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激光焊接技术在一汽大众迈腾车身制造中的应用

2009-05-19 10:44
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【摘要】激光熔焊和激光复合焊接技术的发展以及大功率激光器的出现,使得激光焊接技术进入了长期以来一直被传统焊接技术所垄断的汽车车身制造领域,使其在汽车车身的制造过程中得到了极为广泛的应用。

      激光熔焊及激光复合焊接技术以其较高的焊接速度、连接质量和高速焊接时电弧的稳定性,大大提高了激光焊接技术在车身制造领域的应用。

    大众迈腾车身激光焊缝总长度达42m,激光焊接使车身的前撞、后撞、侧撞都能做到吸收能量。高强钢的激光焊接工艺,使车身受撞击时的能量承载到超高强度热成形钢板上,使车身强度得到大幅度提高。

    1. 概述

    从20世纪80年代开始,激光焊接技术开始运用于汽车车身制造领域,主要是应用于激光焊接车身。激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束,使工件在瞬间熔化,从而实现焊接过程。激光焊接设备使用的激光器主要有两大类:一类是固体激光器,又称Nd∶YAG激光器,主要优点是产生的光束可以通过光纤传送。汽车工业常用输出功率为3~4kW的Nd∶YAG激光器;另一类是CO2激光器,分子气体作工作介质,可以连续工作并输出很高的功率,标准激光功率在2~5kW之间。

    目前,车身焊接主要有电阻点焊、MIG和MAG焊等方式。汽车制造过程中,激光技术主要用于车身不等厚板的拼焊和车身焊接。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧围的焊接,在一汽大众,传统的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。激光焊接运用于汽车,可以降低车身重量并达到省油的目的;提高车身的装配精度,使车身的刚度提升30%从而提高了车身的安全性;降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本,减少车身零件的数目并提高车身一体化程度。

    在开发激光焊接新技术方面,激光技术在车身制造过程中的发展经历了不等厚钢板激光拼接技术、车身激光焊接技术和激光复合焊接技术的发展历程。与单一的激光熔焊技术相比,激光复合焊接技术具有显著的优点:高速焊接时电弧较高的稳定性、更大的熔深,较大缝隙的焊连能力、焊缝的韧性更好,通过焊丝可以影响焊缝组织结构,以及无焊缝背面下垂现象等。

    目前一汽大众公司在Audi C6、Golf A6、宝来、速腾、迈腾、Model X等几乎所有品牌的车型制造过程中,均不同程度地采用激光切割、激光熔化焊接和激光复合焊接等先进的制造技术(见下表)。

    2. 激光焊原理

    激光焊采用激光作为焊接热源,机器人作为运动系统。激光热源的优势在于,它有着极高的加热能力,能把大量的能量集中在很小的焊接点上,所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快和焊接变形小等特点,可实现薄板的快速连接。

    当激光光斑上的功率密度足够大时(>106W/cm2),金属在激光的照射下迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高至沸点,金属发生气化。金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池的表面,产生一个附加应力反作用于熔化的金属,使其向下凹陷,在激光斑下产生一个小凸坑。随着加热过程的进行,激光可以直接射入坑底,形成一个细长的“小孔”。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续深入。光斑功率密度很大时,所产生的小孔将不再继续深入。光斑密度很大时,所产生的小孔将贯穿于整个板厚,形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化,绕过小孔流向后方,重新凝固形成焊缝(见图1)。

    (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。从这两方向考虑,CO2激光器比YAG激光器具有更大优势,是目前深熔焊接主要采用的激光器。一汽大众在汽车制造过程中应用的大多数光源功率在4000W左右。

    (2)光导和聚焦系统   光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤及聚焦镜等组成,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,产生热透镜效应,同时表面污染也会增加传输损耗。

    (3)焊接机器人    由于激光熔焊、激光-MIG复合焊接技术方法的不同以及焊接接头形式的不同,所以对焊接接头的装配精度要求也不同。
搭接焊缝的激光熔焊和角焊缝的激光钎焊可以采用普通的焊接机器人。对于对接焊缝的激光钎焊和激光焊必须采用区别于常规机器人的绞臂式焊接机器人,通常设计焊缝自动跟踪矫正系统。

    (4)焊接夹具    可以保证激光焊接时所连接板材或总成的精确定位,保证焊缝间隙,防止焊接变形,从而提高激光焊接接头的质量。

    (5)激光焊接控制系统  控制系统主要包括焊接过程的视频监视系统、机器人的焊缝自动跟踪系统和矫正系统、送丝控制系统等。对于不同的激光焊接方式,控制系统的组成也有所相同。激光熔焊无需送丝系统、焊缝自动跟踪系统和运行轨迹矫正系统。对于激光切割技术,往往还需要与激光在线检测系统协同使用。图2为激光-MIG复合焊接系统的设备组成,它需要匹配送丝系统。

    4. 迈腾激光焊接技术的特点

    迈腾的激光焊缝长达42m,保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。速腾的激光焊接主要是在车身的顶盖和侧围的连接、底板不等厚板的拼接、车门内板不等厚板的拼接、底板与侧围、后围板、前后风窗口以及门框等连接处。在外观上,采用激光复合钎焊的车顶只有一条细致平滑的焊缝,直接作为外表面而增加了车身的流线视觉效果。而采用传统点焊工艺的车顶则有两条橡胶密封条。

    (1)迈腾车身激光切割技术的特点  用激光将不同厚度、不同材质、不同或相同性能的几块薄板拼焊起来,再冲压成形。不但提高了板材利用率(由40%~60%提高到70%~80%),而且减轻了车身重量,提高了车身结构的综合力学性能。

    激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光裁剪和拼装技术完成车身某一部位的制造,例如迈腾前挡风玻璃框架、车门内板、车身前底板等处均采用激光拼接技术(见图3)。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等优点。  

图3  迈腾车身激光拼接技术的应用

    (2)速腾车身激光熔焊焊接方法的特点  就点焊本身而言,焊点的强度可以很高,但没有焊点的部分还是断续分离的,在车身整体强度方面要比焊接成一体的激光焊接接头强度要低。点焊的不连续性和其自身的特点:如焊点容易变形,尤其是在焊接三层板连接、镀锌板连接和高强钢的连接时,焊接变形较大,导致焊点处的平整度降低及产生缝隙,而且点焊会造成焊接点周围的母材热影响区强度下降,车辆遭严重撞击时的断裂部位往往是在该处。目前,我国只有大众车系普遍采用了激光焊接这种先进的焊接制造工艺。


              
    迈腾车身的四门两盖、后流水槽、后围板及前后风窗口等诸多部位均采用了激光熔焊技术。由于焊接速度较快,所以焊接接头的热影响区较其他的焊接方法小,几乎没有焊接变形。这样可极大地提高了车身的结构和匹配尺寸、门盖与侧围的平度与密封效果、风挡玻璃与风窗口的匹配与密封,以及实现多层板的优质连接。另外,由于迈腾车身全部采用镀锌钢板,如果采用传统的点焊技术,由于三层板和镀锌的缘故,必须采用较大的焊接电流和焊接压力,其结果必然导致焊点质量下降和焊点变形严重,从而导致装配质量下降。

    在迈腾侧围总成的制造过程中,由于优质高强钢在侧围B-柱、侧围前内板总成、侧围后内板总成、门槛加强板和侧围顶部加强板的普遍应用,给侧围逐级总成的焊接带来了极大的困难。高强钢的屈服强度约为普通钢板的3~4倍,采用传统的点焊已经不能实现优质连接,惟一可行的是采用中频点焊连接技术和激光熔焊连接技术。迈腾侧围连接几乎全部选择使用激光熔焊技术(见图4、图5)和少量的中频焊接技术。激光焊接技术不仅具有较高的热输入,而且焊接速度较快,无焊接变形,可以获得其他焊接方法无法达到的优质焊缝。由于提高了车身尺寸匹配精度和接头强度,使迈腾车身的强度达到了较高的水平。

 

 

    (3)速腾车身激光复合焊接的特点  图6描绘了激光-MIG复合焊的基本原理。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。激光复合焊技术并不是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。激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能。在激光-MIG复合焊接时,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。

    激光复合焊接技术是激光与其他热源的相互作用,从而使焊接速度提高,焊接周期缩短,而且达到同样焊接目的所需的激光功率大大降低,这些都能使焊接成本大大降低。因此,激光复合焊接技术无论从工艺角度,还是从经济角度来看都具有广阔的发展和应用前景。

    激光复合焊接技术具有显著的优点。对于激光复合焊接,优点主要体现在:无烧穿时焊缝背面下垂的现象,适用范围更广;对于激光+MIG焊接,优点主要体现在:较高的焊接速度、熔焊深度大、产生的焊接热少、焊缝的强度高、焊缝宽度小及焊缝凸出小,从而使整个系统的生产过程稳定性好、设备可用性好、焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小,以及焊接生产工时短、费用低、生产效率高。

    一汽大众车身顶盖与侧围的连接都采用激光-MIG复合焊,常用接头形式与迈腾顶盖激光钎焊接头形式如图7所示。由于激光-MIG复合焊具有较好的电弧稳定性和填充性能,焊后焊缝熔宽比符合设计要求、焊缝表面光滑、具有较高强度和塑性,一般表面无需PVC涂层,可直接作为裸露表面使用。由于焊缝为连续密封焊缝,因而对整车的车身刚性、密封性和防止内部噪声的产生等方面均具有积极的作用。

 

 

    由于激光焊接系统的复杂性,对于维修的要求相对较高,通常对于一个车型,所有的激光焊接设备需要组成一个局域网,做到数据内部之间的通信。每一个焊接光源均需要一个Internet接口,直接与激光光源设备供应商的计算机故障分析系统相连。当激光焊接设备发生故障时,如果现场维修不能解决,可以由设备供应商进行远程故障诊断和维修,避免了不必要的长时间停产。为便于人员之间的信息交流,激光光源存放地备有国内外电话(见图8)。

    另外,由于激光焊接设备具有较高的价格,所以必须充分利用现有激光光源资源,以便降低备件储备。一汽大众迈腾车身激光焊接所使用的焊接光源一般都由数个偶数倍的光源输出光路。数量的多少一方面取决于焊接工艺和焊接夹具的设计形式;另一方面取决于激光紧急维修预案。

    5. 结语

    一汽大众作为国内知名的汽车制造企业,一直以技术领先引导国内汽车制造技术的发展方向,激光焊接及其复合焊接技术的开发与利用,是一汽大众车身制造水平发生质的飞跃的重要标志。激光熔焊及其复合焊接技术作为目前最为先进的焊接方法之一,实现了较高焊接速度与良好焊接质量的完美结合。具有宽广的应用范围和高效的特性,同时缩短了生产时间,提高了生产率,使一汽大众的产品更具较强的信任度和市场竞争力。

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