淺議激光焊接在汽車(chē)頂蓋的應(yīng)用

蔣偉光　熊志明

摘要：相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接技術(shù)還具有焊接精度高，焊接速度快，能夠有效焊接同種材料與不同材料等優(yōu)點(diǎn)，因此得以快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。本文對(duì)激光焊接工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述，并對(duì)頂蓋激光釬焊組成、零件搭接結(jié)構(gòu)及與傳統(tǒng)焊接的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后對(duì)激光釬焊焊縫外觀質(zhì)量缺陷分析原因，提出方法。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)頂蓋；激光焊接；搭接方式；缺陷

1前言

激光焊接作為工業(yè)激光應(yīng)用的第二大領(lǐng)域，具有非常良好的應(yīng)用前景。激光焊接是指將激光聚焦成很細(xì)的高能量密度光束照射至工件上，使工件受熱熔化，最終冷卻得到焊縫。激光焊接技術(shù)能夠在很大程度上降低車(chē)身材料消耗從而使得車(chē)身重量減輕，降低企業(yè)制造成本，提高汽車(chē)外觀質(zhì)量。與此同時(shí)，相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接技術(shù)還具有焊接精度高，焊接速度快，能夠有效焊接同種材料與不同材料等優(yōu)點(diǎn)，因此得以快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。本文將對(duì)汽車(chē)頂蓋激光焊接應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

2主要激光焊接工藝

2.1激光釬焊

激光釬焊把具有高能量和高精度的激光光束當(dāng)作激光釬焊的熱源，并使得激光照射在焊接區(qū)域中的焊絲表面。焊接區(qū)域中的焊絲在高能量的激光光束的作用下會(huì)被融化，進(jìn)而在焊接區(qū)域形成液態(tài)金屬。被融化成液態(tài)金屬的焊絲會(huì)在焊接縫隙處進(jìn)行連接，并在外部條件適宜的情況下，使得母材進(jìn)行良好的連接。但是，在操作的過(guò)程中，需要注重工件之間的連接問(wèn)題，并保障母體材料不會(huì)被釬焊中使用的激光破壞。

2.2激光熔焊

激光熔焊是激光焊接的方式之一。在作業(yè)過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過(guò)“小孔”結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個(gè)充滿(mǎn)蒸汽的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000℃左右。熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來(lái)，使包圍著這個(gè)孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿(mǎn)光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周包圍著固體材料?？妆谕庖后w流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，小孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定態(tài)。就是說(shuō)，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動(dòng)，熔融金屬填充著小孔移開(kāi)后留下的空隙并隨之冷凝，于是形成焊縫。

2.3復(fù)合激光焊接

復(fù)合激光焊接時(shí)的焊接能量是通過(guò)半導(dǎo)體激光以及相應(yīng)的輔助熱源共同提供的。且半導(dǎo)體激光以及輔助熱源都安裝在焊接頭的內(nèi)部。輔助熱源中的焊接光會(huì)在上層材料中直接進(jìn)行加熱。復(fù)合激光焊接與比較常規(guī)的焊接結(jié)技術(shù)相互比較，焊接面的溫度會(huì)更加的穩(wěn)定和均勻，并且在焊接的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的橫向熱流。

3汽車(chē)頂蓋激光焊接應(yīng)用

為了使得市場(chǎng)的需求得到滿(mǎn)足，我們需要對(duì)汽車(chē)制造工藝進(jìn)行改善。汽車(chē)工業(yè)中的激光焊接技術(shù)在往往應(yīng)用在汽車(chē)的白車(chē)身焊接上。因此，利用激光焊接技術(shù)不但可以使汽車(chē)車(chē)身的抗沖擊性得到改善，還可以使得車(chē)身的抗疲勞效果增加，進(jìn)而提高汽車(chē)的品質(zhì)。而汽車(chē)的激光焊接往往是通過(guò)計(jì)算機(jī)或PLC進(jìn)行控制的，所以靈活性以及控制的機(jī)動(dòng)性較高。比如汽車(chē)頂蓋應(yīng)用激光焊接技術(shù)不單單具有較高的效率，還具有一定的經(jīng)濟(jì)性，并在抗腐蝕、強(qiáng)度及外觀質(zhì)量等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

3.1激光頂蓋釬焊的系統(tǒng)組成

汽車(chē)頂蓋激光焊接系統(tǒng)的組成如圖1所示，其中激光發(fā)生器需要在使用的過(guò)程中配合冷卻系統(tǒng)，其在工作的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的激光，并經(jīng)過(guò)耦合之后生成具有規(guī)定波長(zhǎng)的激光束，進(jìn)而配合焊接。激光焊接頭是在傳輸焊接激光后，使其經(jīng)過(guò)光頭校準(zhǔn)處理，并使得其成為具有一定加工性能的激光束。焊接系統(tǒng)中的機(jī)器人系統(tǒng)主要承擔(dān)焊接軌跡行走的作用，同時(shí)對(duì)焊接中的參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，并給出準(zhǔn)確的電氣信號(hào)。PLC控制臺(tái)是焊接系統(tǒng)的司令部，其主要對(duì)焊接系統(tǒng)中的各個(gè)電氣進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的信號(hào)交換。

3.2頂蓋激光釬焊鈑金搭接方式

相較于電阻點(diǎn)焊的側(cè)圍和車(chē)頂分別作翻邊用于連接，激光軒焊車(chē)頂連接為滿(mǎn)足激光釬焊的焊接工藝要求，激光軒焊車(chē)頂連接為滿(mǎn)足激光釬焊的焊接工藝要求，車(chē)頂和側(cè)圍連接某一剖面處形成點(diǎn)接觸，整個(gè)接觸區(qū)域形成線接觸。由于零件制造公差、壓緊工裝和車(chē)頂自重等，導(dǎo)致車(chē)頂易下沉。為了克服車(chē)頂下沉被周邊搭接面頂起，將頂蓋和側(cè)圍接觸面左右形成倒梯形（圖2），吸收頂蓋下沉的容差，達(dá)到造型的光順、車(chē)頂和側(cè)圍能有效接觸和滿(mǎn)足制造工藝需求，同時(shí)也獲得良好的外觀質(zhì)量。

A-側(cè)圍與水平方向的夾角，保證車(chē)頂和側(cè)圍之間足夠接觸；B-車(chē)頂和側(cè)圍5°夾角，確保車(chē)頂和側(cè)圍有一個(gè)正切直線接觸；C-圓角半徑：圓角的最小要求，為了提高整車(chē)的外觀表現(xiàn)，減少焊絲的填充，降低成本；D-圓角半徑：造型要求一個(gè)連續(xù)特征線穿過(guò)車(chē)頂和風(fēng)窗玻璃E-執(zhí)行楔型塊需求平面，造型要求一個(gè)連續(xù)特征線穿過(guò)車(chē)頂和風(fēng)窗玻璃；F-焊接平面需求，焊接搭接面需要連續(xù)，這個(gè)特征確保焊接搭接面為-平面，不允許出圓角，保證1.5mm交叉平面；G-11.5mm平面要求，確保車(chē)頂和側(cè)圍的接觸；H-模具成型約束：折彎邊。

8.3焊接過(guò)程需要做到四點(diǎn)合一

為了使得激光焊接自動(dòng)化系統(tǒng)的工作更加的安全、穩(wěn)定、可靠，使得自動(dòng)化焊接系統(tǒng)中的機(jī)器人TCP點(diǎn)、激光焦點(diǎn)、焊絲端點(diǎn)、十字光標(biāo)中心，四點(diǎn)合一。如圖6，控制軟件和現(xiàn)場(chǎng)視屏顯示四點(diǎn)合一，這樣才能提高激光頂蓋釬焊的系統(tǒng)的作業(yè)效率及焊縫質(zhì)量。

4激光釬焊和傳統(tǒng)電阻電焊對(duì)比

4.1焊接外觀方面

激光焊接由于其單面焊接、熱影響區(qū)小、焊縫美觀、速度快的特點(diǎn)能夠極大地減少構(gòu)件變形。而傳統(tǒng)電阻電焊則是利用電極，通過(guò)較大的電流來(lái)熔化電極接觸的材料表面，所以在焊接的過(guò)程中很容易造成工件出現(xiàn)變形的情況，此外，能夠焊接的材料范圍也十分有限。

4.2柔性方面

傳統(tǒng)電阻電焊還需要定期地進(jìn)行電極維護(hù)清理，電極可接觸的區(qū)域也較激光釬焊小。而激光焊接與傳統(tǒng)的焊接相互比較，其更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，焊接的整個(gè)生產(chǎn)流程具有非常高的柔性，同時(shí)，自動(dòng)化的焊接使得焊接中的各個(gè)技術(shù)要點(diǎn)可以得到合理的控制，并具有較高的靈活性。

4.3焊接成本控制方面

與傳統(tǒng)的焊接相互比較，激光釬焊一次性投入成本較高。但是使用激光釬焊可以取消頂蓋膠條，但降低整車(chē)零件成本。

4.4效率方面

與傳統(tǒng)的焊接相互比較，激光釬焊速度快。以頂蓋為例：?jiǎn)蝹?cè)車(chē)頂長(zhǎng)度1800mm，傳統(tǒng)電焊焊點(diǎn)40點(diǎn)，一個(gè)焊點(diǎn)焊接時(shí)間3s，采用1臺(tái)機(jī)器人焊接，頂蓋工位焊接時(shí)間：40*3=120s。采用激光釬焊，焊接速度可達(dá)70mm/s，采用采用1臺(tái)機(jī)器人焊接，頂蓋工位焊接時(shí)間：1800/70=25.7s。采用激光釬焊效率可提升4倍。

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)汽車(chē)頂蓋激光焊接的應(yīng)用進(jìn)行分析，首先，介紹激光釬焊、激光熔焊以及復(fù)合激光焊接三個(gè)主要激光焊接工藝。接著分析汽車(chē)頂蓋激光焊接應(yīng)用，并對(duì)比激光釬焊和傳統(tǒng)電阻電焊技術(shù)，分別從焊接外觀、焊接柔性、焊接成本、焊接效率四個(gè)方面進(jìn)行比較。據(jù)了解激光釬焊其中焊絲成本占用運(yùn)營(yíng)成本95%，處于運(yùn)營(yíng)成本考慮，許多整車(chē)廠家并未使用。因此，我們需要對(duì)激光釬焊降低運(yùn)營(yíng)成本降低方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究?？煽紤]研發(fā)更低成本的焊絲替代現(xiàn)有的CuSi3焊絲，或者研究合適的鈑金搭接方式及焊接參數(shù)取消焊絲，這樣激光焊接技術(shù)可以更廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)行業(yè)當(dāng)中。