激光焊接在汽車工業(yè)中的運用

  前 言  

    世界上第一個激光器的成功演示在40 多年前，在今天，激光科學技術蓬勃發(fā)展，其作用遠遠超出了其發(fā)明初期人們原有的預想，激光技術的應用目前遍及科技、經(jīng)濟、軍事和社會的許多領域。汽車工業(yè)是激光加工重要的應用領域，占激光加工15%的份額，激光焊接、激光切割、激光標記、激光打孔都有著廣泛的應用。  

    1.激光焊接的技術可行性  

    激光(受激輻射光)最基本的特點就是：單色性、方向性、相關性，這些獨特性質加上由此而來的超高亮度，超短脈沖等性質使它已經(jīng)緊緊的和現(xiàn)代工業(yè)結合在一起，這些特質非常適合焊接加工。激光器一般按產(chǎn)生激光的工作物質不同來分類，主要有半導體(GaAs，InP 等)激光器、固體(Nd:YAG 等)激光器、氣體 (CO2、He-Ne 等)激光器、液體(可調諧染料等)激光器、化學激光器、自由電子激光器等。其中氣體激光器以氣體或金屬蒸汽為發(fā)光粒子，它是目前種類最多，激勵方式最多樣化，激光波長分布區(qū)域最寬，容易實現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，應用最廣泛的一類激光器。固體激光器是將產(chǎn)生激光的粒子摻于固體基質，其濃度比氣體大，因而可以獲得比較大的激光能量輸出，具有能量大，峰值功率高，機構緊湊，牢固耐用等特點。在激光焊接中主要就采用這兩種受激物質的激光器。  

    激光焊接技術在制造領域的應用穩(wěn)步增長，由脈沖到連續(xù)，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡單單縫到復雜形狀，激光焊接在不斷的演化過程中已經(jīng)逐步成為一種成熟的現(xiàn)代加工工藝技術。激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接，在連續(xù)焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的提高，特別是高功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光深穿透技術在國內外都得到了迅速發(fā)展，最大的焊接深寬比已經(jīng)達到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發(fā)展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料，激光焊接速度也達到了每分鐘幾十米，激光焊接技術日益成熟，并大量應用到生產(chǎn)線上，在汽車生產(chǎn)線上如齒輪焊接，汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊并已取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。  

    據(jù)有關資料統(tǒng)計，在歐美發(fā)達工業(yè)國家中，有50%-70%的汽車零部件是用激光加工來完成的。其中主要以激光焊接為主和切割為主，激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進行沖壓，這樣制成的面板結構能達到最合理的金屬組合。激光焊接的速度約為4.5m/min，而且很少變形，省去了二次加工。激光焊接加速了用沖壓零件代替鍛造零件的進程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強部件，還可以壓縮車身結構件本身的體積。僅此一項車身的重量可減少56kg。激光焊接用于車頂外殼與框架焊接，傳動轉換器蓋板的焊接，由CNC控制，其循環(huán)時間約為16 秒，實際焊接時間僅為3 秒，一天可連續(xù)運行24 小時。用于焊接小轎車的變速箱總成和底盤，激光束的焊接速度快，易于自動化控制并且易于歸并到一個靈活的制造系統(tǒng)中，激光束改進了廠家的產(chǎn)品設計投產(chǎn)周期，降低了成品的廢品率。  

    2.激光焊接在汽車行業(yè)中的應用  

    采用激光焊接可以給汽車制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，如車身裝配中的大量點焊，把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，凸緣寬度需要16mm，而激光焊接是單邊焊接，只需要5mm，把點焊該為激光焊，每輛車就可以節(jié)省鋼材40kg。用傳統(tǒng)點焊焊接兩片0.8mm 的鋼板沖壓件，平均是20 點/min，焊距是25mm，即速度為0.5m/min，用激光焊速度可以達到5m/min 以上。采用激光焊接技術，不僅降低成本，還大大提高了生產(chǎn)效率。  

    目前，一套千瓦級的激光加工機器人系統(tǒng)只要幾十萬美元，新型激光器的安全性和可靠性也得到了保證，其故障停機率僅2%，防護措施也極為可靠。激光焊接時需要工件接觸面緊密吻合，這在工藝上是不容易實現(xiàn)的，但目前先進的夾持方法和適合激光焊接的凸緣設計使這一問題得到了解決，激光焊接技術的逐漸成熟使得各大汽車廠商無一例外的將激光焊接應用到了汽車生產(chǎn)線上。  

    美國是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的，在美國汽車工業(yè)中心底特律地區(qū)有40 余家激光加工站，用于汽車金屬件的切割和齒輪的焊接，使汽車的改型從5 年縮短到2 年。  

    美國通用汽車公司已經(jīng)采用22 條激光加工生產(chǎn)線，美國福特汽車公司采用Nd:YAG 激光器結合工業(yè)機器人焊接轎車車體，極大地降低了制造成本，2000 年美國三大汽車公司已經(jīng)有50%的電阻點焊生產(chǎn)線被激光焊生產(chǎn)線所取代。在日本，激光焊接在生產(chǎn)線上成功的應用為世界所矚目，如在汽車車體制造中采用將薄鋼板實施激光焊接后沖壓成型的新方法，現(xiàn)在已為世界上大多數(shù)汽車廠家所仿效。世界上很多著名汽車公司都建有專門的激光焊接專用生產(chǎn)線：Thyssen 鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產(chǎn)線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)線，奔馳汽車廠的18 個廠房里有8 個廠房安裝了激光加工設備。  

    激光焊接在汽車工業(yè)中最主要就是應用在汽車車身的焊接和拼接坯板焊接上。為滿足市場和客戶的需求，改善車身和制造工藝是十分必要的，而汽車的車身價值約占汽車總價值的1/5，采用激光焊接工藝使車身的抗沖擊性和抗疲勞性都可以得到顯著改善，提高汽車的品質。激光焊接由于采用計算機控制，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對形狀特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件的焊接，也可以完成車頂和側圍，發(fā)動機架和散熱器架等部件的裝配，如果加上光纖傳輸系統(tǒng)和機械手，就可以實現(xiàn)自動化的汽車裝配生產(chǎn)線。使用3KW 左右的光纖傳輸?shù)腘D:YAG 連續(xù)激光器，配合點焊系統(tǒng)，和生產(chǎn)線上的夾具相配合，就可以達到自動化焊接的目的，通用、奔馳等都采用了這一系統(tǒng)應用在最新的車型的生產(chǎn)線上，激光焊接系統(tǒng)幾乎可以達到完美加工的要求，在效率、經(jīng)濟、安全、強度、抗腐蝕性上都有優(yōu)秀表現(xiàn)。  

    一輛汽車的車身和底盤由300 種以上的零件組成，采用激光焊接幾乎可以把所有不分厚度、牌號、種類、等級的材料焊接在一起，制成各種形狀的零件，大大提高汽車設計的靈活性。拼接坯板就是在充分分析車身結構的基礎上優(yōu)化部件設計，使之可以由少數(shù)的幾種典型坯板焊接而成，這樣大大降低了模具數(shù)量，增加了材料利用率，而且可以在強度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次沖壓成型，減輕了重量，提高了精度，還使得抗腐蝕性和安全性能都有大幅度提高，車身結構也大大簡化。豐田公司的側圍生產(chǎn)線采用了拼接坯板焊接技術，使得模具的數(shù)量降到四具，材料利用率達到65%，加上其它的部件，使得每輛車的成本下降30 多美圓，大大增加汽車生產(chǎn)商的效益。  

    3.激光焊接技術前景  

    激光焊接技術對傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態(tài)度，采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車工業(yè)。激光焊接技術在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大，激光器生產(chǎn)廠家應該抓住商機，在激光器的可移動性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產(chǎn)線的需要。國內一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識到這一點，比如湖北光通光電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的脈沖Nd:YAG 激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠離焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長，也可以使用傳統(tǒng)的光學傳統(tǒng)系統(tǒng)，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動化生產(chǎn)線。  

    21世紀汽車工業(yè)正在步入能按照用戶要求進行柔性模塊式生產(chǎn)的方式，傳統(tǒng)加工工藝不能滿足新生產(chǎn)方式的需要，這給激光焊接技術的大規(guī)模應用提供了一個機遇，激光焊接技術及其他激光加工技術在汽車領域中一定會有更大的發(fā)展，成為汽車工業(yè)中重要的加工方法。