汽車(chē)生產(chǎn)用激光釬焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘波

(神龍汽車(chē)有限公司，湖北武漢430056)

汽車(chē)生產(chǎn)用激光釬焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘波

(神龍汽車(chē)有限公司，湖北武漢430056)

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展以及人們需求的不斷提高，節(jié)能、安全、環(huán)保成為汽車(chē)技術(shù)的三大主題，而激光加工工藝的發(fā)展對(duì)解決汽車(chē)節(jié)能、安全和環(huán)保具有重要的意義。激光以其光束能量密度高、熱影響區(qū)域小、焊接速度快、深寬比大和變形小等優(yōu)點(diǎn)，在白車(chē)身制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近幾年，伴隨著我國(guó)逐漸邁向汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)的步伐，激光焊接這一前沿技術(shù)已相繼出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)主流汽車(chē)企業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)上，而其中又以激光釬焊的應(yīng)用最為廣泛。在此以某量產(chǎn)車(chē)型的行李箱蓋激光釬焊為例，結(jié)合其工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)介紹激光釬焊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并著重分析了主要核心設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)。

激光釬焊；光釬激光器；激光焊接頭；焊絲輸送；焊接機(jī)器人；夾緊工裝

0 前言

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，激光技術(shù)運(yùn)用于汽車(chē)車(chē)身制造領(lǐng)域。激光以其光束能量密度極高、加熱范圍小、焊縫及熱影響區(qū)域窄、切割和焊接速度快、深寬比大和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在白車(chē)身制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光釬焊是激光焊接技術(shù)的一種，釬焊時(shí)母材不熔化，僅釬料熔化，可以獲得光滑的焊縫表面，這不僅使產(chǎn)品更加美觀，還提高了密封性，而且顯著提高了焊接區(qū)域的強(qiáng)度，大大提升了整車(chē)的安全性能。目前，在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)制造業(yè)，激光釬焊主要應(yīng)用在可視的外圍接合件上，如行李箱上下兩部分的接合、頂蓋和左右側(cè)圍的接合、汽車(chē)C柱上下兩段的接合等。

1 激光釬焊工藝特點(diǎn)

1.1 激光釬焊原理

激光釬焊也稱(chēng)激光填絲釬焊，是在電弧釬焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的局部硬釬焊技術(shù)。與激光熔焊不同，其焊接原理并不是直接利用激光束熔化母材金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接成形，而是利用激光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲被光束能量加熱，熔化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤(rùn)到被焊零件連接處，在適當(dāng)?shù)耐獠織l件下，在界面層中生成均勻的固溶體和共晶組織，使之與工件間形成良好的冶金結(jié)合，激光釬焊原理如圖1所示。工件間的連接是通過(guò)釬焊層實(shí)現(xiàn)的，而母材本身不會(huì)被激光嚴(yán)重熔蝕損傷，使得焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡(jiǎn)單處理甚至無(wú)需處理。激光釬焊是一個(gè)獨(dú)特的焊接冶金過(guò)程，除了光和熱，在焊接過(guò)程中還伴隨著特有聲音和電荷的產(chǎn)生，這是因?yàn)榧す獾母吣芰枯斎胧购缚p上方的環(huán)境氣體和因受熱氣化的金屬鍍層蒸汽發(fā)生了電離，而焊縫上方的這層電離層被稱(chēng)作等離子云。等離子云對(duì)激光有吸收、折射和散射作用，因此一般熔池上方的等離子云會(huì)削弱到達(dá)工件的激光能量，并影響光束的聚焦效果，對(duì)焊接不利。

圖1 激光填絲釬焊原理

1.2 激光釬焊的優(yōu)勢(shì)和局限性

激光填絲釬焊作為一種新興的焊接技術(shù)，正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中，特別是在汽車(chē)白車(chē)身制造領(lǐng)域，激光填絲釬焊的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。

近些年來(lái)，激光釬焊正在逐漸成為一種替代電阻點(diǎn)焊的工藝手段，而倍受人們關(guān)注。與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊相比，以搭接焊結(jié)構(gòu)為例，激光釬焊具有單面加工、搭邊量小(質(zhì)量減輕)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加、無(wú)電極磨損現(xiàn)象、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、非接觸式加工、焊接速度快、焊接變形小等特點(diǎn)。與MIG／MAG焊以及CO2氣體保護(hù)焊相比，激光釬焊具有熱影響區(qū)小、零件不易產(chǎn)生熱損傷、填充劑熔化后自然浸潤(rùn)、熔化帶寬、無(wú)飛濺等特點(diǎn)，因此可以獲得外觀質(zhì)量更好的焊縫，而無(wú)需經(jīng)常更換焊炬、噴嘴，可大大降低加工成本。此外由于激光熱源本身能量集中，可精確控制和調(diào)節(jié)熱輸入的特點(diǎn)，使加熱和冷卻的時(shí)間很短，可獲得較高的焊接速度，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

激光釬焊雖有許多非常突出的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的局限性。激光釬焊因?yàn)槭抢眉す庾鰺嵩矗す饨?jīng)過(guò)聚焦后光斑尺寸較小，所以一般焊縫較窄，這就要求焊接件的裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有明顯偏移，若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺陷。其次，激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。激光焊接技術(shù)復(fù)雜，技術(shù)難度大，涉及到光學(xué)、焊接、自動(dòng)化系統(tǒng)工程等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，使得激光釬焊系統(tǒng)調(diào)試的難度較大，且系統(tǒng)設(shè)備需要專(zhuān)業(yè)維護(hù)，核心設(shè)備故障停機(jī)或損壞后，修復(fù)難度大(如激光頭、光源)，無(wú)形中增加了技術(shù)成本。再者，激光釬焊為不可見(jiàn)光，危險(xiǎn)性大，防護(hù)等級(jí)高，一般需要投入特殊的安全防護(hù)設(shè)施。但正是因?yàn)楣ぷ鳜F(xiàn)場(chǎng)的高要求，促進(jìn)了激光焊接設(shè)備向小型化、模塊化、高自動(dòng)化、高穩(wěn)定性和易維修的方向發(fā)展。

2 激光釬焊生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地了解激光釬焊系統(tǒng)，以某量產(chǎn)車(chē)型的行李箱蓋激光釬焊系統(tǒng)為例，初步介紹激光釬焊生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)構(gòu)成，并著重分析激光釬焊系統(tǒng)主要核心設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 激光釬焊生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)成

激光釬焊生產(chǎn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖2所示。

(1)激光發(fā)生器：產(chǎn)生并輸出一定波長(zhǎng)的激光束(集成水冷卻系統(tǒng))。

(2)光纖：負(fù)責(zé)傳導(dǎo)激光器發(fā)出的激光束到激光焊接頭(為保證設(shè)備的正常使用，一般需要有一條備用光纖)。

(3)獨(dú)立焊接工作間：由于大功率激光器的激光射線(xiàn)可對(duì)人造成傷害，須在封閉空間內(nèi)進(jìn)行焊接，以確保安全。

(4)機(jī)器人焊接系統(tǒng)：攜帶激光焊接頭，集成送絲系統(tǒng)，負(fù)責(zé)按預(yù)定焊接軌跡和焊接參數(shù)完成焊接。

(5)自動(dòng)化控制電柜：負(fù)責(zé)各種電氣信號(hào)處理，協(xié)調(diào)機(jī)器人、激光焊接頭、激光器和自動(dòng)化焊接夾具的信號(hào)交換。

(6)工裝夾具：確保零件裝配尺寸，保證焊縫位置的重復(fù)精度。

(7)抽風(fēng)系統(tǒng)：焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙霧和有害氣體，需要安裝抽風(fēng)系統(tǒng)。

某量產(chǎn)車(chē)型的行李箱蓋激光釬焊生產(chǎn)線(xiàn)的主要構(gòu)成如圖2所示，這條生產(chǎn)線(xiàn)集成了目前比較先進(jìn)的激光焊接技術(shù)，是某公司引入的第一套激光焊接系統(tǒng)，也是目前國(guó)內(nèi)首次將光纖激光器運(yùn)用到量產(chǎn)車(chē)型生產(chǎn)上。

圖2 激光焊接系統(tǒng)的主要構(gòu)成

2.2 激光釬焊系統(tǒng)核心設(shè)備簡(jiǎn)介

由圖2可知，對(duì)于一套應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)的激光釬焊系統(tǒng)而言，其主要的核心設(shè)備是激光發(fā)生器、激光焊接頭、焊絲輸送系統(tǒng)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)以及夾緊工裝。激光發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)焊接的輸出熱源，激光焊接頭是焊接工作部件，焊絲輸送系統(tǒng)為焊接輸送焊絲，機(jī)器人系統(tǒng)是自動(dòng)化焊接的工作載體，夾緊工裝保證零件的定位和裝配間隙，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生變化都會(huì)直接影響焊接質(zhì)量。

2.2.1 激光發(fā)生器

激光發(fā)生器是激光焊接系統(tǒng)最核心的部件，是系統(tǒng)的心臟。這套激光釬焊系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用IPG全光纖連續(xù)脈沖激光器進(jìn)行焊接。所謂光纖激光器，即采用摻雜稀土離子、經(jīng)過(guò)特殊封裝的特質(zhì)光纖作為激光介質(zhì)，外部導(dǎo)光部分也同樣運(yùn)用光纖進(jìn)行傳導(dǎo)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，其最大的特點(diǎn)就是一根光纖穿到底，整臺(tái)機(jī)器高度實(shí)現(xiàn)光纖一體化，而只在外部導(dǎo)光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來(lái)耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。與傳統(tǒng)的寶石棒(YAG棒)固體激光器相比，光纖激光器有著非常突出的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)YAG固體激光器的簡(jiǎn)單示意如圖3所示。其激光工作介質(zhì)為固體YAG棒，通過(guò)泵浦燈強(qiáng)光照射YAG棒，YAG晶體粒子吸收光能后發(fā)生能級(jí)躍遷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生受激輻射發(fā)出激光。這時(shí)的激光射線(xiàn)并不是全部平行于軸線(xiàn)的，那些不平行于軸線(xiàn)的光線(xiàn)經(jīng)由反射鏡組成的光學(xué)諧振腔內(nèi)不斷地來(lái)回反射，最終被反射出諧振腔外，剩下的平行光則經(jīng)由部分反射鏡變?yōu)檩敵黾す獠Ⅰ詈先雮鲗?dǎo)光纖傳輸?shù)焦ぷ鞅砻妗?/p>

圖3 傳統(tǒng)YAG固體激光器基本機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)YAG固體激光器，由于存在大量的非平行光束衰減，所以激光轉(zhuǎn)換效率比較低，一般只有30%左右，如果想提高激光轉(zhuǎn)換率，就必須增強(qiáng)泵浦光能量輸入，但過(guò)強(qiáng)的泵浦光又會(huì)使諧振腔內(nèi)的光學(xué)鏡片發(fā)生熱變形，改變鏡片的折射率，即所謂的熱透鏡現(xiàn)象，從而降低輸出光束的質(zhì)量。相比之下，光纖激光器巧妙的將光纖技術(shù)和激光原理有機(jī)的融合為一體，很好地解決了激光能量與光束質(zhì)量這一矛盾。光纖激光器以摻雜稀土離子、經(jīng)過(guò)特殊封裝的特質(zhì)光纖作為激光介質(zhì)，運(yùn)用發(fā)光二極管作為泵浦光源，以刻在纖芯兩端、起濾光作用的光纖光柵替代傳統(tǒng)的光學(xué)諧振腔，經(jīng)過(guò)特殊的包層封裝后制成激光光纖，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其最大的優(yōu)勢(shì)在于：二極管泵浦光從光纖兩端射入光纖內(nèi)包層，在光纖的內(nèi)包層來(lái)回反射，不斷的穿過(guò)摻雜稀土離子的纖芯，稀土離子發(fā)生能級(jí)躍遷，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射后經(jīng)由纖芯輸出激光。因?yàn)楸闷止膺M(jìn)入內(nèi)包層后來(lái)回反射，很少有光線(xiàn)溢出，所以其泵浦光的利用率很高，提高了激光轉(zhuǎn)換效率。且因纖芯本身充當(dāng)諧振腔，沒(méi)有傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片，避免了熱透鏡效應(yīng)，從而提高光束質(zhì)量。

圖4 光纖激光示意

在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的YAG棒一般如鉛筆般大小，且生長(zhǎng)速度很慢，一般小于1 mm／h；而光纖的纖芯只有頭發(fā)般粗細(xì)，是以SiO2為基質(zhì)材料制成的玻璃實(shí)體纖維，原料豐富，易于加工，相比稀缺的YAG棒，光纖則要廉價(jià)得多，再加上玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以光纖激光器不需要龐大的熱電制冷和復(fù)雜的水冷系統(tǒng)，只需簡(jiǎn)單的水冷甚至只需普通的風(fēng)冷即可滿(mǎn)足，這就使得光纖激光器擁有小型化、模塊化、集約化的優(yōu)勢(shì)。由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，避免了熱透鏡效應(yīng)以及腔鏡對(duì)灰塵、水分、雜物和機(jī)械振動(dòng)的敏感性，使其具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可勝任惡劣的工作環(huán)境，這是傳統(tǒng)激光器無(wú)法比擬的。光纖激光器的可光纖導(dǎo)光特性，更使其能輕易勝任各種多維任意空間的加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。圖5為IPG全光纖連續(xù)脈沖激光器，其最大激光功率3 000 W，由六個(gè)激光功率500 W的光纖激光模塊組成，外加一個(gè)備用模塊，各模塊均可實(shí)現(xiàn)快速更換。采用內(nèi)置水冷機(jī)，集成度高，占地面積小，現(xiàn)場(chǎng)安裝極為方便。由于其對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度，且有較高的安全級(jí)別，所以可工作于開(kāi)放環(huán)境，無(wú)需特殊環(huán)境要求的空調(diào)房。這些優(yōu)點(diǎn)大大降低了生產(chǎn)消耗成本和維護(hù)成本，也更適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)的需求。而此套激光釬焊系統(tǒng)作為國(guó)內(nèi)首條量產(chǎn)車(chē)型的光纖激光焊接生產(chǎn)線(xiàn)，其巨大的優(yōu)勢(shì)也正在逐漸的體現(xiàn)出來(lái)。

圖5 IPG全光纖連續(xù)脈沖激光器

2.2.2 激光焊接頭

激光焊接頭是激光焊接系統(tǒng)的直接工作部件，其核心部件其實(shí)就是一組根據(jù)特殊要求組合在一起的透鏡。激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光經(jīng)由光纖傳導(dǎo)，被很好的耦合入激光焊接頭，激光焊接頭通過(guò)透鏡組對(duì)激光束進(jìn)行整形、傳導(dǎo)，最后聚焦到工作面，利用激光焦點(diǎn)處的高能量來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。此外它還能通過(guò)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)到工作面的距離來(lái)控制激光能量密度的大小，實(shí)現(xiàn)焊接能量輸入的可控性，所以激光焊接頭通常也被形象的稱(chēng)作激光鏡頭。根據(jù)不同的加工需求，激光鏡頭可以制作成各種各樣不同的形式，在鏡頭上集成不同的功能的自動(dòng)控制模塊，來(lái)滿(mǎn)足復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)要求。

介紹的這套激光釬焊系統(tǒng)所采用的激光鏡頭是德國(guó)Scansonic公司生產(chǎn)的ALO3(Adaptive Laser Optic)自適應(yīng)可調(diào)節(jié)激光釬焊鏡頭，其最大的特點(diǎn)是具有焊縫跟蹤功能和自動(dòng)對(duì)焦功能。ALO3的工作原理及基本機(jī)構(gòu)如圖6所示。從激光器發(fā)出，經(jīng)光纖傳導(dǎo)的激光束被光纖耦合器1耦合入激光鏡頭，自動(dòng)對(duì)焦模塊2將發(fā)散的光束進(jìn)行準(zhǔn)直后轉(zhuǎn)換為平行光束，準(zhǔn)直后的平行光束再經(jīng)過(guò)反射模塊3和二次反射模塊6的兩次反射后由光學(xué)聚焦模塊7將激光束聚焦到工作面。整個(gè)焊接過(guò)程可以通過(guò)監(jiān)控模塊5進(jìn)行全程監(jiān)控，縱向伸縮臂TA通過(guò)自動(dòng)控制模塊STRG與自動(dòng)對(duì)焦模塊關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，安裝在伸縮臂上的壓力傳感器KS通過(guò)STRG與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作控制模塊4關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

焊縫跟蹤及自動(dòng)對(duì)焦原理如圖7所示。焊絲尖點(diǎn)處通過(guò)壓力傳感器感知焊縫形狀，STRG捕獲壓力信號(hào)后控制旋轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)橫向擺動(dòng)以適應(yīng)焊縫形狀；焊絲尖點(diǎn)處的縱向變化，以伸縮臂的伸縮量形式反饋到STRG，STRG控制自動(dòng)對(duì)焦模塊內(nèi)透鏡組的伸縮，使光束焦點(diǎn)始終落在焊絲的尖點(diǎn)處。此外，ALO3還可以通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦模塊來(lái)調(diào)節(jié)光斑大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接輸入能量的控制，通過(guò)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作模塊給焊絲施加外力，使其在焊接過(guò)程中始終緊貼焊縫，避免發(fā)生偏離。

圖6 ALO3的工作原理和基本機(jī)構(gòu)

圖7 焊縫跟蹤及自動(dòng)對(duì)焦原理

德國(guó)Scansonic公司生產(chǎn)的ALO3自適應(yīng)可調(diào)節(jié)激光釬焊鏡頭擁有較大的自由度，能適應(yīng)不同形狀焊縫的焊接，這給生產(chǎn)調(diào)試工作帶來(lái)了很大的方便，大大縮短了調(diào)試周期，從而更容易保證焊接質(zhì)量。

2.2.3 焊絲輸送系統(tǒng)

激光釬焊主要靠熔化焊絲來(lái)填充焊縫實(shí)現(xiàn)焊接，焊縫質(zhì)量的好壞與送絲系統(tǒng)密切相關(guān)。激光釬焊焊絲輸送系統(tǒng)的工作原理與常見(jiàn)的MIG、MAG焊接的送絲系統(tǒng)基本相似，都是靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓緊輪旋轉(zhuǎn)，靠焊絲與壓緊輪之間的摩擦力來(lái)推動(dòng)焊絲。不同的是，由于激光釬焊系統(tǒng)的焊接速度快，對(duì)焊接參數(shù)的敏感度比較高，且焊縫窄，一般都有很高的外觀要求，所以對(duì)送絲速度的精確性和送絲的平穩(wěn)性要求很高。采用盤(pán)狀絲輸送方式的激光釬焊送絲系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖8所示。為確保焊絲的穩(wěn)定輸出，采用兩級(jí)送絲機(jī)構(gòu)，焊絲盤(pán)安裝在從送絲機(jī)一側(cè)，從送絲機(jī)的主要作用就是確保抽絲順暢，盡量為主送絲機(jī)削減焊絲盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的抽絲阻力，而主送絲機(jī)安裝在盡量靠近焊絲輸出口的一側(cè)，送絲輪也增加為四個(gè)，這些設(shè)計(jì)都是為了盡可能地保證焊絲平順輸出，盡量避免對(duì)焊接造成影響。此外主送絲機(jī)上還安裝有焊絲測(cè)速器，可對(duì)送絲速度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)控制柜設(shè)置所需的送絲速度。控制柜與整個(gè)激光釬焊系統(tǒng)的工藝控制柜之間建立有信號(hào)通路，能夠?qū)崿F(xiàn)每次焊接前焊絲尖點(diǎn)到激光靶心的適時(shí)補(bǔ)償，避免焊縫起始處的缺料缺陷。

圖8 激光釬焊送絲系統(tǒng)

為了減少焊接缺陷，這套系統(tǒng)還集成了焊絲預(yù)熱裝置。焊絲預(yù)熱裝置其實(shí)就是一套電加熱裝置，裝置的兩極分別連接到焊絲和夾緊工裝上，焊接前，當(dāng)焊絲與工件接觸后形成電流回路，電阻熱將焊絲和工件局部加熱到一定溫度，所需加熱溫度的高低可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流的強(qiáng)弱來(lái)控制。焊接前的預(yù)熱能給激光釬焊帶來(lái)兩大好處：一是，對(duì)于焊絲來(lái)說(shuō)，根據(jù)熱力學(xué)原理，焊絲熔化所需的加熱溫度Δ T＝T絲－T常(T絲為焊絲的熔點(diǎn)溫度，T常為焊接前焊絲的常溫溫度)。經(jīng)過(guò)焊絲預(yù)熱后相當(dāng)于T常提高，而焊絲的熔點(diǎn)溫度T絲是由其本身材料決定的，可認(rèn)為是個(gè)常量，因此Δ T減小，也就是說(shuō)熔化焊絲所需的熱量更少。如果在焊接條件不變的情況下(激光功率和焊接時(shí)間)，焊絲熔化的時(shí)間將縮短，其處于液態(tài)的時(shí)間將延長(zhǎng)，這能使氣體更充分地溢出，避免焊縫產(chǎn)生氣孔；二是，對(duì)于工件而言，預(yù)熱電流也會(huì)使工件與焊絲接觸的地方局部受熱，加熱后的工件表面會(huì)降低對(duì)激光的反射率，更好的吸收激光熱量，加熱后的工件也更有利于液態(tài)焊絲的潤(rùn)濕和鋪展，易于形成美觀焊縫。

2.2.4 焊接機(jī)器人系統(tǒng)

焊接機(jī)器人是激光釬焊系統(tǒng)的執(zhí)行單元，其任務(wù)是攜帶著激光焊接頭，按照預(yù)先編制好的焊接軌跡并調(diào)用相應(yīng)的焊接參數(shù)來(lái)完成焊接。焊前編制好的各項(xiàng)參數(shù)，如激光器的激光功率、激光鏡頭的焦點(diǎn)能量、送絲機(jī)的送絲速度和機(jī)器人的焊接速度等，經(jīng)由工藝控制電柜調(diào)配到各個(gè)焊接軌跡點(diǎn)，機(jī)器人通過(guò)空間運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)執(zhí)行這些軌跡點(diǎn)以完成焊接。合理的焊接軌跡對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要，圖9為激光釬焊系統(tǒng)焊接軌跡參數(shù)設(shè)置。

圖9 激光釬焊軌跡參數(shù)

根據(jù)實(shí)際零件的焊縫形狀和焊接質(zhì)量要求，整個(gè)焊接軌跡需要設(shè)置多個(gè)不同的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)均被賦予一系列的焊接參數(shù)和機(jī)器人軌跡姿態(tài)參數(shù)等信息。為了方便焊接質(zhì)量的調(diào)整和后期改善，原則上，焊縫的形狀越復(fù)雜，焊接軌跡需要?jiǎng)澐值奶卣鼽c(diǎn)越多，但是過(guò)多的特征點(diǎn)會(huì)使焊縫的連續(xù)性降低，影響外觀質(zhì)量，所以在編制軌跡時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于激光釬焊來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的焊接姿態(tài)參數(shù)比較敏感，使得軌跡調(diào)試的難度較大，為此可設(shè)置多個(gè)機(jī)器人姿態(tài)的角度調(diào)節(jié)參數(shù)，給調(diào)試工作提供更大的自由度，能更容易獲得良好的焊縫質(zhì)量。

2.2.5 夾緊工裝

激光釬焊由于熱輸入小，焊接速度快，焊縫較窄(一般焊縫的寬度只有2～3 mm)，所以通常要求零件之間的夾緊間隙控制在0.1～0.3 mm，且重復(fù)精度在0.2 mm以?xún)?nèi)。要保證如此高的夾緊間隙，夾緊工裝必須要經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)。激光釬焊的零件夾緊工裝3D設(shè)計(jì)如圖10所示。為了滿(mǎn)足激光釬焊的間隙要求，這套夾緊工裝設(shè)計(jì)了多級(jí)夾緊限位機(jī)構(gòu)，如圖10中的①、②、③所示，并按一定的夾緊順序完成夾緊，目的是盡量降低因零件本身型面不穩(wěn)定而造成的夾緊間隙的波動(dòng)。此外在靠近焊縫區(qū)域的主定位夾緊面采用了分塊設(shè)計(jì)，即將整個(gè)定位夾緊面均等分割為多個(gè)小塊，每個(gè)小塊均由各自的氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊。分塊設(shè)計(jì)比起整體設(shè)計(jì)更有利于夾緊面的散熱，大大減小了夾緊面在焊接過(guò)程中的受熱變形，同時(shí)分塊設(shè)計(jì)也使得主夾緊面可分開(kāi)調(diào)整，更有利于整條焊縫夾緊間隙的均勻一致。

圖10 激光釬焊夾緊工裝3D設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)論

激光焊接技術(shù)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)階段后，在最近十幾年得到了快速的發(fā)展，由于其技術(shù)上具有極大的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)制造領(lǐng)域。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，作為新技術(shù)應(yīng)用的先驅(qū)者，激光焊接已經(jīng)變得越來(lái)越普遍，大有取代傳統(tǒng)技術(shù)的趨勢(shì)。而在國(guó)內(nèi)，隨著我國(guó)正在逐步變成世界最大的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)，越來(lái)越多的新制造技術(shù)將會(huì)被國(guó)內(nèi)的汽車(chē)企業(yè)應(yīng)用，激光焊接技術(shù)作為新制造技術(shù)的代表，一定會(huì)在汽車(chē)制造領(lǐng)域取得豐碩的成果。

Design of laser brazing system applied in automobile

PAN Bo
(Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China)

As the development of automobile industry and improvement of people's requirement，energy saving，safety，environment protection become the three primary topics of automobile technology.At meantime，the improvement of laser process technology have important signification for energy saving，safety，environment protection.Laser welding depend on high density of energy，small heated effect area，high welding speed，big depth breadth ratio of seam，less distortion and so on，was widely applied in the manufacture of automobile.Recent years，as China is becoming the biggest car's factory and market of the world，laser welding which is the advanced technology was applied in primary Chinese car company gradually，but the application of laser brazing is the widest in automobile field.This text illustrate that the laser brazing was applied in the trunk lid welding，for introducing the design of laser brazing system to readers，and especially analyses the primary equipments of this system.

laser brazing；fiber laser；laser welding head；welding wire feeding；welding robot；fixture

book=17,ebook=334

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0017－06

2010－09－21

潘波(1981—)，男，廣西南寧人，學(xué)士，主要從事汽車(chē)焊接工藝的研究工作。