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激光复合焊技术在大众和奥迪汽车生产中的应用

2009-03-06 09:42
小伊琳
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        光焊与电弧焊是两种不同的焊接工艺,很早就在生产中得到了广泛应用。Fronius公司开发的laserHybrid激光复合焊技术是将这两种焊接技术有机的结合起来,从而获得了优良的综合性能,在改善轿车焊接质量和生产工艺性的同时,提高了效率/成本比。另外laserHybrid工艺还具有更好的间隙容忍性、高的焊接速度以及非常好的机械/技术性能,因而对汽车工业来说具有极大吸引力和经济效益。

  激光-MIG复合焊工艺

  激光焊不仅需要很好的激光源,而且需要质量很高的激光束,以确保能够获得期望的熔深。高质量的激光束可以实现更小的焦点或更大的焦距。当前一般采用功率为4kW的钕YAG激光器,激光通过直径为600微米的光纤实现传输到工件上。钕YAG激光器焊接金属时的激光束强度可达106W/cm2,当激光到达材料的表面时,该点的温度迅速升高到挥发温度,并形成挥发孔,焊缝最明显的特征是具有很高的深宽比。激光焊的热影响区非常窄,焊缝的深宽比很高,具有高的焊接速度,但由于焦点直径很小,所以焊缝桥联能力很差。

  而电弧焊则是通过弧柱传输能量,MIG电弧燃烧的能量密度稍高于104W/cm2。电弧焊的特点在于电源成本低,焊缝桥联性好,易于通过填充金属改善焊缝结构。但电弧焊的能量密度比较低,加热面积较大,焊接速度相对较低。

  laserHybrid激光复合焊技术并不是将激光和MIG电弧焊两种焊接方法依次作用,而是两种焊接方法同时作用于焊接区。除了电弧向焊接区输入能量外,激光也向焊缝金属输入热量。

  开始焊接时需解决表面反射问题,尤其是铝合金,这时需采用特殊的开始程序。当工件表面达到挥发温度时,就形成了挥发孔,这样几乎所有的能量都可以传到工件上。焊接所需要的能量由随温度变化的表面吸收率和工件传导损失的能量来决定。在激光-MIG焊时,挥发不仅发生在工件的表面,同时也发生在填充焊丝上,使得更多的金属挥发,从而使激光的能量传输更加容易。

  激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊的性能,激光复合焊提高了熔深和焊接速度。焊接过程中金属蒸汽会挥发,并且反作用于等离子区。等离子区对激光有轻微吸收,但可以忽略不计。整个焊接过程的特性取决于选择的激光和电弧输入能量的比例。

  一体化LaserHybrid的优点

  焊接效果

  激光-MIG焊采用激光束和电弧共同工作,焊接速度高,焊接过程稳定,热效率高以及允许更大的焊接装配间隙。激光-MIG复合焊的熔池比MIG 焊的要小,热输入低,热影响区小,工件变形小,大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。激光-MIG复合焊接,会产生两个独立的熔池,而后面的电弧输入的热量同时起到了焊后回火处理的作用(尤其是在焊接钢时)。

  经济性

  激光束焊的特点在于熔深大,焊接速度高,热输入低,焊缝窄,但焊更厚的材料需要更大激光电源。复合焊比激光焊更加经济。激光-MIG复合焊的焊缝是由激光和MIG焊共同形成的,降低了所需激光束的能量,从而大大降低了激光器的功率。因为激光器的效率仅为3%,因而作用在工件上的激光束能量每降低 1kW,则在激光器上降低的能耗就接近35kVA。在欧洲,每增加1kW的激光功率大约需要10万欧元,如果能用3kW的激光器代替4kW的激光器,投资就可以节省10万欧元。当然,还要考虑到增加MIG焊电源和激光焊头所需的费用4万欧元。

  由于激光-MIG焊的焊接速度非常高,因此可以降低生产时间和生产成本。激光-MIG复合焊可焊接1~4mm的铝、钢和不锈钢。钢和不锈钢的熔透焊接最大厚度只能达到5mm。对于镀锌板,可使用其方法之一:激光热丝钎焊。

  LaserHybrid在大众汽车上的应用

  对汽车来说,要求车身结构具有高的强度,车门能满足高速行驶要求。大众汽车公司要求焊接结构件尽量采用激光焊。因此,激光-MIG复合焊是一项完美加工方法,大众的概念车Phaeton D1所有车门都采用激光-MIG复合焊。车门可使用低密度复合铝板、铸件和冷轧材料,代替厚而重的铝铸件,对装配间隙要求低,在保证了高坚固性能同时还满足了重量轻的要求,并且在汽车开动时保持噪音最低。

  在汽车中有许多像铝板与铝铸件这样的搭接接头,由于采用的AA6XXX母材具有热裂的倾向,因而都要求采用激光焊,而单纯使用激光+冷丝焊工艺,焊丝的熔化就会消耗了大部份的激光能量。采用激光-MIG复合焊,激光提高了焊接速度(焊速4.2 m/min),MIG焊增大焊缝的熔池,因而与单用激光焊相比能满足更大焊接间隙。

  激光焊时,焊缝表面会产生凹陷,而且熔深很小,焊道窄,抗拉强度低。激光-MIG复合焊时,更多的材料熔入熔池,无表面凹陷产生,节省了熔化焊丝所需的激光能量,这部分能量被用于增加母材的熔深和焊道的宽度,而这恰恰是好的机械性能所必需的。

  假如用激光焊(填丝)焊接工件,这需要夹紧工装以保证所需的装配间隙,而增加工装就存在焊接可达性问题,因此需要更小尺寸的焊头。而用LaserHybrid典型的焊接规范是:2.8m/min焊接速度,4000W的激光源,填丝速度6.6m/min。

  激光-MIG复合焊也可焊接其它类型的接头,尤其是角接接头、搭接接头、对接接头。

  Fronius复合焊头几何尺寸小,确保能够有很好的焊接可达性,尤其是在焊接车身时。此外,焊头具有良好的可拆卸性,便于安装到机器人上,以及在焊接过程中焦距和焊炬具有可调功能,调整精度为0.1mm。焊接过程中的飞溅会污染激光头的防护玻璃,为了保护激光系统,在方形玻璃片的两边都喷涂了一层防反射材料。

  随着玻璃片的污染程度的增加,会导致作用在工件上的激光能量逐渐减少,甚至可能降低90%,导致防护玻璃片的失效,大部分激光被玻璃片本身所吸收,并且产生热应力。焊头装有水冷的喷嘴和枪头,负载率为250A 100%。

  这种焊头可实现四种焊接方法:1)激光-MIG复合焊;2)激光焊(不填丝);3)MIG/MAG焊;4)激光热丝钎焊(尤其适合镀锌板)。因此,在一个车门上,laserHybrid系统可全部完成所有焊缝的焊接,即可实现MIG焊、激光焊、激光-MIG复合焊,而无需更换设备。这里顺便提一下热丝激光钎焊,它也是采用MIG焊电源预热填充焊丝(不是熔化焊丝),同激光-MIG复合焊的区别只是增加了一套软件。

  结论

  激光-MIG复合焊技术为汽车工业提供了一种全新的焊接技术,尤其是对于激光束焊无法实现或在经济上不可行的装配间隙较宽的焊接。它具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少投资成本、缩短了生产时间、节约了生产成本和提高生产率,具有更强的竞争力。

  激光-MIG复合焊也提供了一种全新的焊铝工艺。当然这也得益于高效率的YAG激光器问世,保证了焊接过程的稳定,从而使此技术在实践中得以应用。Fronius公司对复合焊技术已经进行了大量的基础研究。大量的研究表明,将两种不同的焊接方法融合在一起是可行的,而且可以获得更为良好的综合性能,复合焊同时也提高了对各种材料和结构的可焊性、焊接性能以及焊接的可靠性。这在大众汽车公司铝合金车(Phaeton D1,AUDI A8)的焊接中得到了应用验证。另外可通过调整不同的焊接参数,获得满足不同焊接需要。如可影响焊缝的形状和结构组成,通过增加填充金属可以提高焊缝的桥联性,增加焊缝的宽度,减少了焊前的准备工作。此外,激光-MIG复合焊大幅提高了焊接效率,并在投资成本上比激光焊要低,焊接可达性更高,焊接接头适用性更广。激光复合焊还可应用在轨道机车车辆、容器、轮轴等方面。
 

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