汽車座椅激光焊接工藝研究闡述

錢志剛

摘 要：近年來，隨著社會經濟的繁榮發展，激光技術得到充足的完善。由于激光焊接工藝具備高質量、高精度、低變形等特性，現階段汽車工業柔性、模塊化生產方式的基本需求，激光焊接工藝在汽車工業領域的應用范圍越來越廣泛。

關鍵詞：激光焊接；工藝；汽車工業；汽車座椅

中圖分類號： U463 文獻標志碼：A

隨著汽車工業的快速發展，人們對于汽車座椅的安全性和舒適性的要求也隨之提高。另外，座椅的調節又影響著乘客乘坐的舒適度，可根據不同乘客需求適當進行調整。以往汽車座椅采取的焊接工藝大都是點焊、弧焊技術，其中點焊技術存在顯著缺陷，比較容易變形、一般情況下，點焊預留空間都會比較大，而且焊接速度過于緩慢，由此可見，以往的傳統焊接方式根本無法契合現代汽車工業發展的實際應用需求。反觀現在興起的激光焊接技術則完全不存在以上缺陷。所以這個激光焊接被廣泛應用于汽車工業領域。

1 激光焊接的原理

激光焊接主要是通過激光技術來實現能源焊接，通過使用光學振蕩設備以及利用包括電能、化學能在內的原始能量進而激發出固態、業態、氣態等不同介質，在此之后會形成相位相同、波長集中的光束，正是由于這些光束具備以上特性，所以差異角都顯得特別小，傳播距離則顯得較長，這樣的光速可實現高度集中利用。激光束的功率與金屬表面是否可以發生汽化密切相關，當其密度較大時，如果將激光束照射在金屬表面上，金屬表面溫度就會迅速增高，在較短的時間就可以使其溫度達到沸點后發生汽化。金屬蒸汽在其速度達到特定程度時，就可離開金屬熔池表面，此時會更加不利于金屬融化。金屬會出現向下凹陷的情況，形成一個小凹坑。隨著溫度上升，金屬表面凹陷處會逐漸成為一個細長的小孔。隨著激光束的移動變化，小孔前方融化的金屬會繞開小孔流向后方，然后凝固成焊縫。焊縫是深是淺與激光功率密度高低密切相關，如果所采用的激光功率密度比較低，那么熔深會比較淺、深寬卻比較小。焊接熔深是指在焊接接頭橫截面上，母材或者是焊道焊縫融化的實際深度。激光功率密度比較高時熔深也會加大，深寬也會加大，此時易形成穿透性焊縫?，F階段，包括汽車座椅在內的很多焊接工藝皆是采用這種激光焊接技術。

2 激光焊接的特點和優勢

2.1 激光焊接的基本特征

進行激光焊接的工件變形極小，幾乎不存在連接間隙，而且激光焊接的深度和寬度比普通焊接都要高。利用激光技術主要是通過監測激光焊接過程與質量控制來保證激光焊接的質量，激光技術利用領域主要涉及電感、電容、聲波、光電等各種傳感器的利用。并利用計算機做進一步的處理，根據不同焊接對象自身特點和要求，完成焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質量監測等項目，根據實際反饋信息適當調整焊接工藝參數，實現自動化激光焊接。在激光焊接中，光束焦點是控制工藝參數的關鍵因素之一，在激光功率和焊接速度一定的情況下，焦點位置決定熔深的大小和焊接形狀的好壞。在激光焊接的實踐過程中，為保持焦點位置相對穩定，可通過專業設備技術來減少或避免影響其穩定性的因素，由此可見，設備精確度與激光焊接質量是相互影響作用的。

2.2 激光焊接的優勢

2.2.1 激光焊接相對普通焊接的優勢

與普通焊接工藝相比，激光焊接有以下優勢。一是焊接速度快。激光焊接比傳統焊接技術要快得多，焊接速度最高可達20m/min；二是激光束光斑小。功率密度大，加熱范圍小，所以焊接速度較快。同時激光焊接是非接觸性的，因此它的殘余應力比較小，焊接變形程度也較小，這方面因素直接影響焊接質量；三是焊接強度高。比普通焊接要高得多。而且激光焊接熱變性較小，相鄰的金屬不具備機械扭曲功能；四是縮小預留焊接邊緣，減少搭接寬度和加強焊接時可能用到的部件，因此可有效節約材料用量，優化完善設計，座椅設計可變得更加柔性化；五是激光束易聚焦，主要通過反射鏡或光纖等工具改變光的走向，它的激光束可達性較強，其他焊接不容易接觸的工件部位它可以完成焊接；六是激光焊接實際操作時的非接觸性有效降低了易損件的更換率和維護次數，不但在很大程度上減少了成本浪費，而且優化焊接效率；七是激光焊接具有熔池凈化功能，這種功能可以凈化焊縫金屬。這樣焊縫雜質含量減少，可有效提升焊接質量。

2.2.2 汽車座椅激光焊接的優勢

激光焊接工藝經常用于汽車座椅的第二排靠背上，汽車座椅的第二排靠背傳統焊接工藝基本集中在金屬板材周圍分布，促使背板與加強梁焊接后可承受18kN外力的沖撞測試。傳統座椅焊接受其工藝要求及工藝參數限制，機器人大概需要2.6s左右的時間焊接一個點。座椅的第二排靠背大概有60～90個焊點，單件制造時間較長。而激光焊接工藝可以大幅度縮短焊接時間。為滿足當前高產能需求，傳統焊接基本需要投入多個機器人電子點焊站，而現代激光焊接只需要構建一個機器人焊接單元就可以實現，有效節約廠房占地面積和減少機器人電阻點焊工作站所耗用的人力資源。此外，激光焊接結構強度明顯要比傳統焊接結構強度要好得多。

3 汽車座椅激光焊接工作站的組成部分

3.1 安全房

安全房與焊接工作站類似，可以促使焊接減少環境污染、焊接環境更加安全。

3.2 激光器

當前激光器主要分為兩大類：一類是固體激光器，另一類是氣體激光器。綜合輸出光束的質量和功率考慮，氣體激光器比固體激光器更具有優勢。而國外在大功率固體激光器研制生產上取得了較大進展，最大功率達到 5kW并迅速投進了市場。固體激光焊接不僅促進金屬表面吸收，同時還能使用光纖傳輸，把導光系統簡單化，因此固體激光器與氣體激光器相比更具優勢。

3.3 光導和聚焦系統

光導和聚焦系統主要是由圓偏振鏡、反射鏡或聚焦鏡等部分組成，它們與激光焊接質量密切相關。激光功率較大時，受其影響光學部件會逐漸劣化，甚至導致激光束透過率降低；同時光學部件表面污染將增加傳輸中能源損耗，最終導致聚焦距離發生變化，直接影響焊接的質量和效果。由此可見，要想保證優質的焊接質量，必須要嚴格把控光導部件的質量，以及做好焊接過程中維護和監測工作。

3.4 焊接機器人

焊接機器人就是實現光束與工件的相對運動，完成激光焊接。因為焊接機器人有6個自由度，因此可對多個角度進行柔性焊接。

3.5 焊接夾具

焊接夾具可以促使座椅連接件的位置更加精確，還可以有效地防止和矯正部分焊接變形。以往焊接模式模塊較多，強度大，但由于焊槍具備可達性的特性，導致局部定位極為受限，進而導致焊后變形難以掌控。激光焊接夾具不用考慮預留較大的焊接空間，可均勻支撐壓緊工件，以應對傳統焊接無法定位焊接的地方，此時激光焊接存在顯著優勢。

3.6 控制系統

系統全部選用PLC控制，在懸臂上外置觸摸屏，人機交互性好。

3.7 監控系統

激光焊接領域研究過程中，其研究重點就是對激光焊接整個過程監測與控制工作的研究。其監控系統主要是由攝像頭、顯示器和控制系統等主要部分構成的。再利用工作站內的高速攝像機及外圍放置在懸臂上的顯示器來進行機器人運動的控制觀察，進而監控整個激光焊接過程。

3.8 輔助系統

激光焊接工作站的輔助系統包括排塵裝置、PFO固定臺和編程工作臺等。

結語

綜上所述，激光焊接工藝的產生完美地取代了傳統點焊、弧焊工藝，促使座椅各部件的焊接工藝得到了很大的提升，隨著激光焊接工藝的不斷發展及工業自動化程度的逐漸提高，在不久的未來，激光焊接技術會廣泛應用于各個領域。

參考文獻

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