淺議激光焊接在汽車頂蓋的應(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，因此得以快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。本文對激光焊接工藝進行了簡要敘述，并對頂蓋激光釬焊組成、零件搭接結(jié)構(gòu)及與傳統(tǒng)焊接的優(yōu)缺點進行了詳細闡述。最后對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身材料消耗從而使得車身重量減輕，降低企業(yè)制造成本，提高汽車外觀質(zhì)量。與此同時，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，因此得以快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用。本文將對汽車頂蓋激光焊接應(yīng)用前景進行分析。

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被融化，進而在焊接區(qū)域形成液態(tài)金屬。被融化成液態(tài)金屬的焊絲會在焊接縫隙處進行連接，并在外部條件適宜的情況下，使得母材進行良好的連接。但是，在操作的過程中，需要注重工件之間的連接問題，并保障母體材料不會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)過程中能量轉(zhuǎn)換機制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成的。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。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達25000℃左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿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。孔壁外液體流動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態(tài)平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開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)合激光焊接時的焊接能量是通過半導(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在上層材料中直接進行加熱。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，焊接面的溫度會更加的穩(wěn)定和均勻，并且在焊接的過程中會產(chǎn)生不同的橫向熱流。

3汽車頂蓋激光焊接應(yīng)用

為了使得市場的需求得到滿足，我們需要對汽車制造工藝進行改善。汽車工業(yè)中的激光焊接技術(shù)在往往應(yīng)用在汽車的白車身焊接上。因此，利用激光焊接技術(shù)不但可以使汽車車身的抗沖擊性得到改善，還可以使得車身的抗疲勞效果增加，進而提高汽車的品質(zhì)。而汽車的激光焊接往往是通過計算機或PLC進行控制的，所以靈活性以及控制的機動性較高。比如汽車頂蓋應(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)濟性，并在抗腐蝕、強度及外觀質(zhì)量等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

3.1激光頂蓋釬焊的系統(tǒng)組成

汽車頂蓋激光焊接系統(tǒng)的組成如圖1所示，其中激光發(fā)生器需要在使用的過程中配合冷卻系統(tǒng)，其在工作的過程中會產(chǎn)生一定的激光，并經(jīng)過耦合之后生成具有規(guī)定波長的激光束，進而配合焊接。激光焊接頭是在傳輸焊接激光后，使其經(jīng)過光頭校準處理，并使得其成為具有一定加工性能的激光束。焊接系統(tǒng)中的機器人系統(tǒng)主要承擔(dān)焊接軌跡行走的作用，同時對焊接中的參數(shù)進行合理的調(diào)節(jié)，并給出準確的電氣信號。PLC控制臺是焊接系統(tǒng)的司令部，其主要對焊接系統(tǒng)中的各個電氣進行實時的處理，并對機器人進行協(xié)調(diào)和處理，同時實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的信號交換。

3.2頂蓋激光釬焊鈑金搭接方式

相較于電阻點焊的側(cè)圍和車頂分別作翻邊用于連接，激光軒焊車頂連接為滿足激光釬焊的焊接工藝要求，激光軒焊車頂連接為滿足激光釬焊的焊接工藝要求，車頂和側(cè)圍連接某一剖面處形成點接觸，整個接觸區(qū)域形成線接觸。由于零件制造公差、壓緊工裝和車頂自重等，導(dǎo)致車頂易下沉。為了克服車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，達到造型的光順、車頂和側(cè)圍能有效接觸和滿足制造工藝需求，同時也獲得良好的外觀質(zhì)量。

A-側(cè)圍與水平方向的夾角，保證車頂和側(cè)圍之間足夠接觸；B-車頂和側(cè)圍5°夾角，確保車頂和側(cè)圍有一個正切直線接觸；C-圓角半徑：圓角的最小要求，為了提高整車的外觀表現(xiàn)，減少焊絲的填充，降低成本；D-圓角半徑：造型要求一個連續(xù)特征線穿過車頂和風(fēng)窗玻璃E-執(zhí)行楔型塊需求平面，造型要求一個連續(xù)特征線穿過車頂和風(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，確保車頂和側(cè)圍的接觸；H-模具成型約束：折彎邊。

8.3焊接過程需要做到四點合一

為了使得激光焊接自動化系統(tǒng)的工作更加的安全、穩(wěn)定、可靠，使得自動化焊接系統(tǒng)中的機器人TCP點、激光焦點、焊絲端點、十字光標(biāo)中心，四點合一。如圖6，控制軟件和現(xiàn)場視屏顯示四點合一，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，通過較大的電流來熔化電極接觸的材料表面，所以在焊接的過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行電極維護清理，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，其更易于實現(xiàn)自動化，因此，焊接的整個生產(chǎn)流程具有非常高的柔性，同時，自動化的焊接使得焊接中的各個技術(shù)要點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：單側(cè)車頂長度1800mm，傳統(tǒng)電焊焊點40點，一個焊點焊接時間3s，采用1臺機器人焊接，頂蓋工位焊接時間：40*3=120s。采用激光釬焊，焊接速度可達70mm/s，采用采用1臺機器人焊接，頂蓋工位焊接時間：1800/70=25.7s。采用激光釬焊效率可提升4倍。

5結(jié)束語

綜上所述，本文對汽車頂蓋激光焊接的應(yīng)用進行分析，首先，介紹激光釬焊、激光熔焊以及復(fù)合激光焊接三個主要激光焊接工藝。接著分析汽車頂蓋激光焊接應(yīng)用，并對比激光釬焊和傳統(tǒng)電阻電焊技術(shù)，分別從焊接外觀、焊接柔性、焊接成本、焊接效率四個方面進行比較。據(jù)了解激光釬焊其中焊絲成本占用運營成本95%，處于運營成本考慮，許多整車廠家并未使用。因此，我們需要對激光釬焊降低運營成本降低方面進行進一步的研究。可考慮研發(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)用在汽車行業(yè)當(dāng)中。