激光焊接作為一種高效精密的焊接方式,相比傳統(tǒng)的焊接工藝,具有單位熱輸入量少、熱變形小、焊縫深寬比大、焊接速度高、焊縫強度普遍高于母材等優(yōu)點,廣泛應用于航天、汽車等工業(yè)領域。
圖1
隨著激光焊接技術和自動控制技術、機器人技術的結合,現(xiàn)已廣泛地用于車身底板、側(cè)圍車架、車頂、車門及車身總成等部分和車身大型覆蓋件的焊裝中,成為車身裝配時的主要工藝手段。
北京奔馳引進戴姆勒奔馳先進激光焊接技術對側(cè)圍、后圍、車門、前縱梁總成、后備箱蓋等進行焊接加工。在此以北京奔馳為背景，介紹激光焊接技術，并對比激光焊接技術與其他焊接技術的優(yōu)缺點。
1、激光焊接系統(tǒng)組成
激光焊接系統(tǒng)主要由激光源、激光工作頭、冷卻系統(tǒng)、激光房、機器人、PLC、送絲系統(tǒng)、激光焊接質(zhì)量檢測單元及激光功率檢測等組成。
(1)激光源。激光源即激光發(fā)生器,是激光焊接系統(tǒng)的熱源供應。從1960 年第一臺紅寶石激光器問世以來,現(xiàn)在市場上已經(jīng)有多種激光發(fā)生器,且光束質(zhì)量也得到不斷提高,為激光加工技術的發(fā)展奠定了基礎。
(2)激光工作頭。激光工作頭是指激光加工工具,不同的激光加工工藝對應不同的激光加工工具。
(3)冷卻系統(tǒng)。由于激光的發(fā)生無法避免散發(fā)大量熱量,為保證激光源正常工作,需要使用冷卻系統(tǒng)來保證激光源溫度恒定。
(4)激光房。激光對眼睛與皮膚傷害較大,因此激光焊接需要在一個密閉空間激光房里進行,并搭建完整有效的安全機制。激光房內(nèi)安裝有監(jiān)控系統(tǒng),用于監(jiān)控激光焊接設備工作狀態(tài)。
(5)機器人。機器人作為焊接工作的執(zhí)行裝置,與激光工作頭、激光源等其他設備通訊,控制、配合下屬設備完成焊接工作。
(6)PLC。它是工作站的總指揮官,控制工裝夾具、各種信號、工作順序等。
(7)送絲系統(tǒng)。激光熔絲焊接需要送絲系統(tǒng),一般送絲系統(tǒng)由控制單元、絲桶、主送絲管、伺服驅(qū)動單元組成。
(8)激光焊質(zhì)量檢測系統(tǒng)。可高效檢測激光焊焊接質(zhì)量,分為在線檢測及離線檢測。在線檢測系統(tǒng)是指在激光焊焊接過程中進行的檢測,一般檢測焊接強度或記錄焊接過程中焊接錄像及各參數(shù)變動。離線檢測一般用于檢測焊縫外觀焊接質(zhì)量。
(9)激光功率檢測系統(tǒng)(PMM)。用于測量激光功率大小。激光工作頭上安裝有壓縮空氣噴氣口來減少在激光焊接過程中飛濺、焊塵等在保護鏡片上的附著,但長期工作無法避免保護鏡片的污染。
保護鏡片的污染會降低激光出光功率,影響焊接質(zhì)量,甚至燒毀保護鏡片。北京奔馳采用的激光功率測量系統(tǒng),每加工一定數(shù)量的工件測量一次功率,提醒工作人員及時檢查更換保護鏡片。
(10)壓縮空氣單元。一般激光焊接頭都會配有壓縮空氣吹氣裝置,以減少焊塵對鏡片的附著。
2、常用的激光焊接技術及應用
白車身上常用的激光焊接技術有激光飛行焊、激光釬焊、激光熔焊。
2.1 激光飛行焊
激光飛行焊即激光機器人的掃描焊接,機器人攜帶的激光工作頭通過振鏡高速掃描,在不接觸工件的情況下完成高速焊接。
在汽車白車身裝焊車間,激光飛行焊常用于連接兩搭接板。與傳統(tǒng)電阻焊相比,激光飛行焊具有工件變形小、減輕車身質(zhì)量、速度快、強度高、節(jié)省耗材、設備穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
2005 年大眾公司進行的激光焊接技術在
帕薩特(參數(shù)|圖片)轎車的大批量生產(chǎn)過程中的應用顯示,與傳統(tǒng)的電阻焊相比,激光焊接每個焊點的生產(chǎn)成本節(jié)省了30%~50%。激光飛行焊工作過程不接觸工件,因此設備故障率及設備備件更換率很低,工作穩(wěn)定，這就意味著設備完成安裝調(diào)試后的后期投入很小。
以北京奔馳
C級(參數(shù)|圖片)車的生產(chǎn)廠為例,比較自動電阻點焊及激光飛行焊接的優(yōu)缺點。
北京奔馳激光飛行焊主要用于側(cè)圍、后圍、車門、底盤前縱梁總成的焊接。C級車焊裝生產(chǎn)車間飛行焊接設備兩套,主要用于底盤前縱梁的焊接及的焊接。
表1 電阻點焊與激光飛行焊工藝對比
北京奔馳C級車裝焊生產(chǎn)車間2015 年第三季度(7~9 月)備件使用情況分析。由于激光飛行焊接與電阻點焊設備數(shù)量不同,為平行對比兩種技術的備件消耗,以平均每10 000 個焊點的備件消耗進行比較。該備件消耗的計算為
式中va為平均每10 000 個焊點所需的備件消耗(單位:元/萬點);V為季度備件消耗總價值(單位:元);P為季度日產(chǎn)量(單位:件/天);a為平均每把焊槍在每個件上的焊點數(shù)(單位:點);n為設備數(shù)量(單位:臺);d為季度生產(chǎn)總天數(shù)(單位:天)。
表2 電阻點焊、激光飛行焊備件消耗對比
由表1、表2的分析得出:
(1)時間效益比較
雖然激光飛行焊需要焊前工藝(激光打點,以保證焊接時兩板件間隙,便于鋅蒸汽溢出),但焊接速度上激光飛行焊焊幾乎是電阻點焊的10 倍;工藝上,電阻點焊每250 個焊點就要進行一次修磨以保證焊接質(zhì)量,而激光飛行焊每3 000 點甚至可以更長時間檢測一次功率,耗時工藝頻率上激光飛行焊遠不及電阻點焊的1/10;耗材與備件更換頻率上,從表1 和表2 可知,激光飛行焊遠小于電阻點焊;因此,從時間效益上講,電阻點焊的時間效益遠遠低于激光飛行焊的時間效益。
(2)經(jīng)濟效益比較
電阻點焊耗材及備件消耗遠遠大于激光飛行焊。雖然激光飛行焊在項目搭建時花費較高,但從長期使用的角度講,激光飛行焊的總體經(jīng)濟成本也低于點焊。
(3)焊縫形狀與焊縫質(zhì)量比較
激光飛行焊焊縫形貌可以根據(jù)工藝要求靈活設計,北京奔馳常用的激光飛行焊焊縫為C型焊縫或一字形焊縫,如圖2 所示。
圖2 激光飛行焊焊縫
激光飛行焊接熔深大,焊縫強度高,且焊接熱變形小,常用于車門、頂蓋等外觀件的加工,及前縱梁輪轂總成等需要高強度焊接的零件加工。
(4)自動化智能化角度比較
激光飛行焊焊接時,機器人與焊點的位置關系沒有嚴格要求,只要所有焊點在機器人軌跡掃描范圍之內(nèi)即可,機器人軌跡平順,不需像電阻點焊那樣機器人軌跡需要隨著焊點位置扭轉(zhuǎn),具有極強的焊接靈活性。另外焊縫形狀可以靈活設計,加之完整可靠的質(zhì)量檢測系統(tǒng)等,使激光飛行焊成為具有高度智能化的焊接方式。
總之,激光飛行焊經(jīng)濟效益高、時間效益高、焊縫質(zhì)量高、設備穩(wěn)定性好、自動化智能化程度高。激光飛行焊已成為一項成熟的技術,具有良好的的應用前景。
2.2 激光填絲熔焊和激光釬焊
激光填絲熔焊和激光釬焊都是以激光為能量源熔化焊絲,從而連接兩板件的焊接方式。
它們的不同之處除了填絲用料不同之外,填絲熔焊熔化母材而激光釬焊只熔化焊絲,這就決定了釬焊焊縫強度低于母材,而填絲焊焊縫強度大于等于母材。
對于激光釬焊及激光填絲熔焊,北京奔馳使用的激光焊接頭均為SCANSONIC公司提供的ALO3。在北京奔馳裝焊車間,激光填絲熔焊主要用于加轎車工前縱梁總成,激光釬焊主要用于加工轎車尾門。
激光熔絲焊接與傳統(tǒng)的電弧焊接相比,焊縫質(zhì)量高、焊接速度快、焊接變形小等優(yōu)點。但隨著電弧焊的發(fā)展創(chuàng)新,電弧焊的性能比起傳統(tǒng)電弧焊也高出了很多,如冷金屬過渡(CMT),很大程度地提高了電弧焊性能。
下面將分別對比以Fronius公司為代表研發(fā)的CMT電弧焊、CMT釬焊+與激光填絲熔焊、激光釬焊的工藝及性能,如表3、表4 所示。
表3 激光填絲熔焊及CMT電弧焊工藝及性能對比
由表3可知,激光填絲熔焊相對于CMT電弧焊主要優(yōu)勢在于焊縫質(zhì)量好、焊接速度快。
圖3 激光填絲熔焊焊縫及CMT電弧焊焊縫
圖3a為CMT電弧焊焊縫,可以看出,焊縫熱影響區(qū)較大,焊縫凸出;圖3b為激光填絲焊焊縫,熱影響區(qū)較小,焊縫平順。
因此激光填絲熔焊適用于質(zhì)量要求高、線速要求快的零件焊接。然而激光填絲焊前期成本高、耗材消耗大。以北京奔馳激光填絲熔焊為例,一般焊接功率5~6 k W,因此耗材消耗較大,主要消耗為保護鏡片及送絲機構耗材,保護鏡片平均每焊接300 m就要更換一次保護鏡片。
表4 激光釬焊及CMT釬焊+工藝及性能對比
由表4 可知,激光釬焊相對于CMT釬焊+焊接速度相當,主要優(yōu)勢在于焊接變形量小、鍍鋅層燒蝕程度小。激光釬焊焊縫和CMT釬焊+焊縫如圖4所示。
圖4 激光釬焊焊縫及CMT釬焊+焊縫
設備穩(wěn)定性方面,激光填絲熔焊及激光釬焊的工作頭穩(wěn)定性遜色于電弧焊工作頭。
由于激光熔絲焊接時,激光需要準確打到焊絲上,即做到激光工作斑點與焊絲尖端重合。
目前激光熔絲焊接工作頭都設計有調(diào)節(jié)焊絲絲嘴位置模塊以達到此目標,但也無法避免長期工作過程中絲嘴位置的移動。
以北京奔馳裝焊車間為例,ALO3 設備40%以上停機是由絲嘴位置移動引起的。
目前Procitec、Scansonic等公司已經(jīng)開始研發(fā)新一代的激光熔絲焊工作頭以解決此問題。
由上述可知,激光熔絲焊技術發(fā)展取得一定成果,但在成本方面有待于進一步降低,設備穩(wěn)定性方面需要進一步提高。
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