激光焊接在汽车行业上的运用_.docx

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激光焊接在汽车行业上的运用

摘要

汽车已经成为现代最主要的交通工具，现代汽车不仅要求性能实用，还要求经济美观，其中汽车焊接是将各种预先制作好的结构零部件，例如风挡玻璃框架、门立柱、前后翼子板、前后围板和车顶等零部件通过焊接或铆接的方式进行组合装配，采用良好的焊接技术工艺可以有效的减少焊点数量、优化材料用量、降低零件重量、降低成本等。

激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊，接的目的。

在汽车工业中，汽车激光焊接是一种新型的焊接方式，可以进行车身拼焊、焊接和零件焊接等等。

激光焊接有焊接深宽比高，焊缝平整美观，焊后无需处理或只需简单处理，无气孔，可精确控制，定位精度高，易实现自动化等优点，因而汽车激光焊接在汽车行业的发展迅速，成为发展最快的焊接技术之一。

关键词汽车焊接激光焊接

一、汽车焊接基本种类及问题

汽车工业中，焊接是汽车零部件与车身制造中的一个关键环节，起着承上启下的特殊作用，同时，汽车产品的车型众多、成形结构复杂、零部件生产专业化、标准化以及汽车制造在质量、效率和成本等方面的综合要求，都决定了汽车焊接加工是一个多学科、跨领域和技术集成性强的生产过程。

在目前汽车零部件及白车身的制造中，主要的焊接方法有电弧焊、电阻点焊、气体保护焊等等。

就三种主要焊接方法进行优劣分析：

1.电弧焊

电弧焊是焊接发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。

它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。

涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。

手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。

可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。

手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。

缺点是劳动条件差。

焊工的劳动强度大，并且始终处于高温烘烤和有毒的烟尘环境中，劳动条件比较差，因此要加强劳动保护。

生产效率低。

焊条电弧焊主要靠手工操作，并且焊接工艺参数选择范围较小，另外，焊接时要经常更换焊条，并要经常进行焊道熔渣的清理，与自动焊相比，焊接生产率低。

不适于特殊金属以及薄板的焊接。

对于活泼金属（如Ti、Nb、Zr等）和难熔金属（如Ta、Mo等），由于这些金属对氧的污染非常敏感，焊条的保护作用不足以防止这些金属氧化，保护效果不够好，焊接质量达不到要成，所以不能采用焊条电弧焊。

2．电阻焊

　　电阻焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，目前广泛应用于汽车制造中。

　在点焊过程中，影响焊点质量的因素有：

焊接电流、焊接压力、电极的端面形状、穿过电极的铁磁性物质及分流等。

特别在阻焊设备较多的焊接车间，同时工作的焊机相互感应，对电网产生影响，导致焊接质量的稳定性和一致性较差。

因此，电阻点焊控制技术显得尤为重要。

目前，控制模式已由单模式控制发展为多模式控制，调节参量已由初始的单变量调节发展为多变量调节，在焊接过程中可同时对焊接电流、焊接时间和焊接压力进行调节。

　　3.气体保护焊

　　用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊。

CO2气体保护焊作为一种高效的焊接方法，以其焊接变形小和焊接成本低的特点，在我国汽车业获得了广泛的运用。

但CO2气体保护焊在实际应用中还存在一些问题：

以CO2气保焊中应用最为广泛的短路过渡形式为例，电弧电压、焊接电流或焊接回路电感匹配不当，或焊丝干伸长度不合适，都可能造成焊接电弧不稳定、飞溅以及未焊透等，对焊缝成形、焊缝的机械性能有较大影响。

另外，短路过渡焊接时对焊接电源的动特性要求很高。

如果选型错误，稳定焊接电弧的参数范围狭窄，会影响焊接的质量。

二、激光焊接简介

1、激光焊接的原理

激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。

它是一种新型的焊接方式，激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

2、焊接特性

焊接特性属于熔融焊接，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。

激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。

激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化，填料金属偶有使用。

激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊，实现大熔深焊接，同时热输入量比MIG焊大为减小。

3、激光焊接的主要优点

（1）可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。

（2）32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格，可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。

（3）不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。

且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低。

（4）激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。

（5）工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）。

（6）激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。

（7）可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。

（8）易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。

（9）焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。

（10）不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。

（11）可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。

（12）不需真空，亦不需做X射线防护。

（13）若以穿孔式焊接，焊道深一宽比可达10:

1。

三、汽车激光焊接原理

1、激光焊接的工艺特点

按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：

热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。

这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。

后者激光动车密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。

小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图1）。

这种焊接模式熔深大，深宽比也大。

在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。

深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。

等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。

并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。

通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。

小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。

由于经聚焦后的激光束光斑小（0.1～0.3mm），功率密度高，比电弧焊（5×102～104W/cm2）高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：

加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。

激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。

激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。

2、激光焊接设备

激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。

（1）激光器

用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。

激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。

从这两方面考虑，CO2激光器比YAG激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在1.5～6kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。

而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，用于薄小零件的微联接。

但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投入市场。

由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化。

可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。

（2）导光和聚焦系统

导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能。

这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。

在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应（透镜受热膨胀焦距缩短）；表面污染也会增加传输损耗。

所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。

（3）激光焊接机

它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种。

后者常采用数控系统，有直角坐标二维、三维焊接机或关节型激光焊接机器人。

四、激光焊接在汽车行业中的应用

采用激光焊接可以给汽车制造业带来巨大的经济效益，如车身装配中的大量点焊，把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，凸缘宽度需要16mm，而激光焊接是单边焊接，只需要5mm，把点焊该为激光焊，每辆车就可以节省钢材40kg。

用传统点焊焊接两片0.8mm的钢板冲压件，平均是20点/min，焊距是25mm，即速度为0.5m/min，用激光焊速度可以达到5m/min以上。

采用激光焊接技术，不仅降低成本，还大大提高了生产效率。

目前，一套千瓦级的激光加工机器人系统只要几十万美元，新型激光器的安全性和可靠性也得到了保证，其故障停机率仅2%，防护措施也极为可靠。

激光焊接时需要工件接触面紧密吻合，这在工艺上是不容易实现的，但目前先进的夹持方法和适合激光焊接的凸缘设计使这一问题得到了解决，激光焊接技术的逐渐成熟使得各大汽车厂商无一例外的将激光焊接应用到了汽车生产线上。

美国是最早将高功率激光器引入汽车工业的，在美国汽车工业中心底特律地区有40余家激光加工站，用于汽车金属件的切割和齿轮的焊接，使汽车的改型从5年缩短到2年。

美国通用汽车公司已经采用22条激光加工生产线，美国福特汽车公司采用Nd:

YAG激光器结合工业机器人焊接轿车车体，极大地降低了制造成本，2000年美国三大汽车公司已经有50%的电阻点焊生产线被激光焊生产线所取代。

在日本，激光焊接在生产线上成功的应用为世界所瞩目，如在汽车车体制造中采用将薄钢板实施激光焊接后冲压成型的新方法，现在已为世界上大多数汽车厂家所仿效。

世界上很多著名汽车公司都建有专门的激光焊接专用生产线：

Thyssen钢铁公司的轿车底板拼焊生产线，大众汽车厂的齿轮激光加工生产线，奔驰汽车厂的18个厂房里有8个厂房安装了激光加工设备。

激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊接和拼接坯板焊接上。

为满足市场和客户的需求，改善车身和制造工艺是十分必要的，而汽车的车身价值约占汽车总价值的1/5，采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳性都可以得到显著改善，提高汽车的品质。

激光焊接由于采用计算机控制，所以具有较强的灵活性和机动性，可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件的焊接，也可以完成车顶和侧围，发动机架和散热器架等部件的装配，如