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汽車制造鐳射焊接技術應用現狀及發展

發佈時間 : 08/28/2018 瀏覽次數 : 179
引言

汽車工業是一個需要大量加工和測試的生産型産業,也是鐳射技術應用最廣泛的行業之一,安全性、舒適性、節能和環保一直是世界汽車工業發展的主題,鐳射技術作爲現代汽車生産中的主要加工方法之一,其發展也主要是圍繞著這一主題並結合本專業的自身特點進行的。由于鐳射焊接工藝優越性、效率高、柔性好等優勢,隨著汽車輕量化概念、安全性能觀念日益增強,鐳射焊接與切割工藝在汽車工業領域將得到更多重視和廣泛應用。

汽車制造過程中,鐳射技術主要用于車身不等厚板的拼焊、車身焊接和汽車零部件焊接。鐳射焊接運用于汽車,可以降低車身重量並達到省油的目的;提高車身的裝配精度,使車身的剛度提升30%從而提高了車身的安全性;降低汽車車身制造過程中的衝壓和裝配成本,減少車身零件的數目並提高車身一體化程度。

鐳射焊接工藝與應用

1.鐳射自熔焊接

鐳射自熔焊,即焊接的兩部分或多個部分自身熔化並最終冷卻凝聚成一體,該焊接方式不需要添加輔助的焊劑或填料,完全利用工件自身材料熔接在一起。

當鐳射光斑照射到工件表面上的功率密度達到106W/cm2以上時,工件在鐳射的照射下被迅速加熱,其表面溫度在極短的時間內升高到沸點,使金屬熔化和汽化。在液態金屬中形成一個充滿金屬蒸氣的細長孔洞。當金屬蒸氣的反衝壓力與液態金屬的表面張力和重力平衡後,小孔不再繼續加深,形成一個深度穩定的小孔,小孔周圍就是焊接熔池,小孔隨著鐳射而移動,小孔閉合後便形成焊縫,實現鐳射深熔焊接。原理圖如圖1所示:

圖 1 鐳射自熔焊接原理圖
 
在車身制造中,采用鐳射焊技術,可以提高産品設計的靈活性,降低制造成本,提高車身的剛度,提高産品的競爭力。鐳射焊接焊接速度較快,所以焊接接頭的熱影響區較其他的焊接方法小,幾乎沒有焊接變形。這樣可極大地提高了車身的結構和匹配尺寸、門蓋與側圍的平度與密封效果、風擋玻璃與風窗口的匹配與密封,以及實現多層板的優質連接,達到較高的車身強度。

另外,由于現代汽車車身多采用鍍鋅鋼板或優質高強鋼,如果采用傳統的點焊技術,由于三層板和鍍鋅的緣故,必須采用較大的焊接電流和焊接壓力,其結果必然導致焊點質量下降和焊點變形嚴重,從而導致裝配質量下降。惟一可行的是采用中頻點焊連接技術和鐳射熔焊連接技術。就點焊本身而言,焊點的強度可以很高,但沒有焊點的部分還是斷續分離的,在車身整體強度方面要比焊接成一體的鐳射焊接接頭強度要低。

點焊的不連續性和其自身的特點:如焊點容易變形,尤其是在焊接三層板連接、鍍鋅板連接和高強鋼的連接時,焊接變形較大,導致焊點處的平整度降低及産生縫隙,而且點焊會造成焊接點周圍的母材熱影響區強度下降,車輛遭嚴重撞擊時的斷裂部位往往是在該處。

鐳射自熔焊在汽車車身制造中組要分爲兩大部分:車身組焊和拼焊。

1.1車身組焊

組焊主要有頂蓋和側圍的連接、側圍組焊以及車門焊接,如寶馬、大衆、福特、通用、沃爾沃和歐寶等汽車品牌,均使用過鐳射自熔焊進行頂蓋與側圍的連接。但隨著技術的發展,鐳射組焊越來越廣泛的應用于這一部位的焊接,目前只有沃爾沃仍在堅持使用鐳射自熔焊;側圍方面福特SUV和轎車分別有一款使用鐳射自熔焊,大衆的很多車型也在使用。
圖2鐳射自熔焊應用

1.2汽車鐳射拼焊

拼焊板(Tailor-welded blank, TWB)是由不同強度、不同厚度或不同塗層的鋼材焊接而成,由于鐳射焊接高效、焊縫成型好等優勢,目前的汽車拼焊板都采用鐳射焊接而成。與普通鋼板相比,拼焊板的優點主要有以下三個方面:

減輕車身重量—應用焊接的方法優化板料的厚度來減少重量;
提高車身服役和碰撞性能—主要包括安全、駕駛性能、疲勞和耐蝕性能和車身剛性等;
降低成本—主要從減少材料、減少加工程序和減少模具數量考慮。

采用鐳射拼焊板應用于車身制造,可以減少零件、模具及焊接工裝數量,降低車身自重和成本,並提高産品的市場競爭力。圖3中爲拼焊板在汽車白車身中的主要應用,主要應用在覆蓋件居多,也有些使用在結構件上。

 
圖3 拼焊板在汽車上的主要應用

拼焊板焊縫形式

汽車拼焊板按焊縫類型分類可以分爲三類:
1、單條直線焊縫;
2、複數直線焊縫;
3、非直線焊縫。
如圖5所示,其中以單條直線焊縫類型應用最多,生産工藝也相對簡單。非直線焊縫最複雜, 一般根據衝壓件成型後的形狀設計焊縫, 從而提高産品的強度和衝壓性能。

 
圖4汽車拼焊板焊縫類型及應用實例
 
由于汽車拼焊板後續都要進行衝壓成型,所以對拼焊板的成型質量和缺陷控制要求特別嚴格。主要包括外觀( 結疤、裂縫、夾雜、孔洞和劃傷等) 、焊縫成形( 焊縫寬度、焊瘤凸出、焊縫有效深度、背面斷差和焊縫錯邊等)和力學性能等( 對焊縫進行拉伸、杯突、硬度和彎曲等測試) 方面的要求。例如, 要去在拉伸性能測試中在非焊縫區域斷裂, 杯突試驗中開裂的區域不能在焊縫或杯突值大于規定值。

鐳射拼焊板發展現狀

此項應用最早源于Audi100車的底板拼焊,目前已推廣到各大汽車公司。豐田公司Tahara工廠生産的淩志(Lexus)車門板原來是用2種不同厚度、5種不同表面處理的多塊鋼板組成,現在只用1塊鐳射拼焊板代替,大大提高了生産率。BMW公司1/3的汽車已采用鐳射拼焊板。

在美國,1997年用于汽車工業的鐳射拼焊板將近1500萬件,2000年達到4000萬~6000萬件。德國的大衆, 日本的本田、日産和豐田, 美國通用汽車公司, 瑞典沃爾沃汽車公司和長春一汽等, 現在基本每一款車型都有鐳射拼焊板的應用。目前國際上提供鐳射拼焊板的鋼鐵公司主要爲蒂森克虜伯和阿賽洛集團。

國內的鐳射拼焊板公司主要爲上海寶鋼阿賽洛鐳射拼焊有限公司。武鋼也通過收購蒂森鐳射拼焊集團的方式宣布進軍鐳射拼焊行業。有專家預言,鐳射拼焊板將成爲一項數十億美元的産業。此外, 由于鐳射拼焊板的高附加值, 國內越來越多的汽車配件廠商也將目光投向了汽車鐳射拼焊行業。然而, 鐳射拼焊成套設備相關技術一直被國外相關廠商掌握, 其單套幾千萬的價格也讓國內中小廠商望而卻步。

由于鐳射拼焊板的高附加值,國內越來越多的汽車配件廠商也將目光投向了汽車鐳射拼焊行業。然而,鐳射拼焊成套設備相關技術一直被國外相關廠商掌握,但其單套設備的價格都在千萬級別以上。隨著國內汽車制造業的發展,國內市場對汽車拼焊板的需求也越來越多,國內拼焊設備也得到一定的發展。

大族激光從2009年開始對拼焊設備和焊接工藝進行研發,大族激光一直進行著不等厚拼焊鐳射焊接焊接工藝的研發,這一過程與焊接設備同時進行,對設備提供實際改進經驗。

 
圖5大族激光不等厚拼焊板鐳射拼焊設備a) 機械壓緊式;b) 磁鐵吸緊式
 
HWF40鐳射拼焊機是大族激光自主研發的機型, 采用光纖鐳射器, 配置雙工位進行焊接, 雙工位的配置最大限度的提高了鐳射器的利用率和生産效率。焊接夾具采用可調級電磁鐵産生的吸力來替代傳統拼焊設備液壓機構向下的壓力來達到固定板材並克服焊接時産生的應力。此方式能完全避免使用液壓壓緊裝置造成板材表面的壓痕及劃傷, 且能解決液壓機構各處壓爪壓力不均現象。

電磁鐵集成的水冷系統能及時帶走焊接時産生的熱量, 避免持續焊接造成熱積累而導致板材變形。焊接頭配備隨動的抽風機構, 能及時帶走焊接時産生的大量煙塵以保證焊接質量, 極大的提高了焊縫的均勻程度以及板面的清潔度。目前, 該機型已交付客戶生産使用, 具有穩定性高的特點, 得到客戶的高度肯定。

另外,該公司通過近幾年來的技術積累與研發,成功的研發與制造了多款鐳射拼焊設備,包括手動鐳射拼焊設備,半自動鐳射拼焊設備和全自動鐳射拼焊生産線,可有效滿足各種類型的鐳射拼焊板的生産需求。

 
圖 6 全自動鐳射拼焊板生産線

 
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