摘要：在中國(guó)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)注定是一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，提高汽車(chē)制造能力的裝備就顯得猶為重要。車(chē)身制造中所采用的激光掃描焊效率高于點(diǎn)焊和激光焊，通過(guò)可控編程和示教用線(xiàn)性激光的輔助，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。文章介紹了激光掃描焊原理，并示例轎車(chē)采用的激光掃描焊過(guò)程。（注：掃描焊、遠(yuǎn)程焊和飛行焊接指的是同一種激光焊接方法。）
關(guān)鍵詞：激光掃描焊；原理；系統(tǒng)；汽車(chē)；應(yīng)用
1 汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展及激光應(yīng)用
我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)將保持快于全球市場(chǎng)的增速，產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界首位。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，我國(guó)將從汽車(chē)大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)槠?chē)強(qiáng)國(guó)。
激光技術(shù)，是本世紀(jì)最重大的發(fā)明之一，激光在剛誕生不久就被人稱(chēng)為“解決問(wèn)題的工具”，激光技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域具備巨大的市場(chǎng)潛力。
在“柔性制造”方式被大力推廣的今天，汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域面臨著一次變革。汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)正由大批量生產(chǎn)到小批量、多樣化的生產(chǎn)方式過(guò)度，以市場(chǎng)為導(dǎo)向的制造方式逐步普及，“Production Line”正被“Production Station”所取代，激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，能夠迅速適應(yīng)多種材料、多種形狀和尺寸，特別適用于柔性加工，因此激光將在這一變革中發(fā)揮重大作用。
2 激光遠(yuǎn)程焊接的特點(diǎn)
大眾汽車(chē)走在激光遠(yuǎn)程焊技術(shù)應(yīng)用的前列。就在帕薩特汽車(chē)后窗臺(tái)板成功運(yùn)用激光遠(yuǎn)程焊之后，激光掃描焊工藝及其系統(tǒng)在2005年被廣泛應(yīng)用于大眾汽車(chē)公司的系列產(chǎn)品中。從2007年初開(kāi)始，后續(xù)的奧迪A4利用激光掃描焊，每天可生產(chǎn)1800扇車(chē)門(mén)。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部通訊，大眾汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了激光掃描焊系統(tǒng)的光束共享和分化，從而有效提高了激光的利用率。
1）可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦距、大范圍焊接。
實(shí)現(xiàn)500mm以上的激光焊，這是常規(guī)激光焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而又無(wú)法接近的加工件來(lái)說(shuō)，激光遠(yuǎn)程焊給出了完美的答案——相比于燈泵浦激光器25mm.mrad的光束質(zhì)量，激光遠(yuǎn)程焊的碟片激光器可達(dá)到8mm.mrad；激光遠(yuǎn)程焊接可避免焊接過(guò)程中飛濺、煙塵對(duì)激光頭的損傷，有助于延長(zhǎng)使用壽命，從而降低使用成本；
2）激光遠(yuǎn)程焊速度快。
在原機(jī)器手臂的移動(dòng)速度下，還可利用激光頭內(nèi)部振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的高速加工。常規(guī)點(diǎn)焊2s才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)焊點(diǎn)連接，而使用激光遠(yuǎn)程焊，1s就可實(shí)現(xiàn)3~4個(gè)焊點(diǎn)連接。
BMW公司在轎車(chē)某個(gè)部件上比較三種焊接方法所耗時(shí)間，該工件需要焊接的部位達(dá)20多個(gè)（見(jiàn)圖1），統(tǒng)計(jì)時(shí)間如表1所示。
圖1 BMW轎車(chē)某工件焊點(diǎn)分布圖
表1 BMW統(tǒng)計(jì)的三種焊接方法時(shí)間
國(guó)內(nèi)首套激光三維遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)由華工科技旗下華工法利萊與德國(guó)激光裝備知名企業(yè)共同開(kāi)發(fā)完成（如圖2所示）。該系統(tǒng)已應(yīng)用于一汽大眾某高端車(chē)型的制造中。這套焊接系統(tǒng)，最快焊接速度可達(dá)50m/min，完成車(chē)身門(mén)檻上70條焊縫的焊接時(shí)間僅需25秒。
圖2 華工法利萊激光掃描焊系統(tǒng)
3）利用軟件編程焊縫軌跡，可實(shí)現(xiàn)焊接形狀的多樣性。
如C形，○形，直線(xiàn)型等（見(jiàn)圖3）。眾多汽車(chē)廠(chǎng)已經(jīng)驗(yàn)證，C形結(jié)構(gòu)無(wú)論在加工時(shí)間還是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上都優(yōu)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊的圓形焊點(diǎn)，同時(shí)激光遠(yuǎn)程焊還可利用此特點(diǎn)在工件表面標(biāo)識(shí)8個(gè)字符的ID，以便記錄和追蹤。
圖3 激光掃描焊接系統(tǒng)軌跡
4）相對(duì)于點(diǎn)焊，激光遠(yuǎn)程焊熱輸入小、焊接變形小。
對(duì)于超過(guò)1000Mpa的高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度越高，對(duì)熱輸入量越敏感，激光遠(yuǎn)程焊比點(diǎn)焊和MIG焊的熱輸入小，是焊接高強(qiáng)鋼的首選。
3 激光遠(yuǎn)程焊應(yīng)用于汽車(chē)
由于傳統(tǒng)激光焊接系統(tǒng)在焊接位置之間移動(dòng)的速度相對(duì)較低，在實(shí)際生產(chǎn)中很難達(dá)到大批量生產(chǎn)要求，這一缺點(diǎn)在焊點(diǎn)分布多的復(fù)雜三維零件上（如車(chē)門(mén)）顯得尤為突出。
高光束質(zhì)量高功率新型盤(pán)形激光器和光纖激光器的應(yīng)用推廣，為激光遠(yuǎn)程焊接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ)，如今遠(yuǎn)程激光焊接正在成為替代傳統(tǒng)汽車(chē)白車(chē)身電阻點(diǎn)焊的一種手段。
3.1 激光遠(yuǎn)程焊的原理介紹
掃描焊、遠(yuǎn)程焊和飛行焊接指的是同一種激光焊接方法，激光掃描頭可以從500mm以外的位置進(jìn)行激光焊接，通過(guò)內(nèi)部振鏡（圖1中1、2）的運(yùn)動(dòng)，在不移動(dòng)激光頭的情況下，可以進(jìn)行類(lèi)似光掃描的焊接，此種焊接方式速度快，移動(dòng)位置精準(zhǔn)度高，通常使用機(jī)器人來(lái)控制激光掃描頭的移動(dòng)軌跡，結(jié)合掃描頭本身的高速焊接及外在空間上的凌空感，人們又將它取名為“飛行焊接”。此種焊接方式在每個(gè)光場(chǎng)面內(nèi)移動(dòng)速度快，僅在兩個(gè)光場(chǎng)間需要時(shí)間來(lái)調(diào)整振鏡角度，以準(zhǔn)備下一個(gè)光場(chǎng)面的焊接，因此激光掃描焊對(duì)于多點(diǎn)位置的短距離焊接有固有的優(yōu)越性。
圖4 激光掃描焊光路圖
3.2 激光遠(yuǎn)程焊的接頭形式
激光遠(yuǎn)程焊的主要接頭形式有搭接、不等厚搭接、對(duì)接三種，如圖5所示。相對(duì)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊，激光掃描焊的接頭形式需重新設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6所示。
圖5 激光遠(yuǎn)程焊的接頭型式
圖6 激光掃描焊接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3 激光遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)
激光遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)的組成如圖7所示（其主要特性見(jiàn)表2），與傳統(tǒng)的激光焊接設(shè)備相比，差異主要體現(xiàn)在激光頭上。激光遠(yuǎn)程焊焦距可達(dá)212mm，工作區(qū)域可達(dá)10010040mm（Z向40mm），在x/y向的定位時(shí)間小于0.01s，在Z向的定位時(shí)間小于0.1s。通過(guò)可編程系統(tǒng)（圖8）及示教用線(xiàn)性激光（圖9）的輔助，可實(shí)現(xiàn)激光掃描焊的軌跡模擬和優(yōu)化。
圖7 激光掃描焊接系統(tǒng)（帶氣刀）
表2 激光掃描焊系統(tǒng)特性
圖8 掃描焊可編程聚焦控制系統(tǒng)
圖9 示教用線(xiàn)性激光
3.4 激光掃描焊應(yīng)用于汽車(chē)的過(guò)程
掃描焊應(yīng)用于汽車(chē)，主要包括座椅（框架、滑道、面板）、白車(chē)身（車(chē)門(mén)、懸掛件、邊墻、柱子、后窗臺(tái)板）、內(nèi)飾等。圖10所示為汽車(chē)車(chē)門(mén)焊接，邊框采用短直線(xiàn)形焊縫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用C形焊縫。
圖10 激光遠(yuǎn)程焊接門(mén)板（采用C形和直線(xiàn)型）
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