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激光焊接技术在汽车装焊车间的应用分析

激光焊接作为一种高效精密的焊接方式,相比传统的焊接工艺,具有单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材等优点,广泛应用于航天、汽车等工业领域。

随着激光焊接技术和自动控制技术、机器人技术的结合,现已广泛地用于车身底板、侧围车架、车顶、车门及车身总成等部分和车身大型覆盖件的焊装中,成为车身装配时的主要工艺手段。
北京奔驰引进戴姆勒奔驰先进激光焊接技术对侧围、后围、车门、前纵梁总成、后备箱盖等进行焊接加工。在此以北京奔驰为背景,介绍激光焊接技术,并对比激光焊接技术与其他焊接技术的优缺点。

1. 激光焊接系统组成

激光焊接系统主要由激光源、激光工作头、冷却系统、激光房、机器人、PLC、送丝系统、激光焊接质量检测单元及激光功率检测等组成。
(1)激光源。激光源即激光发生器,是激光焊接系统的热源供应。从1960 年第一台红宝石激光器问世以来,现在市场上已经有多种激光发生器,且光束质量也得到不断提高,为激光加工技术的发展奠定了基础。
(2)激光工作头。激光工作头是指激光加工工具,不同的激光加工工艺对应不同的激光加工工具。
(3)冷却系统。由于激光的发生无法避免散发大量热量,为保证激光源正常工作,需要使用冷却系统来保证激光源温度恒定。
(4)激光房。激光对眼睛与皮肤伤害较大,因此激光焊接需要在一个密闭空间激光房里进行,并搭建完整有效的安全机制。激光房内安装有监控系统,用于监控激光焊接设备工作状态。
(5)机器人。机器人作为焊接工作的执行装置,与激光工作头、激光源等其他设备通讯,控制、配合下属设备完成焊接工作。
(6)PLC。它是工作站的总指挥官,控制工装夹具、各种信号、工作顺序等。
(7)送丝系统。激光熔丝焊接需要送丝系统,一般送丝系统由控制单元、丝桶、主送丝管、伺服驱动单元组成。
(8)激光焊质量检测系统。可高效检测激光焊焊接质量,分为在线检测及离线检测。在线检测系统是指在激光焊焊接过程中进行的检测,一般检测焊接强度或记录焊接过程中焊接录像及各参数变动。离线检测一般用于检测焊缝外观焊接质量。
(9)激光功率检测系统(PMM)。用于测量激光功率大小。激光工作头上安装有压缩空气喷气口来减少在激光焊接过程中飞溅、焊尘等在保护镜片上的附着,但长期工作无法避免保护镜片的污染。
保护镜片的污染会降低激光出光功率,影响焊接质量,甚至烧毁保护镜片。北京奔驰采用的激光功率测量系统,每加工一定数量的工件测量一次功率,提醒工作人员及时检查更换保护镜片。
(10)压缩空气单元。一般激光焊接头都会配有压缩空气吹气装置,以减少焊尘对镜片的附着。
以北京奔驰飞行焊接为例说明激光焊接系统的搭建,如图1所示。

图1 飞行焊接系统简图

北京飞行焊接选用德国TRUMPF公司生产的碟片式激光发生器Tru Disk4002~Tru Disk6602 作为激光源,使用激光光纤连接激光工作头;选用TRUMPF公司生产的PFO 3D作为飞行焊工作头;选用BOSCH公司开发的焊接控制器MPC为激光焊接控制器;选用hema公司设计的在线质量检测系统visir;选用PRIMES公司的PMM作为激光功率检测装置。

2. 常用的激光焊接技术及应用

白车身上常用的激光焊接技术有激光飞行焊、激光钎焊、激光熔焊。

2.1激光飞行焊
激光飞行焊即激光机器人的扫描焊接,机器人携带的激光工作头通过振镜高速扫描,在不接触工件的情况下完成高速焊接。
在汽车白车身装焊车间,激光飞行焊常用于连接两搭接板。与传统电阻焊相比,激光飞行焊具有工件变形小、减轻车身质量、速度快、强度高、节省耗材、设备稳定性好等优点。
2005 年大众公司进行的激光焊接技术在帕萨特轿车的大批量生产过程中的应用显示,与传统的电阻焊相比,激光焊接每个焊点的生产成本节省了30%~50%。激光飞行焊工作过程不接触工件,因此设备故障率及设备备件更换率很低,工作稳定,这就意味着设备完成安装调试后的后期投入很小。
以北京奔驰C级车的生产厂为例,比较自动电阻点焊及激光飞行焊接的优缺点。
北京奔驰激光飞行焊主要用于侧围、后围、车门、底盘前纵梁总成的焊接。C级车焊装生产车间飞行焊接设备两套,主要用于底盘前纵梁的焊接及的焊接。
北京奔驰C级车装焊车间的电阻点焊采用ARO公司生产的焊枪,共205 套,选用BOSCH公司生产的控制器,选用Lutz公司提供的修磨器。激光飞行焊与电阻点焊的特点对比如表1 所示。

表1 电阻点焊与激光飞行焊工艺对比

北京奔驰C级车装焊生产车间2015 年第三季度(7~9 月)备件使用情况分析。由于激光飞行焊接与电阻点焊设备数量不同,为平行对比两种技术的备件消耗,以平均每10 000 个焊点的备件消耗进行比较。该备件消耗的计算为

式中va为平均每10 000 个焊点所需的备件消耗(单位:元/万点);V为季度备件消耗总价值(单位:元);P为季度日产量(单位:件/天);a为平均每把焊枪在每个件上的焊点数(单位:点);n为设备数量(单位:台);d为季度生产总天数(单位:天)。
备件消耗量的比较如表2 所示。

表2 电阻点焊、激光飞行焊备件消耗对比

由表1、表2的分析得出:
(1)时间效益比较
虽然激光飞行焊需要焊前工艺(激光打点,以保证焊接时两板件间隙,便于锌蒸汽溢出),但焊接速度上激光飞行焊焊几乎是电阻点焊的10 倍;工艺上,电阻点焊每250 个焊点就要进行一次修磨以保证焊接质量,而激光飞行焊每3 000 点甚至可以更长时间检测一次功率,耗时工艺频率上激光飞行焊远不及电阻点焊的1/10;耗材与备件更换频率上,从表1 和表2 可知,激光飞行焊远小于电阻点焊;因此,从时间效益上讲,电阻点焊的时间效益远远低于激光飞行焊的时间效益。
(2)经济效益比较
电阻点焊耗材及备件消耗远远大于激光飞行焊。虽然激光飞行焊在项目搭建时花费较高,但从长期使用的角度讲,激光飞行焊的总体经济成本也低于点焊。
(3)焊缝形状与焊缝质量比较
激光飞行焊焊缝形貌可以根据工艺要求灵活设计,北京奔驰常用的激光飞行焊焊缝为C型焊缝或一字形焊缝,如图2 所示。

图2 激光飞行焊焊缝

激光飞行焊接熔深大,焊缝强度高,且焊接热变形小,常用于车门、顶盖等外观件的加工,及前纵梁轮毂总成等需要高强度焊接的零件加工。
(4)自动化智能化角度比较
激光飞行焊焊接时,机器人与焊点的位置关系没有严格要求,只要所有焊点在机器人轨迹扫描范围之内即可,机器人轨迹平顺,不需像电阻点焊那样机器人轨迹需要随着焊点位置扭转,具有极强的焊接灵活性。另外焊缝形状可以灵活设计,加之完整可靠的质量检测系统等,使激光飞行焊成为具有高度智能化的焊接方式。
总之,激光飞行焊经济效益高、时间效益高、焊缝质量高、设备稳定性好、自动化智能化程度高。激光飞行焊已成为一项成熟的技术,具有良好的的应用前景。

2.2激光填丝熔焊和激光钎焊

激光填丝熔焊和激光钎焊都是以激光为能量源熔化焊丝,从而连接两板件的焊接方式。
它们的不同之处除了填丝用料不同之外,填丝熔焊熔化母材而激光钎焊只熔化焊丝,这就决定了钎焊焊缝强度低于母材,而填丝焊焊缝强度大于等于母材。
对于激光钎焊及激光填丝熔焊,北京奔驰使用的激光焊接头均为SCANSONIC公司提供的ALO3。在北京奔驰装焊车间,激光填丝熔焊主要用于加轿车工前纵梁总成,激光钎焊主要用于加工轿车尾门。
激光熔丝焊接与传统的电弧焊接相比,焊缝质量高、焊接速度快、焊接变形小等优点。但随着电弧焊的发展创新,电弧焊的性能比起传统电弧焊也高出了很多,如冷金属过渡(CMT),很大程度地提高了电弧焊性能。
下面将分别对比以Fronius公司为代表研发的CMT电弧焊、CMT钎焊+与激光填丝熔焊、激光钎焊的工艺及性能,如表3、表4 所示。

表3 激光填丝熔焊及CMT电弧焊工艺及性能对比

由表3可知,激光填丝熔焊相对于CMT电弧焊主要优势在于焊缝质量好、焊接速度快。

图3 激光填丝熔焊焊缝及CMT电弧焊焊缝

图3a为CMT电弧焊焊缝,可以看出,焊缝热影响区较大,焊缝凸出;图3b为激光填丝焊焊缝,热影响区较小,焊缝平顺。
因此激光填丝熔焊适用于质量要求高、线速要求快的零件焊接。然而激光填丝焊前期成本高、耗材消耗大。以北京奔驰激光填丝熔焊为例,一般焊接功率5~6 k W,因此耗材消耗较大,主要消耗为保护镜片及送丝机构耗材,保护镜片平均每焊接300 m就要更换一次保护镜片。

表4 激光钎焊及CMT钎焊+工艺及性能对比

由表4 可知,激光钎焊相对于CMT钎焊+焊接速度相当,主要优势在于焊接变形量小、镀锌层烧蚀程度小。激光钎焊焊缝和CMT钎焊+焊缝如图4所示。

图4 激光钎焊焊缝及CMT钎焊+焊缝

设备稳定性方面,激光填丝熔焊及激光钎焊的工作头稳定性逊色于电弧焊工作头。
由于激光熔丝焊接时,激光需要准确打到焊丝上,即做到激光工作斑点与焊丝尖端重合。
目前激光熔丝焊接工作头都设计有调节焊丝丝嘴位置模块以达到此目标,但也无法避免长期工作过程中丝嘴位置的移动。
以北京奔驰装焊车间为例,ALO3 设备40%以上停机是由丝嘴位置移动引起的。
目前Procitec、Scansonic等公司已经开始研发新一代的激光熔丝焊工作头以解决此问题。
由上述可知,激光熔丝焊技术发展取得一定成果,但在成本方面有待于进一步降低,设备稳定性方面需要进一步提高。

3. 结论

随着激光焊接技术的发展,越来越多的汽车生产厂引进并使用激光焊接。以TRUMPF公司生产的PFO 3D为代表的激光飞行焊技术,在时间效益、经济效益、焊接质量、智能化等方面表现出优势,已经成为一种先进成熟的焊接技术,拥有良好的应用前景。以SCANSONIC公司生产的ALO3 为代表的激光钎焊及激光填丝熔焊技术在焊接速度与焊接质量上表现出优势,但在设备稳定性及经济性方面还需要进一步改进提高。

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