高速、高效的激光焊接與切割

    激光加工具有熱影響很低、材料變形很小、加工速度快、無需接觸和無需后處理等諸多優(yōu)點，但是目前中國本土的汽車廠商，尤其是大量的零部件生產(chǎn)廠家對激光焊接、激光切割以及激光打孔等的應(yīng)用并不夠。
    對于飛速發(fā)展的中國汽車制造業(yè)而言，我們都多次在各類場合聽到關(guān)于用激光加工的論題。在實際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，很多歐美汽車整車和零部件廠商早在十幾年前就積極投入大量的研發(fā)力量，聯(lián)合激光制造企業(yè)開發(fā)出很多激光加工的工藝和生產(chǎn)線，并在大規(guī)模生產(chǎn)中廣泛地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但放眼看目前中國本土的汽車廠商，尤其是大量的零部件生產(chǎn)廠家，除了簡單的激光打標(biāo)外，其他方面的應(yīng)用如激光焊接、激光切割以及激光打孔等的應(yīng)用并不夠。作為在這類應(yīng)用加工領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位的激光廠家，GSI在此愿意概括激光在汽車制造業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域和特點，拋磚引玉，幫助大量的中國本土企業(yè)認(rèn)識到激光這一特殊高端技術(shù)的優(yōu)勢，并竭誠為廣大讀者提供相應(yīng)的技術(shù)支持。
激光加工的特有優(yōu)勢
1.熱影響很低，相對與傳統(tǒng)的焊接和切割方式而言，激光加工無需產(chǎn)生高溫，從而最大限度地減少了對母材及涂層的材料破壞；
2.材料變形很小，大量的材料變形都能控制在百分之幾毫米的范圍內(nèi)；
3.高速加工，對于較薄的不銹鋼材料，焊接速度可達(dá)到10～20m/min，針對不同的材料及厚度會有響應(yīng)的變化；
4.加工處理后的材料表面會很干凈、光潔。大部分的鋼材、鋁材及合金等材料在激光加工后，表面都不會出現(xiàn)明顯的變形或破壞，最大程度地保持了原有材料的外觀和特性；
5.單邊加工，無需接觸，因為激光的工作原理為非接觸式的光束聚焦，所以只需要單邊在一定距離之外作用在材料上即可；
6.無需后處理。
激光焊接
    焊接可以細(xì)分為車身焊接和零備件焊接。對于車身而言，最普遍的是可以完成車頂?shù)絺?cè)身及車門的車體焊接。通常是鍍鋅鋼材的2層搭焊，有時也會有3層的焊接需求，長度可達(dá)2～3m。此外因為激光加工可以將不同厚度和等級的材料容易地焊接起來，這種優(yōu)勢可以減少很多額外的工序，大量節(jié)省成本和材料，所以在更多的與車身相關(guān)的焊接處理上，如擋板、面板、車門內(nèi)層、座椅和搖桿等，都越來越多地出現(xiàn)了用激光來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接方式。在這些焊接中，所涉及的材料目前多為鋼材（無鍍層低碳鋼或10～20mm鍍鋅鋼）和鋁合金（如5000系列鋁鎂合金、6000系列鋁鎂硅合金或7000系列鋁鋅合金）。需要注意的是，在鍍鋅鋼的焊接過程中，因為鋼的熔點（1 500℃）和鋅的熔點（800℃）相差很多，實際操作中容易產(chǎn)生多余的孔隙，成為很多廠家的困惑，而GSI專業(yè)應(yīng)用工程師經(jīng)過多次的研究和實驗已經(jīng)解決了這個困難。而對于鋁合金而言，因為鋁的高反射性能，也會有很多廠家在應(yīng)用中遇到多孔、斷裂等問題，同樣在這方面GSI也成功地通過添加填充物（特別是2000到6000系列的鋁合金）、雙光斑等技術(shù)克服了這些問題。
    在汽車零部件方面，激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域就更廣泛了，常見的有：ABS系統(tǒng)組件、安全氣囊組件、螺線管、電池和燃油噴嘴等，使用GSI具有超級調(diào)制功能的連續(xù)型激光器可以為這些產(chǎn)品的高性能焊接提供最適合的解決方案。超級調(diào)制可以瞬間成倍提高激光的輸出功率而達(dá)到一般激光器無法實現(xiàn)的熔深和焊接效果。

圖1 燃油噴嘴焊接的參數(shù)設(shè)置

     例如對燃油噴嘴的焊接，我們采用圖1所示的參數(shù)設(shè)置，采用后的實際輸出功率只有平均功率500W的65%，從而最終實現(xiàn)了較少的熱影響、更低的運(yùn)營成本、更長的燈管使用壽命和最終非常穩(wěn)定一致的焊接效果。GSI推出的JK125P型激光器（見圖2）專門用于高精確度的焊接和細(xì)微切割，適合多種不同的工業(yè)用途。

圖2 JK125P型激光器

激光切割
激光切割是除了焊接外激光的另一大類應(yīng)用，其主要的特點有：
1.非常細(xì)的切口寬度，筆直的切邊和漂亮的外觀；
2.在切邊附近最小的熱影響區(qū)域從而實現(xiàn)最小的工件變形；
3.在加速或減速時由于有對平均輸出功率的良好控制所以消除了多余的材料熔燒；
4.沒有機(jī)械變形；
5.相對于傳統(tǒng)的切割方式而言，沒有切割刀具的磨損；
    目前在汽車加工領(lǐng)域，工程塑料、液壓成型管等都有很廣泛的激光切割使用。
汽車氣囊組件的激光焊接解決方案
    在這里向大家介紹一下GSI激光事業(yè)部在北美為一家汽車氣囊組件提供的激光焊接解決案例。
    Oberg Industries（以下簡稱“Oberg”）是一家精密沖壓件制造商，主要服務(wù)于汽車、醫(yī)療及航天航空等諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以高精度成品部件（Finished Part）而聞名。一家汽車領(lǐng)域的客戶曾告知該公司，另一家制造商提供的某種氣囊組件的焊接有質(zhì)量問題。這家供應(yīng)商采用傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊（TIG）焊接工藝，很難確保提供必要的可靠性。
    Oberg采用自己獨特的專業(yè)沖壓技術(shù)提高了組件的精確度與質(zhì)量，但客戶還希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是，Oberg開始考慮采用激光技術(shù)來實現(xiàn)上述目的。在其位于賓夕法尼亞州匹茲堡附近的Sarver廠房中，Oberg采用低功耗脈沖YAG激光器進(jìn)行了焊接試驗。Oberg的客戶對試驗結(jié)果在視覺外觀和強(qiáng)度方面的表現(xiàn)感到非常滿意，但認(rèn)為整個工藝過程還是太慢。
    鑒于此，Oberg請GSI激光事業(yè)部幫忙，看他們能否通過其應(yīng)用實驗室分析提高速度的方法。就自身的要求而言，Oberg需要一種不僅能支持50mm/s的焊接速度，而且還能滿足最終客戶強(qiáng)度要求的激光源。
    焊接管是一根厚度約為1.2mm的1008帶孔碳鋼碎片過濾管（debris screen tube）。焊接前，先在平板上打孔，然后再讓平板形成間隙約1.5mm的管，這樣便于進(jìn)行接縫對齊與定位。這一工藝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是確保表面和底部外形良好，而且即使有超大球狀物強(qiáng)行通過過濾管，也不會影響焊接。制造過程中階段性進(jìn)行檢測。
    位于密歇根州Novi市的GSI應(yīng)用實驗室的最初任務(wù)是測定原型部件的精確的激光源以及合適的焊接技術(shù)。與Oberg進(jìn)行探討后發(fā)現(xiàn)，盡管1kW連續(xù)Nd : YAG激光器能輕松實現(xiàn)50mm/s的焊接速率，但是這樣該項目就毫無經(jīng)濟(jì)性可言。從預(yù)算的角度來說，500W激光器更適用。原型部件于2006年7月焊接成功，其采用的是支持連續(xù)波(CW)與Super ModulatedTM 兩種輸出的JK501SM Nd : YAG激光器。原型部件焊接試驗時，以不帶孔的實管部件為對象。為達(dá)到不同的熔透以及檢測其強(qiáng)度，分別采用了不同的焊接速度和參數(shù)。
    Super ModulatedTM 輸出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率，最大可達(dá)額定激光功率的2倍，同時還能實現(xiàn)激光全額定平均功率。這樣，焊接速度就提高了40%，而消耗的熱量則比僅采用CW輸出降低了很多。
    此外，Super ModulationTM 還能大幅減少焊接過程中焊接熔池上方煙塵所散射的激光能。CW 輸出在焊接開始幾毫秒后會在焊接處一直產(chǎn)生大量的煙塵，煙塵為顆粒狀，會發(fā)生散射，從而導(dǎo)致光束偏離焦點，產(chǎn)生較大焊縫熔寬并降低熔透。
    當(dāng)采用周期性峰值正弦波或方波波形時，超級調(diào)制激光器的激光能可在煙塵量達(dá)到一定散射影響之前幾毫秒內(nèi)發(fā)出。在調(diào)制低能量循環(huán)階段，煙塵量會快速降到接近零，而后激光源再通過 Super ModulatedTM 輸出開始下一工作循環(huán)。不管激光功率大小或光束質(zhì)量如何，都會產(chǎn)生該效果。CW、正弦波及方形波調(diào)制的截面圖清晰顯示了熔透的改善情況。
    為此，Oberg選擇了最平穩(wěn)的500W CW焊接法，焊接速度為50mm/s，熔透達(dá)100%，采用100mm的調(diào)焦鏡頭，焦點直徑為300mm。將這些初始部件放入簡單的虎鉗中，夾到縫隙密閉，保護(hù)性氬氣體通過側(cè)噴嘴排出。
    2006年間，隨著部件設(shè)計的進(jìn)展與制造工具的推出，Oberg又進(jìn)行了更多焊接測試。在所有情況下，部件都手動放入固定裝置中，再用虎鉗將其夾到縫隙密閉，激光工藝過程非常一致。
    激光系統(tǒng)抵達(dá)Oberg開始進(jìn)行激光焊接后，在原型焊接轉(zhuǎn)型為自動化制造焊接過程中出現(xiàn)了一些問題。對接焊縫的縫隙由于部件位置與彈力問題出現(xiàn)了某些不一致性。制造固定情況下的保護(hù)氣體排放設(shè)計未經(jīng)過檢測，此外焊接部件也沒有通過客戶的機(jī)械測試。為了實現(xiàn)適當(dāng)?shù)暮附訌?qiáng)度，焊接速度降至23mm/s。
    GSI應(yīng)用工程設(shè)計中心對焊接結(jié)果進(jìn)行了檢查，并派工程師與Oberg相關(guān)人員一道解決了工藝問題。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，某些固定部件中存在縫隙，而且焊接位置的差異導(dǎo)致焊縫與中央定位不佳的激光焊接中能量損耗。提高調(diào)焦鏡頭的焦距可擴(kuò)大焦點尺寸，從而可避免相關(guān)縫隙問題。
    為將焊接速度提升至50mm/s并確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實用性，激光參數(shù)改為方波Super ModulationTM。這就加快了焊接速度，而且能滿足焦點尺寸擴(kuò)大20%的要求。
    最后，為了實現(xiàn)足夠的焊接強(qiáng)度與韌度，必須優(yōu)化焊接固定設(shè)備給的保護(hù)性氬氣體排放，確保工藝過程中與冷卻過程中焊料中的含氧量極低。
    最后為實現(xiàn)50mm/s的焊接速度，可采用方波超級調(diào)制技術(shù)，頻率為300Hz，峰值功率為900W，焦點尺寸為360mm，并排出保護(hù)性氬氣。使用平均功率為500W的Super ModulationTM 技術(shù)使系統(tǒng)可彌補(bǔ)項目原型開發(fā)階段難以預(yù)計的縫隙差異問題，同時還能通過低成本、功耗適中的YAG激光技術(shù)同步設(shè)計部件與工藝。
    成功實現(xiàn)工藝設(shè)計后，Oberg的焊接部件達(dá)到了所需強(qiáng)度，而功耗則比預(yù)估的還低。通過使用具有超級調(diào)制功能的500W持續(xù)波形激光器，Oberg不僅以低成本實現(xiàn)了必需的速度要求，而且還能確保制造工藝中的焊接速度與質(zhì)量，解決所有工藝容限問題。通過采用該系統(tǒng)，估計Oberg可節(jié)約約10萬美元的機(jī)械成本。
    Oberg對上述結(jié)果非常滿意，這不僅有助于贏得新的商機(jī)，而且還能使它為新老客戶推出全新的制造工藝。