激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到各汽車廠家的高度重視。長安福特馬自達(dá)從建廠初期就引進(jìn)了福特成熟的激光焊接技術(shù)，極大地提高了車身的焊接質(zhì)量。
激光焊是利用高能量密度的激光作為熱源的一種高效、精密的焊接方法。隨著航空航天、汽車、微電子等行業(yè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)形狀越來越復(fù)雜，人們對產(chǎn)品加工精度和表面完整性，以及生產(chǎn)效率、工作環(huán)境的要求越來越高，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足要求，以激光為代表的高能焊接方法得到廣泛應(yīng)用。激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到各汽車廠家的高度重視。福特工廠在20世紀(jì)80年代已廣泛應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)，長安福特馬自達(dá)從建廠初期就引進(jìn)了福特成熟的激光焊接技術(shù)，極大地提高了車身的焊接質(zhì)量。
激光焊的原理及特點(diǎn)
激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。按激光器輸出能量方式的不同，激光焊可分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊（包括高頻脈沖連續(xù)激光焊）；按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分為傳熱焊和深熔焊；在激光深熔焊中又分為對接焊（釬焊）和搭接焊，前者需要填釬料，外觀美觀。
激光焊的優(yōu)勢主要包括：激光焦點(diǎn)光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的合金材料；激光焊是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題；激光能量和移動(dòng)速度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)多種焊接加工；自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快、功效高，可方便地進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接；熱影響區(qū)和材料變形小，無需后續(xù)工序處理；激光可通過玻璃，焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件；易于導(dǎo)向、聚焦，實(shí)現(xiàn)各方向變換；激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益好。
激光焊接設(shè)備
激光焊接設(shè)備主要由激光器（固體、氣體、半導(dǎo)體）、導(dǎo)光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工件裝夾及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等主要部件和光學(xué)元件的冷卻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)裝置、過程與質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)、工件上下料裝置及安全裝置等外圍設(shè)備組成。
1. 激光器
用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。CO2氣體激光器功率大，是目前深熔焊主要采用的激光器，但從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，在汽車領(lǐng)域，YAG 固體激光器的應(yīng)用更廣。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用愈加廣泛，由于其具有占地面積小、功率大、冷卻系統(tǒng)小、光可傳導(dǎo)、備件更換頻率和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)深受用戶青睞，長安福特馬自達(dá)工廠所使用的固體激光器和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)參數(shù)比較如表所示。
2. 光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)
光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光的傳送、方向和焦點(diǎn)控制。光學(xué)鏡片的狀態(tài)對焊接質(zhì)量有著非常重要的影響，因此要對光學(xué)鏡片進(jìn)行定期維護(hù)。
3. 焊接機(jī)器人
焊接機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)，可精確控制激光焊接軌跡，并攜帶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。
激光焊的應(yīng)用
長安福特馬自達(dá)工廠采用激光焊接技術(shù)主要對車身頂蓋與側(cè)圍的接合處進(jìn)行焊接，并對車身的部分零件進(jìn)行切割。采用激光焊后，可達(dá)到兩塊板材之間的分子結(jié)合，且板材變形極小，幾乎沒有連接間隙，從而將車身強(qiáng)度提升30%。此外，因激光焊形成的是連續(xù)焊縫，經(jīng)過打磨器打磨后表面非常光滑、順暢，在外觀上比普通點(diǎn)焊更美觀（如圖1所示）。
固體激光器和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)參數(shù)對比
1. 對接焊（釬焊）
在蒙迪歐致勝車型焊接中，我們采用了激光釬焊技術(shù)。以激光作為熱源，以銅絲作為釬料，以機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行高效、潔凈的焊接。激光釬焊系統(tǒng)的組成部分及功能主要包括：
（1）機(jī)器人（德國KUKA）：控制運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)和激光動(dòng)作。
（2）送絲機(jī)（FRONIUS）：激光銅焊所用焊絲由該設(shè)備控制，送絲速度、送絲開始和結(jié)束時(shí)間及預(yù)熱參數(shù)等由機(jī)器人程序發(fā)給送絲機(jī)進(jìn)行控制。
（3）激光器（德國LASERLINE）：提供焊接所需的能量，最大輸出激光功率為4kW，使用2 700W的能量進(jìn)行焊接，雙通道輸出。
（4）冷卻器（德國RIEDEL）：對激光源冷卻水進(jìn)行降溫，采用熱交換器，其內(nèi)部用的是“自來水”，激光源用的是蒸餾水，其熱量通過車間循環(huán)水帶走。
（5）聚焦系統(tǒng)（德國HIGHYAG）：對光聚焦，含有防撞、機(jī)械定位等功能。
（6）焊接工件：激光銅焊采用對接焊，在中間補(bǔ)材料。
（7）測試夾具：當(dāng)有焊接質(zhì)量問題時(shí)，需在此夾具上焊接試件，調(diào)整到最佳狀態(tài)。
激光釬焊采用的是對接焊，對程序調(diào)整和設(shè)備穩(wěn)定性要求較高，極少的一點(diǎn)變動(dòng)都有可能導(dǎo)致整車的報(bào)廢。其影響質(zhì)量的因素包括：激光頭聚焦位置、機(jī)器人運(yùn)行速度、送絲速度、預(yù)熱電流及銅絲質(zhì)量等。常見質(zhì)量問題：漏焊、小孔、焊穿及焊絲熔化不全等。若長度小于100mm可用等離子MIG焊補(bǔ)（銅）；長度大于100mm，則需采用激光補(bǔ)焊。
圖2 總線設(shè)計(jì)
2. 搭接焊
該焊接方式主要用在VOLVO車型中，以激光作為熱源，以機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，無釬料，兩板材結(jié)合方式為搭接。激光搭接焊系統(tǒng)的組成部分及功能包括：
（1）機(jī)器人（ABB）：控制焊接運(yùn)行速度，聚焦系統(tǒng)姿態(tài)、焊接參數(shù)等。
（2）聚焦跟蹤系統(tǒng)（瑞典PERMANOVA）：控制焊縫檢測、軌跡引導(dǎo)和安全防護(hù)等。
（3）聚焦系統(tǒng)（瑞典PERMANOVA）：調(diào)整光束，聚焦，與軟件配合使用。
（4）工件：采用搭接焊。
（5）激光器（TRUMPF）：提供焊接所需的能量。
（6）車身定位控制設(shè)備：對車身進(jìn)行固定，由機(jī)器人用光電開關(guān)重新建立工件坐標(biāo)系。
該焊接方式穩(wěn)定性較高，工藝沒有激光釬焊復(fù)雜，外觀美觀。
3. 激光焊接質(zhì)量控制
為了保證每一臺(tái)車的激光焊接質(zhì)量都合格，長安福特馬自達(dá)工廠擁有一套完善的質(zhì)量檢測控制體系。激光焊接質(zhì)量控制主要由外觀檢查、晶相分析和拉力試驗(yàn)三大部分組成，各部分都有相應(yīng)的檢測指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格要求。
車體從激光焊工位傳出后，由現(xiàn)場操作者對激光焊焊縫外觀進(jìn)行檢查，如焊接不良則進(jìn)行返修或報(bào)廢。同時(shí)，每月抽檢一個(gè)車進(jìn)行破壞試驗(yàn)，并對激光焊焊縫進(jìn)行晶相分析和拉力試驗(yàn)（如圖2所示）。
激光焊常見的應(yīng)用問題
1. 氣孔、漏焊、焊穿
出現(xiàn)該問題的主要影響因素有：焊接壓力（搭接焊）、保護(hù)氣、焊接軌跡、聚焦位置及送絲系統(tǒng)（對接焊）。激光釬焊工藝較復(fù)雜，對技術(shù)要求較高，其發(fā)光、送絲和通電流的時(shí)間差要達(dá)到較好的配合，才能有效保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。在頂蓋與側(cè)圍結(jié)合的始端和末端處，如果出現(xiàn)無絲、絲過多和燒穿等問題，可調(diào)節(jié)程序中光、絲和電流的時(shí)間差來解決。
2. 中途停焊
目前，該問題在國內(nèi)外汽車激光焊接的應(yīng)用上普遍存在。總的來說，其影響因素主要分為軟件和硬件兩個(gè)方面。硬件方面主要包括：激光源、聚焦系統(tǒng)、光纖、冷卻器、送絲機(jī)及機(jī)器人。軟件方面主要包括：機(jī)器人程序、PLC程序、安全PLC程序、電壓穩(wěn)定性、激光程序、聚焦系統(tǒng)程序及軌跡跟蹤引導(dǎo)程序。其中，PLC程序和電壓穩(wěn)定性對該故障影響較多，由于目前能源較緊張，且部分工廠在建廠初期未能將大功率設(shè)備與精密設(shè)備（控制系統(tǒng)）的電源線路有效分開，造成工廠內(nèi)部電壓波動(dòng)較大，激光焊接設(shè)備不能正常工作，故障頻率高。在編輯PLC程序時(shí)，因考慮了過多且部分不必要的互鎖，造成外部條件出現(xiàn)極小變化，激光和機(jī)器人便停止工作。
3. 激光失控（安全）
在設(shè)計(jì)激光焊接設(shè)備總線連接時(shí)，要充分考慮到安全性，如果總線出現(xiàn)故障，機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)對激光的控制，停止激光？從圖3可以看出，在PROFIBUS總線中，激光源作為機(jī)器人的子站，而機(jī)器人又作為PLC的子站。在SAFETYBUS總線中，機(jī)器人和激光源都作為安全PLC的子站。但該設(shè)計(jì)圖有一個(gè)問題，由于激光源與機(jī)器人之間無總線看門狗，一旦機(jī)器人的總線出現(xiàn)一個(gè)閃斷，機(jī)器人就會(huì)因診斷到自身總線錯(cuò)誤停止運(yùn)動(dòng)，但激光無法得到機(jī)器人發(fā)給的停止信號，便會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人停、激光不停的危險(xiǎn)狀態(tài)。為了避免此問題發(fā)生，可以采用如圖3上綠線部分的措施，即通過機(jī)器人將信號傳給PLC，再由PLC傳給安全PLC，最后由安全PLC來停止激光；也可將激光源作為PLC的子站，直接由PLC來進(jìn)行控制。
結(jié)語
激光焊接技術(shù)經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，已深入到包括汽車行業(yè)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。高效、快捷、自動(dòng)一體化，使激光焊接技術(shù)占據(jù)了極大優(yōu)勢，但同時(shí)也暴露出一些問題，穩(wěn)定性和成本方面與普通電阻焊相比，還有待提高。激光焊接技術(shù)在長安福特馬自達(dá)工廠的應(yīng)用，不僅提高了車體質(zhì)量，使汽車品質(zhì)更具競爭力，而且培養(yǎng)和鍛煉了一批激光技術(shù)應(yīng)用人才，為以后車型的激光焊接技術(shù)應(yīng)用儲(chǔ)備了能量。
（轉(zhuǎn)載）
