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走进一汽-大众 感受品质魅力

  背景资料2:激光焊接

  在汽车制造工艺里,焊接是汽车制造一道不可缺少的工序,主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。

近年来,世界上最新出现了激光焊接技术,并且发展得很快,用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。

  当然,激光焊接的实际使用意义并不仅于此,它还使得车身的结合精度也得到大大提升。一般来说,车辆在道路上行进时来自地面的颠簸会转换成每分钟上千次的扭曲运动考验车身,如果车身结合精度、强度不够,轻则车内异响频频、噪音大,严重的可能导致安装在车辆上的零部件如变速箱、前后桥的损坏或者车身断裂。事实上,无论多好的路况,我们的座驾都在不断进行高强度扭曲运动,而且随着速度提升、路程增加,这种考验会越来越严峻并直接关乎驾乘者的安全。而采用激光焊接技术的车身,其动静态刚度较其他焊接工艺可得到超过50%的提高,从而显著降低了车辆行驶过程中的噪音及震动,改善了乘坐舒适性。

  作为轿车二厂最突出的技术,激光焊接工艺的大规模车身应用是从一汽-大众迈腾和速腾开始的。激光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。

  1.激光焊接技术在汽车行业中的应用

  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。

  在零件焊接上,应用到的焊接技术有闪光焊、电子束焊、电栓焊、脉冲焊、摩擦焊等等。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。

  2.激光焊接原理

  激光焊接以激光棒为发射源,在弧光灯管的作用下,产生激光,通过光导纤维的传输到达加工镜头,再通过镜头的聚焦形成激光束,照射在被加工的工件上,通过激光熔化钢板,并快速冷却形成焊核,由机器人的轨迹移动,完成焊接。

  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。小孔随着光束相对干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。

  3.激光焊接设备

  激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接夹具、焊接机器人和焊接控制系统组成。

  (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激光器具有更火优势,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人多数光源功率在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。

  4.激光焊接的优点

  (1)焊接强度高。相比传统工艺的点焊,最直观的特点就是以线代点完成对钢板的焊接,通过使两块钢板焊接熔核面积的增加,强度也自然随之增加,激光焊接可以达到两块钢板之间的分子结合,也就是焊接后的钢板硬度相当于一整块钢板,经测试可以提高30%的焊接强度,这极大的提升了整车的抗弯抗扭刚度,使整个乘员舱变成一个整体,无论前碰、后碰、侧碰都能做到吸收能量,将撞击能量承载到超高强度热成型钢板上,保证车体在剧烈碰撞时,也不会从焊接处断裂,使车身强度得到大幅度提高。

  (2)焊接速度快,可以大大提高工作效率。在激光焊中,正常的焊接速度为40mm/秒,例如完成一条25mm的普通激光焊焊缝,所需的时间只有0.5秒左右。这样的焊接速度是其他焊接工艺所无法比拟的,所以能最大限度的提高单位时间内的工作效率。

  (3)零件焊接变形小。由于激光焊光束的焦点直径只有0.6mm,每条激光焊焊缝的宽度只有大约1.5-2.0mm,激光焊接时只是将微小区域的板材通过熔化连接在一起,其他部分几乎不受任何影响。而且在极短的时间内完成了整个熔化连接过程,然后迅速冷却,对钢板的形变及物理特性改变较小,不像其他焊接方式如:点焊,MAG焊等,这样能更好地保证整车的刚度及车身焊接尺寸。

  (4)对冲压件质量提出更高的要求。由于激光焊接时要求被焊接的两层钢材位置公差不大于0.2毫米,超过这个公差,就会出现焊穿、虚焊等焊接缺陷,而且在焊接面又没有像点焊等其他焊接方式那样的夹紧装置,这样对冲压件的尺寸就提出的更高的要求。而尺寸精度高,稳定性好的冲压件,又为提高车身制造质量提供了良好的保证。

  (5)焊缝美观。激光焊焊缝外观质量明显优于其他焊接方式,例如顶盖处的激光焊,如采用传统焊接方式则需在总装时加装饰条以掩饰焊点,而采用激光钎焊则只需在焊接后稍加打磨便可获得良好的外观质量,总装时不需加任何装饰条。

  除此之外,激光焊接还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好处。

  5.一汽-大众激光焊接技术的特点

  一汽-大众迈腾全车身采用了长达42米的无缝激光焊接,是国内中高级轿车市场激光焊缝最长的车型,其中最长的激光焊缝位于顶盖处,1.6米长一次焊接成型,保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。速腾也拥有在同级车中最长的33.2米激光焊接缝。如此之长的焊接可以使顶盖与侧围非常牢固且永久的连接为一体,因此保证车身在高速行驶过程中不会像某些品牌的车身在发生事故时出现断裂、分离等现象,因为激光焊接后的两种零件连接处的强度要比原有零件钢板本身所具有的强度还要高。如此大量的激光焊应用极大的提高车身的安全性,这在国内汽车界也是十分罕见的。

  迈腾的激光焊接主要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。

  作为国内知名的汽车制造企业,一汽-大众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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(责任编辑:柳鹏)
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