歐美汽車制造廠對激光焊接技術(shù)的成熟使用，已經(jīng)使激光的白車身焊接不再是一種高端的焊接技術(shù)。在激光白車身焊接技術(shù)隨著大眾、奧迪等德系車剛剛進(jìn)入我國汽車制造領(lǐng)域時，由于德系車廠當(dāng)時對激光焊接的技術(shù)壟斷，經(jīng)過激光焊接的高強(qiáng)度車身一度成為他們在市場中宣傳的亮點。
近十年來我國的眾多汽車制造廠也紛紛開始應(yīng)用激光進(jìn)行白車身的焊接，在亞洲已經(jīng)走在日韓車系的前面。在對國外技術(shù)實行引進(jìn)-模仿-國產(chǎn)化的道路上，我國汽車制造廠不斷突破重重技術(shù)難題，在歐美車系對激光成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，積累了自己的經(jīng)驗和成果。如江淮汽車的大尺寸、長行程的薄板結(jié)構(gòu)件的焊接，就是在德系車激光站的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適合自己工藝特點的改裝后投產(chǎn)運行的。
在我國汽車制造廠在激光技術(shù)的引進(jìn)-模仿-國產(chǎn)化道路中，廣州阿比泰克焊接技術(shù)有限公司作為Scansonic激光產(chǎn)品在中國的銷售和服務(wù)總負(fù)責(zé)，在中德之間架起了一道技術(shù)交流的橋梁，多年以來不斷將德系車在白車身焊接方面的經(jīng)驗和理念引進(jìn)回國，并與我國本土汽車制造廠進(jìn)行交流，從很多激光項目的調(diào)研階段起就提供技術(shù)支持與項目可行性探討，以公司在德國的強(qiáng)大工程師團(tuán)隊和16年的激光白車身焊接經(jīng)驗為基礎(chǔ)，在很大程度上為國產(chǎn)汽車制造廠縮短了激光項目的前期調(diào)研時間，減少了研發(fā)經(jīng)費，降低了使用風(fēng)險。
以下本文將向讀者介紹激光在白車身焊接的使用發(fā)展歷程中，在焊接過程中通過對激光光束的即時控制提高焊接精度而確保焊接質(zhì)量，進(jìn)而最大化的利用了激光焊接的優(yōu)點做詳細(xì)介紹。并對目前德系車制造廠在以提高生產(chǎn)節(jié)拍和車身輕量化的要求前提下，對激光在白車身焊接中提出的新的要求和設(shè)想，以及未來發(fā)展趨勢和所取得的研究成果做了一定闡述。希望對讀者和我國本土汽車制造廠在認(rèn)識國外激光焊接技術(shù)和未來發(fā)展方向上有一定幫助，也歡迎大家與我們之間相互學(xué)習(xí)進(jìn)行更多的技術(shù)交流，為提高我們自主品牌汽車在市場上的競爭力出一份力。
激光焊接白車身薄板最顯著的優(yōu)點是能量集中，焊接速度快。但在高速的焊接過程中，如何確保焊接質(zhì)量一直是所有汽車制造廠關(guān)注的焦點。
不同焊縫搭接形式可采用的焊接工藝不同，焊接強(qiáng)度也有所不同，要分析如何在白車身焊接中得到滿足各汽車制造廠所規(guī)定的焊縫強(qiáng)度，在此我們先總結(jié)一下目前汽車白車身焊接所采用的幾種主要焊縫搭接形式和用于這些搭接形式的焊接工藝。
焊接工藝上分為激光溶焊和激光釬焊
激光溶焊具有功率密度高，加熱集中，可以焊接高熔點材料，焊縫寬度小，直線性好，焊縫技術(shù)強(qiáng)度相對較高等優(yōu)點。缺點是焊縫易腐蝕，焊接中熔孔穩(wěn)定性要求高，焊接參數(shù)調(diào)節(jié)范圍小，焊縫缺陷率很高，焊縫表面不平整，需后續(xù)打磨工序。
激光釬焊的優(yōu)點是，激光能量底，熱影響和車身變形小，可焊接復(fù)雜的幾何形狀，鍍鋅層燒損少，焊縫不宜腐蝕，焊接參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，焊接飛濺少，焊接狀態(tài)穩(wěn)定，焊縫缺陷率極低，焊縫成形美觀，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。在無焊接缺陷的前提下對比溶焊所得到的焊縫強(qiáng)度略低，激光釬焊對焊絲和光斑以及焊點三處的相對位置精度要求高。
白車身目前普遍采用的焊縫搭接方式有以下幾種，雙層/多層重疊搭接，角焊縫，法蘭對接焊縫。
不同的車身部位目前采用的搭接方式不同，主要是出于對母材材質(zhì)，焊縫強(qiáng)度，外觀以及焊接成本等因素的考慮。
雙層/多層重疊搭接
目前采用最多的焊縫搭接形式，主要用于汽車A，B，C柱、車底、側(cè)圍、擋泥板等多個部位。這種拼接方式主要采用激光深熔焊，焊接精度要求低，形成的焊縫強(qiáng)度高，設(shè)備價格低，操作簡單。但在焊接鍍鋅板以及表面帶有油和水的材質(zhì)時，由于鍍鋅層和水油氣的揮發(fā)極易形成氣孔甚至透洞等焊接缺陷。在焊接前大多需要對板材打錨，使板材間形成空隙，易于排出揮發(fā)氣體。板材間空隙距離須確保在0.2 – 0.3毫米之間，空隙太小排氣效果差，空隙過大焊縫易形成塌陷，這就對打錨設(shè)備精度提出很高要求，并增加生產(chǎn)工序，降低生產(chǎn)效率。
為了提高焊接速度，目前市面上有多種飛行激光焊頭，其所焊接的焊縫拼接多是雙層疊加。
角焊縫
主要用于車門外框、車窗框、后行李箱蓋等部位。這種拼接方式焊接部位位于上層板的截斷面，焊接部位鍍鋅層，油和水的揮發(fā)氣體有足夠的排放空間，焊縫質(zhì)量很大程度上得以改善。釬焊和熔焊均可采用。但激光光斑需要準(zhǔn)確作用于焊接點，定位難度極高，所以在起始的激光焊接中，采用這種拼接方式不多。自2000年以來，Scansonic的接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)（ALO：Adapter Laser Optik）通過其所有的專利技術(shù)，已經(jīng)解決了光斑和焊絲相對于焊縫焊點的定位問題，目前車場中大多采用的接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)都是此項專利技術(shù)。其使用率在90%以上。
角焊縫相對于雙層/多層搭接的另一個優(yōu)點是法蘭邊較短，在當(dāng)前車身輕量化的趨勢中越來越多的被采用。
在鋁制車身的焊接上，角焊縫的采用極大的降低了熱裂的風(fēng)險。當(dāng)采用疊加方式的焊縫時，板材被溶化的部位位于未溶化的板材之間，在溶化部位冷卻過程中會在熱脹冷縮的作用下向未溶化部位冷縮凝固，進(jìn)而形成熱裂。而采用角焊縫進(jìn)行焊接時，冷凝過程更多是像雙層板材的一側(cè)移動，使熱裂風(fēng)險大大降低，但如何更有效的避免熱裂現(xiàn)象，在本文后半段的德系車的激光焊接未來發(fā)展趨勢中做進(jìn)一步闡述。
法蘭對接
主要用于車頂，車后行李箱蓋，流水槽等部位。對這種焊縫的焊接主要采用激光釬焊。這種對接方式實現(xiàn)了夾具以及焊接在母材同一側(cè)的可能性，使夾具和車身設(shè)計更加簡單。同時，焊接過程中拼接的下部有足夠的空間排放揮發(fā)氣體，可以避免鍍鋅層和油水氣的揮發(fā)對焊縫質(zhì)量的影響。焊縫成型及佳，焊接表面過渡流暢光滑，焊接后稍加處理甚至不處理就可以進(jìn)入噴涂階段，但由于其占用空間較多，所以主要用于對焊接外觀要求高的車頂和后行李箱蓋還有流水槽的激光釬焊。焊接中對焊絲還有激光光斑相對于焊縫位置的確定，基本上還是采用Scansonic的焊縫跟蹤專利技術(shù)。
根據(jù)以上對比確定了焊接工藝和搭接方式后，對焊縫質(zhì)量的控制就需要從以下影響因素中著手分析。
這些因素包括激光光束質(zhì)量、激光功率、焊接速度、送絲速度、工件夾具、母材材質(zhì)和表面清潔度、激光光路清潔狀況，以及激光光束的入射角度、光斑大小、光斑位置等，這些影響因素在焊接前均可以通過對光源和材質(zhì)的選取，夾具的改進(jìn)，焊前焊接參數(shù)的調(diào)試等得以改善。
在最初的白車身激光焊接應(yīng)用中，對焊接作用點的控制是通過機(jī)器人引導(dǎo)激光頭來進(jìn)行，也就是說，被焊接的路線幾乎是機(jī)器人的編程運動軌跡。僅靠機(jī)器人的運動精度，并無法確保焊接中對激光光斑位置的精度要求。所以最初的激光焊接中，大多采用了對激光作用點位置精度要求低的激光穿透熔焊，搭接方式多采用雙層或多層重疊搭接。在焊接之前可以對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，焊接過程中無需對激光進(jìn)行實時的控制。
在對外觀要求很高的車頂和后蓋以及流水槽的焊接中，通常采取焊縫表面成型很好的角焊縫和法蘭對接焊縫的釬焊，焊接時要求激光將焊絲在焊縫拼接位置溶化。實際焊接過程中，角焊縫上板材的邊緣以及法蘭焊縫并不是一條絕對的直線，并且每兩個焊縫之間會有搭接和夾裝誤差。如果激光光斑相對焊縫焊點在焊接過程中的位置不能保證，每一個0.05毫米的相對位移就可以造成焊縫質(zhì)量的不同。僅僅通過機(jī)器人重復(fù)的編程軌跡移動，顯然無法確保激光光斑和焊絲尖端在焊接過程中始終高精度的保持在焊縫上。為了解決這個難題，目前幾乎全部的汽車制造廠采用的是Scansonic的接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)（ALO）。
接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)（ALO）
接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)本身沒有附加的焊縫跟蹤傳感器，此套系統(tǒng)通過焊絲本身跟蹤焊縫，在焊接過程中，焊絲通過擺臂在左或者右兩個方向的作用力在橫向依靠在焊縫上（圖1），通過伸縮臂向下的壓力縱向跟蹤焊縫（圖2，圖3），在兩個力的同時作用下，焊絲可以在焊接過程中始終與焊縫焊接位置重合。這樣確保了焊絲尖端和焊點的位置重合。
在焊接過程中激光出射光束可以通過系統(tǒng)擺臂以擺軸為中心左右擺動，焊絲送絲管固定在擺臂前端，這樣擺臂在左右方向擺動時，焊絲和激光光斑都隨著擺動，并且激光光斑在焊接過程中與焊絲尖端相對位置不變。
除此之外系統(tǒng)內(nèi)部集成了自動調(diào)焦功能模塊，在焊絲隨著焊縫上下移動時，通過調(diào)焦模塊內(nèi)部的準(zhǔn)直鏡的上下移動，系統(tǒng)確保了作用在焊絲尖端也是焊點的光斑直徑不變，保證焊接過程中焊接點的激光能量不變，進(jìn)而確保焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定。
通過以上兩個功能的共同作用，不僅彌補(bǔ)了切割和拼裝的誤差，而且實現(xiàn)了焊接復(fù)雜焊縫的可能，降低機(jī)器人編程軌跡難度。接觸式焊縫跟蹤是物理接觸，在焊接中對焊縫的跟蹤更穩(wěn)定，不受焊接弧光和飛濺的干擾。
光學(xué)式焊縫跟蹤系統(tǒng)
當(dāng)根據(jù)白車身焊接部位和焊縫搭接形式采用不需要填絲的激光深熔焊時，采用焊絲進(jìn)行焊縫跟蹤變得沒有必要。但如何確定焊縫的焊接位置并使光斑準(zhǔn)確作用于該位置，在焊絲接觸式焊縫跟蹤基礎(chǔ)上，一些汽車制造廠對其做出了改進(jìn)，即把接觸焊縫的焊絲換成了一個觸針，然后將觸針尖端相對光斑位置前移，利用觸針依靠在焊縫上，形成對焊縫的跟蹤定位。但采用這種方法時，觸針尖端和激光光斑之間有一個提前量，觸針接觸位置并不是激光光斑的作用位置，在對精度要求極高的激光焊接，尤其是對溶孔穩(wěn)定性要求苛刻的激光深熔焊，在生產(chǎn)過程中這樣的方案并無法保證焊接質(zhì)量。
面對以上問題，Scansonic推出了光學(xué)式焊縫跟蹤系統(tǒng)RLW-A。系統(tǒng)在激光光斑前方先通過發(fā)射器打出三條平行的激光線。激光線落在焊縫上后會形成變形，由系統(tǒng)內(nèi)部的攝像頭拍攝這些激光線，通過對激光線變形位置的圖像處理進(jìn)而確定焊縫位置。然后系統(tǒng)內(nèi)部通過振鏡遙控激光出射光束焊接系統(tǒng)識別到的焊縫位置。從激光線到光斑之間的提前量可以在焊接中經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)計算處理抵消掉，這樣就避免了通過觸針識別焊縫位置時的提前量影響。
通過三條激光線的掃描，不僅提高了測量精度，而且避免了焊接飛濺對有效圖像的影響，當(dāng)有一條或者兩條激光線被飛濺打斷造成不正確變形時，系統(tǒng)仍舊可以識別正確的焊縫位置，避免錯焊風(fēng)險造成的對母材或者夾具的損壞。通過激光線的變形和光線之間的距離變化使焊接表面的6D掃描，即檢測焊縫左右板材的拼接角度和高度變化得以實現(xiàn)。
通過焊縫兩側(cè)的激光線告訴可以計算出搭接焊縫的高度，當(dāng)搭接板材之間存在0.5毫米以下的縫隙時，激光頭可以根據(jù)設(shè)置自動改變光斑運動方式，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)進(jìn)行對有間隙的焊縫的焊接，這樣不僅減少了對夾具的精度要求，而且避免了由板材拼接縫隙產(chǎn)生的焊接缺陷，很大程度上降低了廢品率簡化了焊接參數(shù)調(diào)整時間，使焊接變得更加智能化。在焊接中光學(xué)式焊縫跟蹤系統(tǒng)對焊縫由識別到焊接一次性完成，焊接速度更快，法蘭邊更小，是一種更高效的焊接工藝。
在RLW-A系統(tǒng)中可集成焊縫質(zhì)量檢測模塊，在焊接中實現(xiàn)即時的焊縫質(zhì)量監(jiān)測，當(dāng)焊縫出現(xiàn)缺陷時可以向控制器發(fā)出報警信號。
法蘭脊焊接
通過上面提到的兩種焊縫跟蹤方式解決了在高速激光焊過程中對焊縫位置的精確識別，確保了焊縫質(zhì)量。但在目前的白車身焊接中汽車制造廠對高效，低能和輕量化的要求還在不斷提高。面對這些要求，激光焊接應(yīng)該如何發(fā)展，車廠應(yīng)該如何更有效的利用激光，是一直以來眾多科研院所的一個重要研究方向。對此德國大眾汽車制造廠在和Scansonic多年的合作中，提出了法蘭脊激光焊接的新理念，并且由Scansonic主導(dǎo)研發(fā)的法蘭脊激光焊接系統(tǒng)已經(jīng)完成。下面我們對這一新的激光焊接理念作簡短介紹。
帶有法蘭邊的焊縫拼接形式在目前白車身設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，如車窗外沿，車窗框，汽車A，B，C柱等都有雙層或者三層板材疊加形成的法蘭邊。焊接法蘭邊所采用的焊接工藝目前主要是焊接成本很低的點焊或者激光穿透焊。但無論是點焊還是激光穿透焊都需要較大的法蘭邊，點焊的法蘭邊長度需要大于焊鉗的直徑，總長度大概在15毫米左右;穿透焊的法蘭邊需要8毫米以上，以避免誤差引起的焊接缺陷或者焊接事故;上面提到的角焊縫激光焊也需要5毫米以上。隨著工藝的進(jìn)步法蘭邊長度雖然在不斷減小，但車身輕量化和減少碳排放的要求也一直在提高。法蘭脊焊接理念就是在這種要求下誕生的。當(dāng)車身采用了更小的法蘭邊，可以通過改變激光入射角度，從法蘭脊位置焊接，在減小法蘭邊的同時，也解決了鍍鋅層的揮發(fā)問題，使熱鍍鋅的高速焊接質(zhì)量也變得更加可靠。在焊接鍍鋅板和高強(qiáng)鋼時也更容易快速。
FSO也是通過內(nèi)置的激光發(fā)射器發(fā)出三條激光線，激光線落在法蘭脊上會根據(jù)法蘭各板材的高低不同產(chǎn)生變形，然后攝像頭拍攝這些變形的激光線，對變形位置進(jìn)行圖像處理后確定法蘭脊上應(yīng)該焊接的焊點位置。
焊點位置確定后，由激光頭內(nèi)部的振鏡控制激光光束入射角進(jìn)行焊接。在實現(xiàn)雙層板和三層板的識別與焊接的基礎(chǔ)上，當(dāng)遇到板材疊加參差不齊的情況，也可以精確定位并調(diào)整光束入射角度進(jìn)行焊接。激光光速連續(xù)性可控，可以實現(xiàn)法蘭脊位置整條焊縫的連續(xù)焊接，也可進(jìn)行間斷性點焊，焊接速度可以高達(dá)8米/分鐘。
系統(tǒng)內(nèi)部可集成焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)。在焊接過程中對焊接缺陷發(fā)出報警信號。
系統(tǒng)可選擇自帶夾具，夾具在焊接過程中夾緊焊接位置的板材，避免了昂貴的外置高精度夾具費用。自帶夾具可高速打開和閉合，提高不同位置法蘭焊接的連貫性。焊接時使用的激光能量和作用時間不同，所得到的焊縫寬度和深度不同。焊縫橫截面積不受光束直徑限制，焊縫更寬也更加牢固。
由于焊點位于母材一側(cè)，焊接位置熔池在凝固過程中只向一側(cè)移動，在最大程度上降低了熱裂風(fēng)險，更加適合鋁材焊接，并且焊接速度快，激光輸入能量低，母材熱變形也非常小。
目前FSO激光頭的實驗室試驗階段已經(jīng)完成，生產(chǎn)線試焊也在積極進(jìn)行中。也許在大眾的下一款車型中，我們將會看到大眾汽車更牢固的車身和更大的車門外框設(shè)計。
（文/ 德國賓采爾焊接技術(shù)有限公司 楊軍）
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