上的应用
工业上的激光焊接技术是目前激光工业中的第三大领域,在当今社会中已有大幅度的增长和广泛的应用。特别是在制造业的汽车产亚上,车身的部件大部分采用了激光的焊接技术,已取代我国传统的电阻电焊技术。激光焊接技术在国内外都有广泛的应用。例如日本本田汽车车门框和各种材料上的激光焊接。美国的福特汽车的中央门柱焊接技术。通过几个案例可以表明激户己焊接技术在汽车车身的制造上是非常可取的。激光技术不断随着社会改革发展而增加扩大范围,激光在工业上的用途也有了大幅度的提升。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,20世纪90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多。激光焊接还广泛应用到变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器、离合器、发动机排气管、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造,成为汽车零部件制造的标准工艺。应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术,而且从激光焊接技术本身研究的角度看,我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展,激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。
在电子工业中对激光焊接技术需求也是必不可少的。主要应用在显像管的电子枪,且在这方面上获得不错成绩,在日本的东芝公司中已成功的将焊接显像电子枪装配到线上。我国有几个厂家也应用了,华中理工大学所研发出来的激光焊接电子枪设备。另外,激光的焊接在续电器、电路引线、计算机配件中获得较大成功。3.2塑料激光焊接的应用
激光焊接是一项无振动焊接技术,因此它特别适合用于鼠标、移动电话、连接器等加工精密的电子元器件,以及那些需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件,例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。在汽车工业中,激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件,激光还可以将塑料薄膜焊接在一起,操作过程可以完成的非常快。
塑料激光焊接技术是一种变革性的短流程、数字化、知识化、绿色环保、先进的近净成形新技术，正在成为激光焊接领域的一个热点；它具有成本低、速度快、加工方便、原材料适用范围广、实现精密数控容易、结合性和工艺性好等许多优点$并且以其十分独特的技术和经济优势弥补了常规塑料连接方法的不足。在未来几年，中国将有可能成为全球最大的塑料产品市场要使激光焊接技术在塑料材料高品质，高附加值的加工领域获得应有的地位，这样塑料激光焊接技术所带来的巨大经济效益和社会效益是毋庸置疑的。3.3激光焊接在船舶制造上的应用
船舶制造中，钢板从储存、运输到下料切割、装配焊接等一直是增加变形的过程，特别是焊接，钢板变形影响很大。很多船厂花费大量人力物力用于焊接变形的火工校正工作。据统计，单船焊接费用占到整个船体制造费用的30%以上。现在船东、船检对船舶的质量要求提高，特别是豪华游船，船体外观要求很光顺，而船厂为达此要求花费很高。而使用激光焊接，速度快，变形小，焊缝窄，光顺美观，节省了大量后续校正工作。激光焊接不仅是制造工艺上的变化，而且也带来了船体结构上的创新和变化。例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。船用复杂结构如“三明治”板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输人量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题;此外“三明治”结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术这些问题都可解决.激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。3.4其他领域
在其他行业中，激光焊接也逐渐增加，特别是在特种材料焊接方面，我国进行了许多研究，如对BT20钛合金、HE130合金、Li-ion电池等激光焊接。德国玻璃机械制造商Glamaco Coswig公司与IFW接合技术与材料实验研究院合作开发出了一种用于平板玻璃的激光焊接新技术。
4激光焊接技术的发展
目前,在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等国。横流连续CO2激光加工设备的输出功率可达20kW,脉冲N d∶YAG激光器的最大平均输出功率也已达到4kW,并且实现了纳秒级的脉冲宽度。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达80mm,最小为0.05mm,大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技术正朝着低成本、高质量的方向发展,具有很大的发展潜力和发展前景。可以预料,激光焊接工艺将逐步占据焊接领域的主要位置,并取代一些传统落后的焊接方法。5结束语
激光焊接技术是集激光技术、焊接技术、自动化技术、材料技术、机械制造技术及产品设计为一体的综合技术。汽车工业的发展对焊接质量提出了更高的要求。激光焊以其高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点,在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,不仅在生产率方面高于传统焊接方法,而且焊接质量也得到了显著的提高。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代电弧焊、电阻焊等传统焊接方法的趋势已不可逆转。在未来的21世纪中,激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。
随着技术和工艺方法的不断进步,激光作为非接触柔性制造工具的特性将体现得更为明显。激光制造必然成为便捷高效、绿色环保、节能降耗的先进制造技术,促进我国工业领域的技术进步和产品技术改造,满足国民经济尤其是制造业的发展需要。
参考文献
激光焊接技术的研究现状及展望 篇3
关键词：激光焊接技术；研究现状；未来制造业
中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0011-02
21世纪是现代科技高速发展的时代，而激光技术作为目前时代发展中人们所最为瞩目的可击之一，其不仅仅是应用于现代军事领域，同样随着激光技术的日益娴熟以及其本身的制造工艺和应用工艺的普遍化，未来能够在更多的行业得到广泛应用，其中就包括传统制造业。由于传统焊接本身更多是依赖于焊接人员自身的工作经验以及对于焊接目标的目测实现焊接，其往往精度存在一定的偏差性，很难实现高精度项目的作业，而激光焊接无疑能够有效解决这一难题，利用激光技术准确对现有的目标进行准确的焊接，从而大大提升了焊接的准确性和有效性。未来随着工业现代化的迅猛发展，激光焊接技术有着广阔的应用空间。鉴于此，本文主要通过对激光焊接技术的内涵以及分类出发，就目前国内外激光焊接技术研究现状进行综合性、系统性的分析，并由此结合未来制造业发展需求以及激光焊接的特点，对其未来的应用以及发展进行展望。
1 激光焊接技术的内涵及分类
激光焊接顾名思义就是传统焊接技术与现代激光科技的结合，其主要是利用利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，利用激光本身的高度聚焦，在短时间内形成强烈的脉冲，从而对材料进行加工和切割。相对于传统焊接而言，其本身精度更高，更加的灵敏，焊接小了也更高，因而适用于在材料的微小区域进行焊接。激光焊接技术借助于特定的戒指的往复振荡，将其转化为高辐射能量，并且对这一辐射能量进行聚焦，由此超过材料的燃点，最终实现不同材料之间的粘连。
从现代激光焊接的发展现状以及特点来看，其主要分为两类，一是激光深焊接，其主要是通过将大功率激光束直接投射到材料表面，利用热能与光能的转化，从而使得材料在持续照射下软化直至融化；另一类是是热传导焊接技术，与激光深焊接的主要差异在于材料表层的热量通过热传导方式继续向材料内部传送，最终实现使焊接材料合二为一。
上述两种激光焊接其主要是利用了不同能量之间的转换从而实现了对于不同材料的粘连，即实现了焊接。由于激光焊接本身精度更高，更加容易对能量进行聚焦，因而更加容易控制，且能够实现较远距离的焊接，因此其本身的应用更多的是在现代高新技术行业，例如电子器件以及仪表器件等对于焊接精度要求较高的行业，借助于其独特的优点，目前已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。而未来随着现代科学技术的发展以及不断进步，对于激光焊接的应用以及发展也变得更加的多元化，从而形成更多的分类，例如双光束复合焊、激光-MIG复合焊、激光-电弧复合焊等等，他们的出现无疑能够进一步拓宽激光焊接技术的应用领域，提升整体传统制造业的焊接效率和精准度。
2 当前激光焊接技术的研究现状
2.1 国外对其研究现状
由于国外激光技术以及制造业较为发达，因此他们早在上世纪八十年代就已经逐步开始研究以及分析如何将现代激光技术应用在传统制造业中。以欧盟、美国等西方国家和亚洲的日本为例，他们借助于自身发达的科学技术实力以及良好的制造业基础，在政府合理的引导以及财政支持下，激光焊接技术发展非常快速，特别是进入新世纪以后，已经在许多的制造业和其他行业中能够看到激光焊接结束的应用，包括电子工业、造船工业、汽车工业等等，都能够看到现代激光焊接技术的应用。并且，他们为了能够对整个技术进行合理的应用，已经初步形成了焊接技术的行业标准，从而使得其能够在一个合理可控的范围内得到应用。与此同时，为了进一步提升焊接效率，使得激光焊接技术能够更好地应用于现代大型生产，特别是大型制造业以及建筑业，西方发达国家近年来在积极研究如何提升激光焊接的效率，通过大功率激光器的研究，进一步推动和实现大功率激光焊接技术的实现，由此真正将其应用到大型制造业、建筑业甚至是军事领域，进行潜艇以及军舰的制造。
2.2 国内对其研究现状
相对于国外成熟的技术而言，我国指导改革开放之后在开始逐步接触和了解激光技术，而直到上世纪九十年代末才开始逐渐将激光技术与传统焊接应用相结合。目前，激光焊接技术研究在国内走在前列的当属哈尔滨焊接研究所。近年来，其除了进一步拓宽和研发新的激光焊接种类以及设备之外，也在积极模仿以及参照国外研究的最新动向，不断寻求大功率激光焊接技术的突破与发展。而最新的研究成果显示，他们成功克服了国内大型构件的焊接难题，这无疑标志着我国在激光焊接技术领域的重大突破，也为未来大型工程重大应用奠定了基础。
除此之外，目前国内的激光焊接技术研究还集中在激光热丝焊、异种金属焊等领域，他们都是现代激光焊接技术研究的最新课题。而国外在相关研究领域已经取得了突破，特别是德国已经初步掌握了异种金属焊的技巧和方式，而未来我国要想真正熟练的应用以及掌握激光焊接技术，将其应用到更多的领域以及行业内，无疑就必须要攻破上述课题，要进一步完善以及优化激光焊接技术。
总体而言，虽然国内的激光焊接技术与国外目前的研究以及发展进度存在一定的差距，但是随着研究的不断深入，这一差距正在被逐步缩短，未来其必然会被广泛应用于实际生产和生活中。
3 激光焊接技术的发展趋势
激光焊接作为现代科技与传统技术的结合体，其相对于传统焊接技术而言，尤其独特之处并且本身的应用领域以及应用层面更加广泛，可以极大的提升焊接的效率和精度。其功率密度高、能量释放快，从而更好的提高了工作效率，同时其本身的聚焦点更小，无疑使得缝合的材料之间的黏连度更好，不会造成材料的损伤和变形，所以焊接之后也无需进行后续处理。由此，其本身主要是应用于高新技术领域，而未来随着人们对于这一技术的了解以及掌握的不断深入，必然可以应用于更多的行业以及领域。
可以说激光焊接技术的出现，实现了传统焊接技术所无法应用领域，其能够简单的实现不同材质、金属与非金属等多种焊接需求，并且因为激光本身的穿透性和折射性，使得其能够依据光速本身的运行轨迹，实现360度范围内的随意焦，而这无疑是传统焊接技术发展下所无法想象的。除此之外，因为激光焊接能够在短时间内释放大量热量实现快速焊接，因而其对于环境要求更低，能够在一般室温条件下进行，而无需再在真空环境或是气体保护状态下。
经过几十年的发展，人们对于激光技术的了解以及认知程度最高，其也从最初的军事领域逐步扩展到现代民用领域，而激光焊接技术的出现进一步拓展了激光技术的应用范围。未来激光焊接技术不仅仅能够用于汽车、钢铁、仪器制造等领域，其必然还可以在军事、医学等等更多的领域得到应用，特别是在医学领域，借助于其本身的高热量、高融合、卫生等特点，更好的在神经医学、生殖医学等临床诊治中应用。而其本身的精度优势也会在更多的精密仪器制造业中得到应用，从而不断造福人类以及社会的发展。
参考文献
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变速器齿轮激光焊接技术应用研究 篇4
在汽车变速器齿轮的设计制造中, 为了减小齿轮冷加工及热加工的难度, 提高生产效率, 一般将齿轮分解为各自独立的两个部分分别加工, 然后将两部分复合在一起 (图1) , 形成一个整体, 构成复合齿轮, 也称齿轮总成, 如齿轮与锥体 (接合齿) 构成的齿轮总成。
复合齿轮的连接主要有花键连接和束焊连接方式。花键连接是通过内、外花键实现连接, 其空刀槽较大、齿轮轴向尺寸大、生产效率低。束焊连接主要是电子束焊和激光焊, 近期的国内外汽车变速器齿轮激光焊接技术开发及应用呈明显上升趋势。激光焊接变速器齿轮以光滑圆柱体配合连接形式代替花键连接, 使空刀槽减小, 齿轮体积缩小, 车辆减重, 生产效率显著提高。该技术简化了产品结构及制造工艺, 能方便地满足产品开发和试制中零部件结构的不断调整及样件制造的需要, 并有利于设计人员对产品结构进行合理布局, 不断提高产品开发和制造水平。同时, 由于激光焊接的齿轮总成结构紧凑, 精度和可靠性得到保证, 可减少车辆故障率, 提高车辆操纵灵活性, 提高产品信誉和竞争力。
对变速器齿轮总成激光焊接技术进行应用研究并掌握其关键技术, 是产品上能力、上水平、竞争、发展的现实需求。通过相关问题的原因分析、方案确定、技术实施等, 达到形成成套技术、焊缝与性能匹配、变形控制、解决热后焊难题等目标。实现在相关变速器产品试制生产中的应用, 以及进一步在生产线上推广应用。
2 试验条件和试验方法
2.1 试验材料和试件
试验材料为20Cr Mn Ti齿轮钢, 其化学成分见表1。试件毛坯热处理工艺为等温正火, 组织为铁素体和珠光体。
%
根据变速器结构特点, 主要选择热加工变形较大的某变速器齿轮总成进行激光焊接试验, 加工制造接合齿和齿轮试件, 并进行相关尺寸检测。
2.2 试验设备
试验采用的主要焊接设备为国产低阶模5 000 W二氧化碳激光器及相应加工机, 反射式聚焦结构导光系统和可倾数控回转工作台。应用的检验、检测及热处理设备主要包括:金相显微镜、显微硬度计、低倍显微镜、扫描电子显微镜、电子万能拉力机、静态扭转试验机、齿轮渗碳热处理设备和强力喷丸设备、干燥箱、齿轮尺寸精度检测设备。
2.3 试验方法
2.3.1 预处理试验
激光焊接前对试件进行清洗, 去除油污、铁锈及其它杂质, 齿轮与接合齿焊接前采用压装工艺压装在一起, 形成激光焊接所需要的结构形式。渗碳热处理前 (以下简称热前) 焊接的齿轮总成, 焊后要进行渗碳热处理、喷丸、磨端面、磨内孔等后续加工处理。热后焊的齿轮总成需采取相应措施使焊前焊接区不存在渗碳层, 以保证焊接质量。
2.3.2 激光焊接试验
齿轮总成焊接结构为端接接头, 相当于形成轴向焊缝。激光焊接时将试件装夹在激光加工机工作台 (回转台) 上, 激光器输出波长10.6 μm的低阶模激光束, 用氦-氖激光准直装置将聚焦激光束定位于焊缝中心, 进行激光焊接试验, 见图2。焊接过程中用氮气或氦气保护熔池。
焊接试验后用放大镜及低倍显微镜检验焊缝表面状态, 研究焊缝的表面质量。用线切割机沿焊缝横截面切取试样, 制成检验样品用于金相组织及相关分析。
2.4 扭转试验
设计、制造了扭转试验卡具, 将试件装卡在扭转试验机上进行试验, 检验其失效方式、扭转载荷等。
2.5 尺寸、精度检测
根据变速器齿轮装配及使用要求, 确定了焊接齿轮总成尺寸检测种类。对焊接前、焊接后、渗碳热处理后的齿轮总成的有关尺寸进行检测, 研究其变形情况。
有的齿轮总成, 因结构所限, 其轮齿与焊缝较近, 不同热加工工艺对其尺寸、精度的影响较突出, 因此对此种结构的某变速器齿轮总成焊前、焊后、热后的精度进行了检测。
3 试验结果及分析
3.1 焊前清洗、压装
激光焊接同常规焊接一样, 对焊件的清洗程度有一定要求, 清洗的洁净度直接影响焊缝质量。齿轮焊缝处如果存有油污、铁锈及其它杂质, 焊接过程中焊缝易产生气孔、裂纹等缺陷。图3 即焊缝处污物熔解后在焊缝中心区凝固导致气孔和裂纹, 严重影响产品质量, 因此在生产中要重视齿轮及接合齿 (锥体) 的清洗, 避免发生此类缺陷。生产中一般为机械化清洗, 应严格控制清洗工艺和流程, 以保证零件清洁, 不给焊接留下隐患。
焊接前接合齿 (锥体) 与齿轮需压装在一起, 形成焊前的组合状态。产品设计时一般接合齿 (锥体) 与齿轮的压装配合为过渡配合, 如H7/n6等。压装配合量会影响焊缝形状和齿轮总成的变形。采用适当的过盈配合, 有利于保持良好的焊缝形状, 可减小焊件变形, 实际应用中应采取自动化压装方法, 控制相应压装工艺参数, 以达到既满足设计要求, 同时又满足压装工艺要求的目的。在生产应用工艺中已确定采用此方案, 并进行了相应工艺设计。
3.2 焊缝形状
正常焊缝表面状态应完整、较均匀和光滑 (图4a) ;焊件整体间隙较大, 焊缝表面易整体塌陷 (图4b) ;焊件局部间隙过大, 则形成焊缝局部塌陷;焊接试验时要控制接合齿与齿轮的焊接配合量, 防止出现塌陷缺陷。在齿轮总成激光焊接中, 结合采用适当的激光焊接工艺, 得到图4c所示的齿轮总成激光焊缝。
束焊焊缝成形状态直接影响齿轮的使用性能。若焊缝横截面熔合线形状呈楔形 (电子束焊缝易出现) (图5a) , 底部尖锐, 焊缝稍有偏移, 将导致有效焊深降低, 使齿轮总成的承载能力降低, 易造成焊缝开裂, 齿轮与接合齿分离, 变速器无法正常运转。应采取措施控制焊缝形状。
通过控制相应参数达到控制焊缝形状的目的, 获得横截面上焊缝宽度较均匀的齿轮激光焊缝 (图5b) , 其熔合线较平缓, 类似抛物线形, 根部较平滑, 有利于保证焊缝的有效深度。
3.3 焊缝深度
为使焊缝深度达到试验要求, 进行了大量工艺试验, 确定了各焊深下的临界参数 (部分参数见表2) 。激光焊缝深度可达6 mm, 能根据试验需要和不同齿轮总成的承载要求, 形成不同深度的激光焊缝。
焊缝深度不足, 影响焊缝性能;焊缝深度过大, 能量输入大, 降低焊接效率, 增加焊接成本, 同时也增大焊件变形。应根据齿轮焊件结构和性能要求, 较合理地确定焊缝深度。变速器各速齿轮总成要求焊深值应与性能匹配, 满足齿轮总成传递扭矩要求, 同时要考虑降低焊接能量输入, 减小齿轮总成变形, 提高生产效率, 降低生产成本。
3.4 焊接变形及其控制
当变速器齿轮总成接合齿直径与厚度之比较大且无锥体时, 焊接时应特别关注接合齿的状态变化。其接合齿变形对变速器的装配和使用影响较大。渗碳热处理的变形影响最终齿轮总成的变形, 在研究焊接变形的同时, 应关注渗碳热处理的变形, 进行综合分析。采用不同的激光焊接工艺参数和焊接结构对接合齿、齿轮进行焊接, 形成齿轮总成, 检测相应尺寸, 分析齿轮总成试件变形。
结合实际情况, 前期对不同结构、不同焊接参数、不同焊深的焊件进行了变形试验分析 (图略) 。结果表明, 焊深越大, 试件焊接变形量和热后总变形量越大。同时, 焊深增加, 与渗碳热处理变形相比, 焊接变形在试件总变形中占的比例增大。在齿轮总成变形控制中要加以关注。因此, 适当减小焊接深度, 可减小齿轮总成的变形量。在相同焊深条件下, 加快激光焊接速度, 优化改变齿轮焊接结构, 均可减小齿轮总成变形。
进一步对某变速器二速齿轮总成进行了激光焊前、焊后、热后的齿轮变形及精度检测, 其轮齿与焊缝较近, 更易产生变形, 检测结果见图6 。焊接后精度略微降低, 热后精度降低较大。对此种齿轮总成, 应制定相应工艺, 减小其变形。因此, 最终齿轮总成精度的变化应综合考虑各种热加工工艺的影响, 制定相应措施, 减小齿轮总成变形, 并保证焊深、扭矩、变形控制之间的合理匹配。
3.5 热后激光焊
汽车变速器齿轮的激光焊接一般在齿轮热前进行。随着变速器制造技术的发展, 有些齿轮采用磨齿工艺制造, 且需在渗碳热处理后的单体齿轮上进行磨齿。因此, 要求齿轮渗碳磨齿后再与渗碳的接合齿激光焊接成齿轮总成。但因渗碳层的存在, 使焊缝缺陷增加, 裂纹倾向增大, 严重影响焊接性能, 见图7。
解决方案:热前对焊接区进行渗碳保护或热后硬车去除焊接区渗碳层。目的是让齿轮焊件焊接区不存在渗碳层, 以利于焊接, 对此两种技术都进行了相应试验。
3.5.1 热前焊接区渗碳保护
一般防渗碳方式有电镀法、涂料法、挡板法等, 考虑防渗效果及零件的表面状态要求, 决定采用涂料法进行渗碳保护。试验涂料为:J-1、J-2、J-3、J-4。试验步骤为:预置涂料→渗碳热处理→金相分析→硬度分析。
渗碳层硬度分布见图8。从图8 可见, J-3 涂料防护效果较好。正常渗碳表层金相组织见图9、防护渗碳表层金相组织见图10。从图9、图10 可见, 涂料起到了渗碳防护作用。
综合金相及硬度试验结果, 选用J-3 涂料进行齿轮的渗碳保护。具体实施中要注意在焊接区附近的一定范围内都涂上防渗涂料, 并保证涂层均匀, 其它区域要保证渗碳层的正常存在。
3.5.2 热后硬车去除渗碳层
根据渗碳层深度, 确定焊接区硬车加工面及加工量 (要考虑焊接结构) , 焊件焊缝区热前预留加工量;热后硬车加工去除渗碳层。硬车加工后的试件见图11。热后焊焊缝横截面形状见图12。
针对热后焊试件的特点进行相应激光焊接试验, 确定齿轮总成热后激光焊接工艺, 并对热后焊试件进行了扭转试验, 试验结果见表3。扭转试验时试件承受的平均最大扭矩为10.95 k N·m。7 号试件扭转时, 焊缝未开裂, 将卡具扭裂, 此时扭矩为12.44 k N·m。采用试验确定的预处理及激光焊接工艺焊接的热后齿轮试件完全满足齿轮总成的承载要求。
考虑到生产应用的实际情况, 认为热后焊的齿轮、接合齿采用硬车工艺去除渗碳层较合理。
3.6 齿轮激光焊接工艺流程及批量焊接
齿轮热前激光焊接工艺流程见图13。
热后焊工艺流程见图14。
对热前、热后齿轮总成进行了批量激光焊接, 批量激光焊接的齿轮总成见图15, 生产单位在生产线上加工的成品齿轮总成。激光焊接时间加辅助时间为12 s/件, 生产效率高。对批量试制的齿轮总成进行了道路试验, 未出问题。
3.7 齿轮激光焊接技术宽范围、系列化开发
对中、轻、轿变速器16 种齿轮总成开展了激光焊接试验。针对不同的产品结构、焊前状态及齿轮总成的承载能力, 开发出系列激光焊接技术, 满足产品的性能要求。形成变速器齿轮总成批量、柔性激光焊接技术应用开发及产品制造能力。
4 结论
a.分析确定了焊前齿轮与接合齿清洗及压装控制措施。
b.通过激光焊接工艺试验, 获得焊缝深度、焊缝形状可控的齿轮总成激光焊缝。
c.变形试验表明, 焊深增加, 试件变形增大;在相同焊深条件下, 加快焊接速度、优化改变焊接结构均可减小试件变形;最终齿轮的变形应综合考虑焊接和渗碳热处理的影响。
d.解决热后焊难题, 确定齿轮、接合齿去除焊接区渗碳层工艺及激光焊接工艺;焊缝承载能力满足齿轮传递扭矩要求。
激光焊接总结 篇5
就“鹏桑普”焊接板芯208片，分析总结！
自2011年8月18日整板裁剪好开始调试焊接起，24小时连续工作五天完成任务。前期我已对0.2mm铜板进行焊接调试，就调试板可以完美焊接了。可是焊接德国进口镀膜板时，又回出现焊接不上及焊点太大的问题。
经过调试，同样是0.2mm的铜板用不同的工艺焊接，后面发现主要有两个问题：
1、铜板材质不一样，表面发光效果会影响激光焊接工艺；
2、镜片：激光聚焦前面的保护镜片，保护飞溅不伤害激光聚焦。保护镜片透射率及清晰度一定要好。
在整批任务的完成过程中还出现了很多问题:
1、伺服电机卡死现象；------先调伺服电机5A编辑器不成功，后更换。（主要是Y轴方向不能灵活运动）
2、有漏焊及脱焊现象；------通过把铜板垫高气压加大，让铜管与铜板更有效地接合后焊接。
3、德国进口镀膜铜板反面出现两种颜色，一种很光洁（要求功率会相对高点），一种看起来有氧化现象（相对功率低点，而且容易焊接）；------工艺偏向光洁面，功率偏大，氧化面焊点较大，有铜飞溅。
4、在焊接过程中，因为功率太大，铜板飞溅也就很大，保护镜片损害相当严重，使用监视器查看焊缝越来越模糊，越是模糊就越要加大功率，最后镜片不能使用；------在保证焊点的前提下劲量调小功率，让飞溅减小。镜片稍模糊时用棉布搽拭干净，镜片严重模糊时更换镜片。
5、在连续焊接24小时后，监视器的电源无故失效；------更换类似电源。
6、在焊接过程中，由于工装不完善经常出现碰撞现象；------焊接过程中多注意观察调节，要认真、要专心的工作。
7、工装不完善，剪板公差无法精确到1mm以下；------工装要根据铜板与板芯中心对称，剪板要求精准。
8、焊接到最里面的时候，需要爬上平台进行调试很不方便。------把易焊的一面装在里面。
激光焊接技术 篇6
【关键词】激光-MAG电弧复合焊；焊接工艺；对比试验研究
0.引言
随着激光焊接工艺应用范围推广，激光-MAG电弧复合焊接工艺成为一种新兴的焊接工艺备受青睐，应用日益广泛，如造船业、管道运输和车辆制造等领域。
轨道车辆的承载部件主要包括走形部转向架构架和车体钢结构的牵枕缓，主要采用中厚低合金钢板（板厚为8～16mm）通过冷加工压型（或滚压成型）的零件，相互拼焊组装而成。通常焊接工艺为自动或半自动MAG焊接。
通过激光-MAG电弧复合焊和MAG焊接工艺对比试验验证及性能试验，为激光-MAG电弧复合焊接工艺在轨道车辆承载部件应用提供试验数据和研究基础。
1.激光—MAG电弧复合焊原理及特点
1.1激光-MAG电弧复合焊接原理
激光-MAG电弧复合焊接是将激光焊接和电弧焊接有机结合起来的一种高效优质焊接新工艺。它将激光和电弧这两种热源物质的物理性能、能量传输机制截然不同的复合在一起，共同作用于被焊接件的表面，通过两种热源物质的相互作用及复合热源与工件的作用完成焊接过程。
采用激光+电弧的复合方式可以充分发挥两种热源的优势，在同等条件下，激光-MAG电弧复合焊接比单一的激光焊或电弧焊具有更强的焊接工艺适应性和更好的焊缝成型质量。
1.2激光-MAG电弧复合焊接的特点
（1）焊缝熔深增大。熔化的熔池金属可以提高对激光光源的吸收率，而激光束在熔池中产生小孔，保证在高速焊接条件下获得理想的焊缝熔深，并保证焊接过程中的稳定和获得规则焊缝成型。
（2）焊缝质量改善，焊接缺陷减少。激光束可以使焊缝加热变短，不易产生晶粒过大而且热影响区减小，改善焊缝组织性能。同时，在电弧的作用下，复合热源能减缓熔池的凝固时间，有利于气体和杂质的溢出，有效减少焊缝中气孔、裂纹、咬边等缺陷。
（3）焊接过程稳定。由于激光作用在熔池中会形成匙孔，对电弧有吸引作用，从而提高了焊接的稳定性。匙孔也会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。
（4）生产效率提高，生产成本降低。激光和电弧的相互作用增大焊接速度，电弧的作用使得较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与纯激光焊接工艺相比可降低焊接设备成本。
激光-MAG电弧复合焊接工艺能够形成大深宽比、高质量焊接接头，提高生产效率、降低生产成本的诸多优势，作为一种优质、高效、清洁的焊接技术，具有良好的应用价值。
2.激光—MAG电弧复合焊接工艺可行性试验
2.1试验材料及其化学成分和物理性能
试验焊件选用常用低合金钢材Q345C（板厚12mm），试验填充焊丝选用ф1.2实心焊丝（牌号 CHW-55CNH）。
2.2 试件组装间隙及钝边调整试验验证
在坡口角度选定常用的60°时的激光-MAG电弧复合焊缝成型及外观如图1所示，其中钝边尺寸分别取为4mm和2mm，组焊间隙分别选取0和1mm。
图1 焊缝成型及外观
当钝边尺寸为2mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷。但是外层焊缝需要两道才能完全熔合。
当钝边尺寸为4mm时，无论组装间隙为0还是1mm，焊缝根部完全熔透，焊缝表面成型良好，无缺陷，外层焊缝一道完全熔合。比较组装间隙，由于当离焦量为+2～+4mm时，对应作用在焊件表面的激光斑束直径一般为1.0～1.5mm，因此底层焊道的组装间隙不应大于1mm。同时，底层焊道均呈凹形，有利于后续焊道的填充。
根据上述试验结果分析，当选用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0为宜，最大不能大于1mm。
3.激光—MAG电弧复合焊与MAG焊工艺对比
板厚12mm的板材对接焊缝焊接工艺对比。
对比板厚12mm的板材对接焊缝，坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0试件，激光-MAG电弧复合焊比MAG焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。表明激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节约焊接熔敷金属等焊接特点。
（1）对接接头力学性能对比结果表明：焊接接头及热影响区的维氏硬度方面，激光-MAG电弧复合焊接工艺高于MAG焊接工艺试件；拉伸、弯曲性能两者相当，但冲击韧性方面，激光-MAG电弧复合焊接接头优于常规MAG焊接接头。
两种焊接工艺的焊接接头区域的焊缝和热影响区的维氏硬度都低于标准规定的退货状态下最高硬度值320 HV10，符合要求。
（2）对接接头对比—冲击扫描对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—冲击扫描对比结果如图2所示。
图2 接头冲击扫描对比结果
经过低温冲击试验后，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区的冲击断口起裂区均呈现韧窝状微观断裂特征，属于典型的韧窝断裂性质。而MAG电弧焊接接头的焊缝区的冲击断口呈准解理+少量韧窝状的混合断裂特性；其热影响区的冲击断口起裂区韧窝状，为韧性断裂特征。
（3）对接接头对比—接头宏观、微观组织对比：两种焊接工艺的焊接对接接头—宏观、微观组织对比结果如图3所示。
图3 宏观、微观组织对比结果
宏观组织对比：MAG焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷。激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝根部完全熔合，焊道之间及焊道与母材之间完全熔合，没有气孔等缺陷，焊缝具有较大的深宽比。表面焊缝的成型主要依靠电弧焊，而底层焊缝主要借助于激光束的匙孔效应，保证了完全熔透和完好的背面成型。
两种焊接接头宏观组织对比可以发现，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。
微观组织对比：两者的焊接接头特征区划分相同，焊接热影响区分为熔合区、粗晶区（过热区）、相变重结晶区（正火区）和不完全重结晶区（不完全正火区），焊缝及热影响区各微观区的组织结构没有发生变化，只是由于激光-MAG电弧复合焊的线能量较小，接头区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。
4.结论
（1）通过焊接工艺可行性试验表明：激光-MAG电弧复合焊焊接板厚12mm的低合金钢板对接焊缝时，采用坡口角度60°、钝边尺寸4mm、组装间隙0～1mm，焊接质量高，焊缝成型好。
（2）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接工艺对比表明，激光-MAG电弧复合焊接线能量减少50%以上，焊缝填充金属的质量减少60%左右。体现激光-MAG电弧复合焊具有焊接线能量低，焊接速度快和节省焊接材料的工艺特点。
（3）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的宏观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头中，焊缝与母材之间的焊趾部位圆滑过渡，可以明显降低焊缝应力集中程度，有利于接头疲劳强度改善。
（4）通过激光-MAG电弧复合焊接与MAG焊接焊缝的微观组织对比表明，激光-MAG电弧复合焊接接头的焊缝和热影响区各微区的显微组织没有发生变化，只是由于复合焊接的线能量较小，接头各区域冷却速度较快，使得接头区域的晶粒度在一定程度上细化，焊接热影响区粗晶区宽度减小，从而改善焊接接头的力学性能。
（5）轨道车辆主要承载结构焊接量大，焊接质量要求高。通过验证结构中典型的对接接头的激光-MAG电弧复合焊接工艺，能有效提高生产效率，改善工作环境，提高焊接质量。
【参考文献】
[1]左铁钏.制造用激光光束质量、传输能量与聚焦质量，科学出版社，2008.
激光焊接技术 篇7
1 激光焊接技术在汽车制造领域的应用意义
1.1 满足了消费者对汽车造型感及功能性并重的要求
汽车制造行业的发展历史悠久, 传统的汽车制造中人们对车的使用功能、实用性要求比较高, 注重的是车的耐用性, 对其外表的美观意识还没有那么强烈。随着社会经济的不断发展, 社会时代的进步, 人们生活水平的不断提高, 人们对家用轿车的要求也越来越高, 除了关注车的功能性外, 也逐渐提高了对车外形的关注度, 越来越要求美感。而激光焊接技术的应用, 不断提高了汽车形式的多样化, 也进一步加固了车的功能性, 促使各类小轿车、跑车等出现了多种不同款式, 车型越来越多, 逐渐满足了人们对汽车造型与功能性并重的需求。从而实现了激光焊接技术在汽车制造行业有效满足人们购买需求的应用价值。
1.2 为汽车制造行业的竞争提供了有力的技术手段
社会经济在不断发展, 无论哪个行业的市场经济竞争都比较激烈, 汽车制造行业的竞争也是不可能避免的。要想在激励竞争的市场经济环境下站稳脚步, 必须要有先进、可靠的技术支持, 那么激光焊接技术完全满足汽车制造的竞争力。激光焊接技术主要是利用激光束对材料进行熔融、对接, 然后形成组件结构, 激光焊接过程中它可以对不同材质的材料进行焊接, 焊接中没有气体真空出现, 激光束的聚焦能力、精准度及密度非常高, 不会对对接的材料造成影响, 也不会增加汽车的重量, 影响车型的美观性和使用性, 因而大大提高了汽车制造的质量, 加强了汽车的轻便性、耐腐蚀及耐磨性。激光焊机技术的应用对汽车制造行业的发展起到了有效的促进作用, 同时也为汽车行业的竞争提高了竞争的资本和技术手段。
1.3 符合汽车制造规模化的发展趋势
随着企业对工作效率的要求越来越高, 汽车制造规模化的趋势已经越来越明显, 实施的目的就是为了进一步提高和优化汽车制造流程的规范性和高效性。激光焊接技术的应用, 对汽车制造组件衔接环节起到关键性作用, 而在整个汽车制造过程中衔接环节耗费的时间和劳动力是最大的, 这样对汽车制造效率会造成以此能够影响。而激光焊接技术则可以有效减少衔接环节的时间, 提高汽车制造工作效率, 因为激光焊接对材料的穿透力快而强, 同时可利用计算机进行控制, 实行自动化机械操作, 而且可设置参数, 减少对厚板衔接的时间, 从而高效缩短衔接环节的工作时间, 提高工作效率, 所以符合汽车制造规模化的发展趋势。
2 激光焊接技术在汽车制造工业中的应用
激光焊接技术的应用具有很多优点, 首先具有电脑控制的自动化操作优势, 可在短时间内熔融较大面积的材料, 能够融合不同材质的材料, 焊接精密度高, 其次就是采用激光束进行焊接, 不使用电极, 因而无电极污染, 激光焊接的晶粒非常小且均匀, 连接后不仅美观而且干净, 还有就是不受磁场的干扰, 能节省人力、物力, 缩短工作时间, 提高衔接精准度等。在汽车制造过程中, 激光焊接技术的应用也有不同的技术方式, 需要根据具体的环节选择对应的焊机技术方式。
2.1 激光焊接
汽车制造中最早应用激光焊接技术的部件应该是变速器齿轮, 就是能够变速的齿轮, 它焊接的要求很高, 要考虑它的重量要求、运转速度、耐磨性、负荷承受力等等, 因而焊接的要求就会增高, 而且焊接技术要十分的精准, 焊接中要时时考虑不能增加齿轮的重量。激光焊接技术则利用激光、光束聚焦衔接的一种技术, 不仅精准度高, 而且不会产生气态或增加加重的物质, 完全能够解决上述问题, 所以被最先应用到了变速器的齿轮焊接上。而美国的汽车制造企业将这种焊接技术引入到生产中, 不仅对汽车构件的衔接起到了高效的焊接作用, 而且有效减少了材料的使用率, 大大提高了美国汽车制造的质量, 使美国汽车制造技术占据了领先位置。随着社会经济的不断发展, 汽车制造材料也越来越多, 各种材质的造车材料逐渐推动着人们对激光焊接技术的认知和, 传统的焊接技术比较局限, 对一些铝镁材料的焊接, 会导致其发生化合反应, 从而影响焊接的效果, 也影响使用性。而激光焊接则可以对不同材质的材料进行有效焊接, 不影响其功能性。
2.2 激光拼焊
在汽车制造中激光拼焊技术的应用范围比较广, 尤其对车身的衔接比较重要。传统拼焊技术在对车身进行衔接时, 一般是先将车身进行冲压, 使其变成一定的形状, 然后对其拼焊, 拼焊后会出现融合较差的情况, 影响美观也影响质量。而激光拼焊技术的应用, 完全可避免传统拼焊的不良结果。激光拼焊时不会进行车身冲压, 它直接对车身的不同部位进行拼焊, 衔接好以后再进行冲压成型。激光拼焊中不仅可以根据车身材质选择钢板, 拼焊的过程也比较顺利, 还具有降低钢板厚度, 避免不同材质之间相融性不好的情况。激光拼焊技术在车身形成的应用中不仅有效避免了传统焊接的问题, 而且具有精准度高、节省零件、降低成本的特点, 因而倍受汽车制造企业的重视, 应用性也越来越广泛。
2.3 激光复合焊接技术
激光复合焊接技术指的是激光焊接技术与激光电弧技术的结合技术, 这种技术的应用是热源与激光有效结合的工艺技术。虽然激光焊接技术的应用具有较好的优势, 但是无论什么事物都是有两面性的, 有强的一面也有弱的一面, 激光焊接技术的优点很多, 但是它的受热面积比较局限, 会引起焊缝较深的情况出现。因而将其与电弧技术相结合, 电弧技术的优势则是通过热传导扩大材料受热面积, 从而是焊接时掌握焊缝的深浅度, 这样不仅可以提高汽车制造的质量, 也可提高美观性。因而激光复合焊接技术的应用具有较高的焊接速率性、稳定性、可操作性, 进一步弥补了单纯焊接技术的不足, 加强了汽车制造的有效性、实用性、功能性和造型感, 成为了一种优秀的激光焊接技术方式。
3 结束语
激光焊接技术的应用, 为汽车制造提供了可靠、先进的技术供给, 不仅提高了汽车制造的生产质量, 而且为汽车制造企业间接带来了较好的经济效率。随着科学技术的不断发展, 进一步加强激光焊接技术的完善和巩固, 它将推动汽车制造进入一个高精、高质的创造时期, 为汽车制造行业的稳步、长久发展奠定坚实的技术供应基础。
摘要：汽车制造业的发展越来越广泛, 随着科学技术、社会经济的不断发展, 汽车制造技术水平也随之不断革新和完善, 其中激光焊接技术的应用, 对汽车制造业的进一步蓬勃发展做出了巨大贡献, 文章就激光焊接技术在汽车制造中的应用价值进行分析。
关键词：激光焊接技术,汽车制造,应用价值
参考文献
[1]陈根余, 梅丽芳, 张明军, 等.激光焊接、切割在汽车制造中的应用[J].激光与光电子学进展, 2009 (9) .
[2]朱宏伟, 张涛.激光焊接技术在汽车制造中的应用[J].企业导报, 2013 (11) .
[3]陈非历.激光焊接技术在汽车制造中的应用[J].科技创业家, 2013 (5) .
[4]李章, 徐炜.激光焊接技术在汽车制造中的应用[J].汽车工艺与材料, 2004 (6) .
激光焊接技术 篇8
随着能源问题的突出及材料科学的发展,轻型有色金属在机械、汽车、航空航天等领域的使用越来越广泛,并且各种技术日趋成熟。以钢、铝合金异种材料作为车身材料可极大减轻汽车自重,不仅提高了燃油经济性,同时也保障了汽车在行驶中的安全性。将钢与铝或铝合金连接成为异种金属结构,具有独特的优势和良好的经济效益。目前,钢和铝的连接主要采用铆接或螺栓连接、焊接等机械连接方法。前两者接头质量大,接头形状受限;焊接主要采用电阻焊、惰性气体钨极保护焊(TIG)[1]、摩擦搅拌焊、扩散焊、钎焊、爆炸焊、磁脉冲焊(MPW)等方法[2],其缺点是难以自由选择接头形式,应用范围较窄。激光焊热量集中,热源能准确控制,应力应变小,因此激光焊与其他方法相比,更适合于钢、铝异种材料的焊接。本文在分析钢-铝焊接难点的基础上,总结了当前钢-铝激光焊接中常见的焊接缺陷、接头连接形式、表面处理及填加焊料,着重概括了激光焊接工艺参数对焊缝质量的影响,并展望了钢-铝激光焊接技术的未来发展趋势,期望为激光焊接多材料车身结构提供重要的技术参考。
1 激光焊接的机理
激光光束是一种高能束,在极小的光斑内集中了极高的能量。激光焊接是利用具有高能量密度的激光照射于待焊接的部位,通过工件吸收激光获得能量来加热材料至熔化,待材料在液态下相互混合、冷却凝固后形成融合焊缝。根据材料表面被照射的光功率密度或材料中是否形成小孔,激光焊接又分为激光热传导焊接(如图1(a)所示)和激光深熔焊接(如图1(b)所示)。
激光热传导焊接是金属表面受激光照射并吸收能量后局部升温形成温度场,热量按照固体材料的热传导学理论向材料内部扩散,以此来熔化被焊接的两构件。激光热传导焊接光功率密度在104～105W/cm2之间[3],焊池浅、深宽比小。激光深熔焊虽亦有吸收激光能量的过程,但其光功率密度比传导焊大,在106～107W/cm2之间[3],焊池深、深宽比大。其显著的特征就是工件中形成小孔,小孔周围工件材料熔化甚至汽化产生等离子体。在加工过程中小孔随激光束与工件的相对移动形成焊池。
2 钢-铝焊接存在的难点
钢-铝焊接存在一定困难,两者焊接难以得到优良焊缝。这种难点的根源主要是钢、铝及铝合金材料中的主要元素Fe和Al的物理参数、力学参数、晶格参数、组织结构相差甚远。两者物理参数上,密度、熔沸点、热导率、线膨胀系数等相差悬殊,如表1所示[4]。悬殊较大的热导率、线膨胀系数使焊接过程中接头处变形严重,并且存在很大的焊接应力,易导致裂纹产生;Fe、Al晶格结构上存在较大差异,如表2所示[5]。铁在铝中的固溶度几乎为0(在225～600℃,铁在铝中的固溶极限为0.01%～0.022%),Fe与Al易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金属间化合物,导致焊接接头塑韧性降低。另外,焊接过程中Al母材表面形成难熔的Al2O3氧化膜,并且熔池温度越高,表面氧化膜越厚[6]。这种氧化膜既能形成焊缝夹渣,又直接影响焊缝金属的熔合,导致焊缝塑性差、承载能力低、抗冲击能力差。
3 钢-铝激光焊接技术研究现状
3.1 钢-铝常见的激光焊接缺陷
激光焊接作为同种材料的热成型加工方法已取得一定成功[7,8,9],但对钢、铝异种材料进行焊接时,所得焊缝常产生如图2所示的一些缺陷:焊缝表面或底部存在凹坑(见图2(a))、飞溅(见图2(b))、焊不透现象;焊缝内部或者表面存在微气孔、夹杂(见图2(c))或疏松(见图2(d));焊池熔合区或热影响区产生微裂纹(见图2(e));焊接区域生成Fe-Al金属间脆性化合物或焊接过程中钢被淬火,焊缝承载能力低、塑性差,易发生断裂(见图2(f))等。
3.2 钢-铝激光焊接工艺研究
钢、铝激光焊接的焊缝质量受多方面因素的影响,主要包括焊接工艺工夹、焊接工艺参数、焊接前处理、被焊接材料的物理性质等。其中焊接工艺参数的影响占主导地位,主要包括激光功率、离焦量、焊接速度、脉冲频率(连续模式无此项)、保护气体的类型及流量等。激光功率直接决定了光功率密度。若功率过小,材料因热输入过少、熔化量不够导致焊缝填充不足;功率过大又会引起材料汽化形成等离子体屏蔽材料对激光吸收或者使焊后焊缝表面产生飞溅。激光焊接速度决定了焊池凝固时间的长短,进而影响内部晶粒的生长。若焊接速度过快,熔池内材料急剧冷却,得不到细化的晶粒,组织杂乱,力学性能差,某些情况下甚至会产生微裂纹、焊缝填充不足。另外,脉冲频率与焊接速度共同影响着焊缝质量, 脉冲频率为30～60Hz时焊缝质量较好[3]。离焦量是激光聚焦后光斑与材料表面的距离。光斑位于材料上方时为正离焦,反之为负。采用负焦量时更易获得高质量的焊缝且最佳离焦位于焊缝深度1/3处,焊缝能达最大焊深[10]。保护气体的作用是包围焊池防止其氧化,并适当加速焊缝的冷却,减小焊缝热影响区宽度。保护气体的物理性质、导热系数、水中的溶解性等方面的差异对焊接质量的影响不同。密度较大的气体在高温下仍能够较好地处于焊接件的周围以防止焊接件氧化。气体密度对焊缝的影响比其电离产生的效应更大。
为减小或消除激光功率、离焦量、焊接速度、脉冲频率、保护气体的类型及流量等工艺参数对钢、铝激光焊接缺陷的影响,国内外学者进行了大量的实验研究。国外G.Sierra等[11]试验中采用Nd∶YAG激光器对DC04低碳钢和6056-T4、6016-T6铝合金(两者厚度均为1.2mm)进行焊接研究,功率范围是2.25～3.5kW,焊接速度为4～6m/min。焊接时采用两种聚焦透镜:150mm聚焦镜光斑直径为0.45mm,功率密度为1400～1600kW/cm2;200mm聚焦镜光斑直径为0.6mm,功率密度为1100kW/cm2。焊接时采用钢上铝下和铝上钢下对比试验来加深对液态钢、铝间的相互作用机理的理解。焊接前采用计算机优化工艺参数,并得到了焊缝深度与光功率密度之间近似直线的关系。实验结果表明,实验所得焊缝的深度及对应的工艺参数均与模拟值接近。M.J. Torkamany等[12]采用工作在脉冲模式下的Nd∶YAG激光器进行了低碳高强钢ST14和5754铝合金(厚度分别为0.88mm、2mm)的焊接研究。实验中工艺参数:功率为200W,频率为20Hz,焊接速度为5mm/s,离焦量为1.5mm,脉冲峰值功率在1～2.1kW之间变化,脉冲宽度在3.7～10ms之间变化。他们通过实验研究了工艺参数对焊缝界面金属间化合物形成及焊缝成形质量的影响。德国不莱梅激光研究所的Kreimeyer等[13,14]采用大功率CO2激光器、YAG激光器在Ar与He混合作为保护气体的条件下分别对镀锌钢板和铝合金板进行了对接和搭接实验焊接,焊接前用非腐蚀钎剂FLH-2除去试样的氧化膜。研究表明,以高能激光束焊接可降低热输入,减少金属间化合物层的厚度。另外,钎剂中的Zn作为过渡层,增加了铝对钢的润湿性,进一步减小了金属间化合物层厚度。接头具有较高的强度,拉伸实验中接头在铝一侧的热影响区断裂[15,16]。丁健君等[17]采用1kW的YAG激光源,以Ar作为保护气体,在聚焦后光斑直径为6mm且束斑覆盖面积(比例为2∶1)XC18低碳钢多于6056铝合金的条件下进行了两者的搭接焊实验。实验前用“Nocolok flux”钎剂溶于酒精后涂于两试样表面以消除氧化层对钢铝间润湿性的影响。实验结果表明,激光对材料结合部的加热温度允许在铝材与钢材的熔点之间,当加热温度高(可至800℃左右)时,铝熔体对钢表面有较好的润湿性,但过高会抑制湿润性。经能谱(EDS)分析,所得焊缝中的组织以Fe3Al、FeAl、FeAl3和Fe2Al5为主,金属间化合物层中厚30μm处未发现组织裂纹。此外,Hui-Chi Chen等[18]和Shi Yan等[19]对镀锌钢和铝合金进行了激光搭接焊接研究,探讨了不同工艺参数对焊缝成形质量和焊缝缺陷控制的影响。
3.3 钢-铝激光焊接的接头连接形式
激光焊接的接头连接形式较灵活,不受空间尺寸限制。实际生产中,薄板的焊接接头主要设计成搭接(如图3(a)所示)和对接的形式(如图3(b)所示),厚板则采用角接或其他形式。搭接方式结构简单,装配工艺要求不高,但其需要两被焊件重叠一部分,用于车身时会增加汽车自重。对接时两焊接件横截面在待焊部位贴合在一起,可减轻结构采用搭接时重叠部分的质量。王剑等[10]在探讨CO2激光深熔焊缝影响因素时指出,当对接缝隙的宽度较大时,缝隙中的激光能量将损失掉,焊缝深度降低;当缝隙宽小于0.1mm时,对焊接并不造成影响,反而还可以增加焊接深度。最重要的是在焊接镀锌钢板与铝合金时对接结构解决了搭接时夹在两板之间的锌蒸气逸出困难的问题[20]。因锌蒸气的存在与焊缝中气孔有关联[21],故对接可减少焊缝中的气孔,提高焊缝成型质量。
3.4 钢-铝激光焊接焊件表面的处理
焊前对焊件表面的杂质、氧化层、水分的清除可防止其对焊缝造成不良影响。另外,表面处理还可以提高工件表面对激光的吸收。所采取的措施通常是采用化学试剂清洗工件表面、对表面喷丸处理、焊前对焊接件进行预热处理使材料内提前形成温度梯度等。化学清洗试剂用的较多的是丙酮,其次是酒精或酸。清洗的目的是去除焊接件表面的油污、灰尘等,防止其在焊缝中产生夹杂。J.M. Sánchez-Amaya等[22]对5083(厚度为3mm)和6082(厚度为4mm)的铝合金进行激光热传导对接焊接研究,焊前对两结合表面以白刚玉微粒进行喷涂处理、涂黑处理等。结果表明,喷涂是优于其他表面处理的方法,它减少了焊接中Mg的蒸发,提高了焊接接头的耐腐蚀能力。孙福娟等[23]通过实验也论证了焊接前对焊接件表面进行处理的重要性,并指出焊缝中气孔的形成与焊缝吸氢有关。
3.5 钢-铝激光焊接的填料焊接
钢-铝焊激光焊接的一大难题就是焊接过程中Fe、Al反应易生成金属间脆性化合物。针对此问题,大多采用填丝或者填粉的方式进行焊接。激光填粉或填丝焊接是在焊接界面处加入合适的其他元素或者多元合金作为中间过渡层,以改善Fe-Al间元素亲和性不好的缺陷或替换Fe-Al间脆性金属化合物并抑制其生成。此举对提高焊缝质量的作用突出,并且在对接时通过填加钎料的方法可解决制造误差造成两对接面结合不良的问题。Reinhold Braun[24]研究了AA6013铝合金填充Si、Al、Mg合金粉末的激光焊接。实验表明填充恰当比例的二元合金粉末能有效减少热裂纹的扩展、气孔等缺陷,并能增加焊缝的延展性。Ti、Cr、Sr的加入能细化晶粒。过渡金属Cu、Cr过多会使焊接头对硬化裂纹敏感性增强,而Mn、Zr的加入会产生相反的效应。C. Dharmendra[25]对高强钢(DP600)和铝合金(AA6016)进行了以Zn基钎焊丝为填料的激光熔钎焊,获得了成型质量及强度较高的焊缝。
4 结束语
激光焊接技术 篇9
机械总院哈尔滨焊接研究所将大功率固体激光高频振荡焊接技术引入激光-MIG复合堆焊, 攻克多个技术难点, 开发出一种基于光束扫描的铁或镍基材料激光MIG复合堆焊方法, 取得了大功率固体激光焊接工艺方法的重大技术创新;并针对航空航天用高强铝合金、钛合金在工程应用中的构件结构模拟件进行了系统焊接实验, 设计出高强铝合金、钛合金构件基于工程化应用的焊接工艺与装备的优化方案, 成功实现了该技术在航天、军事、民用3个领域的转化应用。
激光焊接技术 篇10
1 激光焊接的原理与优势分析
“激光”是一个很简单的词语, 就是采用强光照射而发生的强光使那些物质获得了能量。激光焊接技术在我国的各行各业之中, 都得到了广泛的应用, 是一个不容忽视的现代技术。激光具备的优势主要表现为:方向性强、纯单色光、光的波长和频率稳定、输出功率大、波峰和波谷有规律。这些优越性可以为汽车焊接的精确度提供技术支持。
2 激光焊接技术在汽车制造方面的应用
2.1 激光焊接技术在汽车制造业的具体运用
在汽车制造行业里, 焊接技术的范围很广, 如激光焊接、MAG、电阻电焊、MIG、TIG、CO2等技术。但由于板料厚度不同, 拼接技术较困难, 一般使用激光焊接技术就会相对容易一些。关于车身整体构造的焊接方面, 例如顶盖与底盘的焊接, 都使用激光焊接技术, 提高整体构造的坚固性, 车体的整体性更强, 降低了生产成本。比如一汽大众企业在车体焊接上采用偏光镜来激发激光内的强光, 里面有一个聚焦的设备, 能发出强大的能量强光, 零件在强光的照射下面立即熔化, 完成焊接工艺。激光焊接技术在全球范围内大面积应用, 例如一汽大众等一些国内著名汽车企业内部改用激光发射的整体焊接技术。一汽大众集团, 他们在车体制造方面, 采用的激光焊接技术包括熔焊与填充焊这两个技术。熔焊不再需要填充焊接材料, 可以直接完成焊接工作。另外激光束的密集程度不同, 又可分为穿透焊与热传导焊等等。穿透焊的技术使焊接材料的熔化更彻底。热传导焊利用热传导产生的高温将焊接材料熔化, 达到焊接的目的。这个技术一般在平板拼焊技术当中应用。一汽大众经过多年的发展, 利用激光焊接的技术已经处于国内的领先地位。
2.2 焊接数值模拟技术与使用
在不少焊接结构零件当中, 传统的焊接工艺存在着许多缺点。例如焊缝接头拥有许多不足的地方, 其中就包括疲劳强度, 材料厚度不均匀等等, 导致抗压能力减弱、焊接变形等问题发生。使用焊接数值模拟技术能够解决变形和力量不均匀的情况。比如, 一汽大众以前在对车底盘的焊接变形的预防中, 需经过反复地检查与测量才能成功, 这种检查具有盲目性和时间的延长性。后来使用数据虚拟科技, 能够快速、便捷地虚拟出焊接计划, 节省了大量的生产成本和时间。鉴于这种焊接数值模拟技术在一汽大众企业成功的运用, 后来推广到很多有名的企业。
2.3 激光焊接技术的应用现状
一汽大众企业是最先使用激光焊接技术的企业之一。大约是90年代的时候, 一汽大众企业就在300多台汽车使用了激光焊接技术, 大多应用在底盘与车体的焊接上面。现在, 一汽大众汽车工厂的激光焊接技术在整个世界上处于较先进的地位上。例如在一汽大众系列的车门焊接方面, 差不多都采用激光焊接技术, 这样做能够减少噪音, 也能促进安全驾驶, 和汽车的稳定性。为了巩固车身的安全性, 一汽大众企业, 采用的就是激光焊接的方法来加固汽车顶盖和侧面车身的焊接, 淘汰了电阻手工焊接的工艺手段。虽然现在激光焊接技术发展的程度已经非常高端了, 可是大多数工作人员在激光焊接技术的研究与发展上, 还是一直在努力的想实现新的突破。发达国家正在研究新的焊接技术, 那就是远程激光焊。激光焊接技术一定会不断的壮大与发展, 在未来, 一定会有一个非常好的局面, 使得汽车企业得到更好的发展。现在, 激光焊接技术的发展, 尤其是特别高级的汽车企业制造里面, 已经得到了广泛的应用。雪福来、奔驰、福特、兰博基尼、大众、雅阁、亚菲特等等大型汽车企业, 都应用了现代激光焊接技术。
3 激光焊接技术的未来发展势头
目前, 在汽车行业的焊接工艺中, 对激光器的选择一般为大功率CO2激光器以及脉冲Z D:Y A G激光器。在未来激光焊接技术的发展中, 激光器的功力将达到千瓦以上的有光纤激光器单光纤、单模光纤。在汽车制造业有贡献的将是二极管阵列激光焊接技术, 利用波长在近红外区域的激光能量进行汽车零件的焊接。另外, 对热能的要求方面, 激光加热和其他热能结合, 实现多重加热的方式, 改善激光单热源激光焊接技术的不足。目前广泛应用在汽车制造业方面的焊接技术的复合热源焊接技术有激光与电弧、等离子弧、感应热源复合焊接、双激光束焊接等技术。另外, 焊接机器人得到了广泛的发展, 行动灵活, 变化多样, 自动化水平高、都是焊接机器人所具备的优点。能完成高难度作业、焊接质量高、机动性良好、按程序执行, 不会出现安全隐患等等。机器人激光焊接无疑是一种非常好的选择。例如在汽车制造业发达的国家, 机器人采用伺服焊钳技术, 实现了焊接时对零件的冲击小、精确度高的理想。
4 结语
现在激光焊接技术在现代各大汽车企业之中已经成了一种必须的技术, 许多著名的汽车企业甚至还有汽车激光焊接的生产线, 激光焊接技术在全世界范围内都得到了广泛的应用。车体本身的质量变得越来越小, 整个车身变得更加流畅, 更加有整体感, 车体的坚固程度也得到了改善, 制造车辆的实际成本降低, 实现汽车企业的可持续发展。现在, 各大汽车企业的巨头广泛关注激光焊接技术的发展, 虽然还有一些弊端, 但激光焊接技术确实是在快速发展着, 为中国汽车的腾飞指明了方向, 开拓了视野。
摘要：冲压、焊接、涂装和总装是汽车制造四大工艺。大部分汽车厂家焊接工艺中手工焊接是非常普遍也很重要的技术手段, 只有国内大型汽车制造公司才大量采用机器人焊接和先进焊接方法。为了减少与汽车制造业发达国家的差距就一定要发展先进的焊接技术, 特别是增强激光焊接技术的水准, 才可以让我国的汽车业在世界上处于优势地位。本文从我国的激光焊接技术及其在汽车方面的运用、发展形式等, 以一汽大众企业为例, 探讨激光焊接技术的发展和应用。
关键词：汽车制造,激光焊接,运用与发展,一汽大众
参考文献
[1]陈根余, 梅丽芳.激光焊接切割在汽车制造中的应用[J].激光与光电子学进展, 2009, 46 (9) :17-23.
[2]杨忠敏.现代汽车生产中的激光焊接技术[J].客车技术与研究, 2008 (3) :45-48.
激光焊接造就完美车身 篇11
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/c m2) , 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, 实施非接触远程焊接, 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有普通激光焊接、激光钎焊、激光远程焊接等。
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AudiA6、AudiA4、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。
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。上海通用新君威的车顶与侧围焊接装置, 采用了4k W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。
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20m m降低到10m m左右) , 从而可以减少车重。在设计连接方式时, 可采用重叠方式和搭接方式两种。从图1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。
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4k W N D∶Y A G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M I G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2所示为激光钎焊的工艺及应用。
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。
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 (见图3) 来对车顶侧围进行夹持, 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。
远程激光焊接
远程激光焊接 (见图4) 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。
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。
C o m a u P i c o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RofinSinar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FiatMarea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, 而采用五台机器人工作站的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。
结语
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。