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激光焊接技術在汽車行業的運用

2019-10-09 00:03:03·  來源:Mr.Q質量先生
 
激光焊接是用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法,但這種工藝要求激光束和焊接接縫尺寸保持相應的一致性。相對而言,氣體金屬電弧和串接焊接則更擅長處理間隙尺寸不一致的情況。因此,一些汽車制造商將激光焊接和氣體焊接
激光焊接是用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法,但這種工藝要求激光束和焊接接縫尺寸保持相應的一致性。相對而言,氣體金屬電弧和串接焊接則更擅長處理間隙尺寸不一致的情況。因此,一些汽車制造商將激光焊接和氣體焊接相互結合,得到了理想的焊接效果。

當下,汽車買家對產品的質量和性能提出越來越高的要求。為滿足客戶的需求,必須不斷進行工藝創新。

對于激光焊接工藝來說同樣如此。汽車制造商們希望在保證產品質量,對不同間隙尺寸保持一定焊接柔性的前提下,采用焊接速度更快、生產周期更短的工藝。如今,傳統的激光焊接工藝已經不能滿足這兩個生產要求。

然而,一種結合激光焊和氣體保護電弧焊(GMAW)的混合焊接工藝——激光復合焊接,即激光釬焊的成功應用解決了這一焊接難題。我們知道,激光焊接會產生一個非常窄的熔池。熔池的尺寸與焊接深度和焊縫寬度成比例,借此可以實現非常高的焊接速度。但是由于激光束的焦點直徑非常小,所以激光焊接并不能自如應對接縫寬度與激光束直徑相差較大的情況。而氣體保護電弧焊(GMAW)的能量密度較低,可以在材料的表面上形成較大的光斑,對各種接縫寬度都可以產生良好的焊接效果。

現在,在部分汽車生產線上已經進行了這種混合焊接工藝的試用,并且焊接效果非常理想。

激光混合焊接技術簡介

將激光焊與電弧焊相結合的技術嘗試始于上世紀70年代,但當時并沒有取得突破性的技術進展【1,2】。

最近,研究人員再次試著將這兩個過程相結合,是希望能在一個混合焊接過程中同時保留電弧焊與激光焊的優點【3,4】。

專家們認為激光具有廣泛的工業適宜性,如今,激光在汽車行業中的廣泛運用證實了這一觀點。

在混合焊接過程中,激光束和焊接電弧同時作用于焊接區域,二者相互影響和相互支持。過去激光束與焊接應用在工業領域,典型的例子是,制造商曾將CO2激光焊接和GMAW工藝結合起來進行焊接作業【5】。

為得到更好的深焊接效應,未來激光復合焊接技術的發展創新,將對激光強度和光束質量提出更高的要求【6】。

由于其良好的光束質量, CO2激光器在目前的設備制造過程中普遍應用于金屬切割。長遠來看,平板激光器和二極管泵浦激光器的一些性能特點,例如聚焦能力良好,光束質量高和焊接強度好等優點,使它們在鋁材料的切割和焊接過程中具有相當的優勢,因此它們在制造業中的應用潛力也十分可觀。但是,維持它們高焊接強度的代價是犧牲了焊接截面積。這一缺陷使平板激光器和二極管泵浦激光器在的使用受到一定限制,特別是需要進行搭接接頭上的方形對接焊縫焊接的情況下。

與市場上其他類型的激光器相比,Nd:YAG固態激光器的功率較大,因此它們在焊接中的應用更加頻繁。另外,固態激光器在操作過程中采用的是柔性光纖電纜,而CO2激光器則需要使用剛性梁臂來引導操作,二者相較,顯然固態激光器更具優勢。以汽車制造業為例,柔性的操作梁在焊接車廂,后備箱,車門,引擎蓋和車身前端等部分時非常實用【7】。不過,固態激光器也不是萬能的,某些二維平面上的焊接和一些簡單的三維立體焊接還是需要用到CO2激光器。

致密度高,焊接性能好的二極管激光器已經逐漸擁有自己的應用領域,在激光釬焊方面也是大有可為。未來有可能用于承擔薄片焊接相關的長時間作業。接下來,在優化激光束焦點的同時,需要進一步加大二極管的激光功率,這將決定激光技術能否在深熔焊方面取得突破。

到目前為止,半導體激光器與其他高性能激光器的成本幾乎相同,但是隨著二極管的成本降低,半導體激光器的價格肯定會進一步下調。

在進行一些金屬工件的焊接工作時,Nd:YAG激光束是性價比很高的選擇。
Nd:YAG激光束的強度可以達到106W/cm2。高強度的激光束使金屬表面迅速升溫達到熔點,從而很快形成熔池。

焊縫的深度和寬度之間存在嚴格的比例關系。激光束產生的自由電弧的能量流密度將略高于104 W/cm2。除電弧外,激光焊接也會在焊接區域的上部焊縫金屬中產生額外的熱量。

與具有一定工藝順序的流水線作業不同,混合焊接是在同一個工藝過程中同時進行兩種焊接方式(參見圖1)。選取不同的電弧焊和激光焊工藝參數,可以調節產生不同的焊接強度和特性。

圖1:用于激光混合焊接的焊接頭重約16.5磅(7.5 kg),額定功率4 kW,額定電流250A
與單一工藝相比,組合工藝的焊接深度和焊接速度得到明顯的提升。金屬在焊接空腔中升華并與電弧等離子體反應。Nd:YAG激光輻射在等離子體中的吸收可忽略不計。調節激光焊和電弧焊功率比,可以設計焊接速度和靈活性來應對不同的焊縫寬度,以此產生不同的焊接效果。

工件溫度是影響激光輻射吸收的決定性因素。激光焊接的啟動過程中必須克服起始反射,尤其是進行鋁材料的焊接時。達到熔化溫度后,金屬表面形成熔池,這時工件得以吸收大部分的輻射能量。另外,工件的熱傳導性能也對焊接作業所需的能量有一定影響。

進行激光混合焊接時,工件表面熔化并填充焊絲,同時周圍的熔融金屬也將促進激光輻射的吸收,這有利于保持焊接過程的連續性。

與單純的激光焊接工藝相比,激光混合焊接工藝具有以下優點:在具有高間隙橋接能力的同時,兼具更好的瞬時穿透寬度和深度,更寬的應用范圍以及更好的焊接韌性。與單一氣體電弧焊工藝(GMAW)相比,激光混合焊接表現出更高的焊接速度,高速下更深的穿透力,需要的熱量輸入更少,焊接強度更大以及形成的焊縫更窄。

結合激光焊和氣體電弧焊的激光混合焊接工藝,與傳統的激光焊接相比,可以形成更大的熔池。因此,激光混合焊接工藝可以滿足常規激光技術不適用的寬焊縫部件的焊接要求。
激光釬焊在汽車產業中的應用

激光混合焊接在汽車產業中的應用以德國戴姆勒軸承制造廠為例。激光混合焊接能夠提供的焊接速度高,穿透力強但需要的熱輸入量卻顯著降低。與常規焊絲工藝相比,激光混合焊的焊接速度提升了了大約30%。圖2為使用激光混合焊接工藝制造的戴姆勒車橋組件。

圖2:梅塞德斯C級轎車上使用的軸部件,該部件使用了177IPM(4.5m / min)下,焊絲進給速率為235IPM(6.0m / min)的激光混合焊接工藝。
圖片來自戴姆勒公司
混合焊接工藝同樣適用于汽車鋁側板(見圖3)的加工。激光混合焊接可以在僅0.0625英寸的長度上實現177IPM(4.5m / min)的焊接速度。在這個過程中,激光混合焊沿著焊縫形成圓形邊緣,并表現出良好的穿透性。

圖3:使用激光混合焊技術焊接汽車側板
激光混合焊接工藝能夠兼顧深穿透性和良好焊接性能的原因在于激光束具有高的能量密度,并且焊絲可以充分填充焊縫橫截面。幾年前,這種焊接工藝就已經在一線汽車供應商中得到推廣和使用。
激光混合焊接工藝在側面板焊接方面的良好應用,極大地提高了焊接的自動化程度,與傳統的氣體電弧焊接相比:
• 激光混合焊生產線可以節省近一半的生產空間;
• 焊絲消耗量減少80%;
• 焊接速度提高30%;
• 與傳統的氣體電弧焊焊工藝相比,激光混合焊節省近30%的人力勞動。

激光復合焊接工藝過程

進行激光復合焊接(參見圖4)時,焊接區內產生兩個焊接弧,前端的激光束用于焊接底部,接著氣體電弧焊工藝用于彌合間隙和增加焊縫厚度。

圖4:圖為使用激光復合焊接工藝焊接的工件,可以看到,激光束與工件幾乎成一個直角。而兩個氣體電弧焊的則具有一定的前傾角
高靈活性是混合焊接過程的一個重要特色。例如,根據所需的焊接效果,可以設置三個不同的輸出功率。這樣,操作者可以設計混合焊接過程中的功率輸出參數,并參考焊縫幾何形狀來設置焊接路徑以及選擇合理的焊接速度。焊接深度可以結合激光功率,焦點直徑和焊接速度來綜合調節。另外,還可以使用兩種不同的金屬焊絲來達到更好的焊接效果。

激光-GMAW-混合焊接工藝允許對激光器和電弧功率以及兩種焊接電弧的長度進行獨立控制。這使得混合焊工藝在很好的實現熔融金屬液滴的有控制脫離,維持電弧的穩定和控制焊接火花量的同時,也可以兼顧高的沉積效率和快速的焊接速度。 
 
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