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汽車制造

激光掃描焊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用

星之球科技 來源:華工激光2015-02-27 我要評論(0 )   

摘要:在中國,汽車產(chǎn)業(yè)注定是一個朝陽產(chǎn)業(yè),提高汽車制造能力的裝備就顯得猶為重要。車身制造中所采用的激光掃描焊效率高于點焊

 摘要:在中國,汽車產(chǎn)業(yè)注定是一個朝陽產(chǎn)業(yè),提高汽車制造能力的裝備就顯得猶為重要。車身制造中所采用的激光掃描焊效率高于點焊和激光焊,通過可控編程和示教用線性激光的輔助,可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。文章介紹了激光掃描焊原理,并示例轎車采用的激光掃描焊過程。(注:掃描焊、遠程焊和飛行焊接指的是同一種激光焊接方法。)
關(guān)鍵詞:激光掃描焊;原理;系統(tǒng);汽車;應(yīng)用
 
  1 汽車行業(yè)的發(fā)展及激光應(yīng)用
  我國汽車市場將保持快于全球市場的增速,產(chǎn)業(yè)規(guī)模位居世界首位。隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴大,我國將從汽車大國轉(zhuǎn)變?yōu)槠噺妵?/div>
  激光技術(shù),是本世紀(jì)最重大的發(fā)明之一,激光在剛誕生不久就被人稱為“解決問題的工具”,激光技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域具備巨大的市場潛力。
  在“柔性制造”方式被大力推廣的今天,汽車工業(yè)領(lǐng)域面臨著一次變革。汽車零部件產(chǎn)業(yè)正由大批量生產(chǎn)到小批量、多樣化的生產(chǎn)方式過度,以市場為導(dǎo)向的制造方式逐步普及,“Production Line”正被“Production Station”所取代,激光的空間控制性和時間控制性很好,能夠迅速適應(yīng)多種材料、多種形狀和尺寸,特別適用于柔性加工,因此激光將在這一變革中發(fā)揮重大作用。
 
  2 激光遠程焊接的特點
  大眾汽車走在激光遠程焊技術(shù)應(yīng)用的前列。就在帕薩特汽車后窗臺板成功運用激光遠程焊之后,激光掃描焊工藝及其系統(tǒng)在2005年被廣泛應(yīng)用于大眾汽車公司的系列產(chǎn)品中。從2007年初開始,后續(xù)的奧迪A4利用激光掃描焊,每天可生產(chǎn)1800扇車門。同時,通過優(yōu)化內(nèi)部通訊,大眾汽車實現(xiàn)了激光掃描焊系統(tǒng)的光束共享和分化,從而有效提高了激光的利用率。
  1)可實現(xiàn)長焦距、大范圍焊接。
  實現(xiàn)500mm以上的激光焊,這是常規(guī)激光焊無法實現(xiàn)的。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而又無法接近的加工件來說,激光遠程焊給出了完美的答案——相比于燈泵浦激光器25mm.mrad的光束質(zhì)量,激光遠程焊的碟片激光器可達到8mm.mrad;激光遠程焊接可避免焊接過程中飛濺、煙塵對激光頭的損傷,有助于延長使用壽命,從而降低使用成本;
  2)激光遠程焊速度快。
  在原機器手臂的移動速度下,還可利用激光頭內(nèi)部振鏡的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)發(fā)射光束的高速加工。常規(guī)點焊2s才能實現(xiàn)一個焊點連接,而使用激光遠程焊,1s就可實現(xiàn)3~4個焊點連接。
  BMW公司在轎車某個部件上比較三種焊接方法所耗時間,該工件需要焊接的部位達20多個(見圖1),統(tǒng)計時間如表1所示。
轎車某工件焊點分布圖
圖1 BMW轎車某工件焊點分布圖
汽車三種焊接方法的時間對比
表1 BMW統(tǒng)計的三種焊接方法時間
  國內(nèi)首套激光三維遠程焊接系統(tǒng)由華工科技旗下華工法利萊與德國激光裝備知名企業(yè)共同開發(fā)完成(如圖2所示)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于一汽大眾某高端車型的制造中。這套焊接系統(tǒng),最快焊接速度可達50m/min,完成車身門檻上70條焊縫的焊接時間僅需25秒。
華工激光法利萊激光掃描焊系統(tǒng)
圖2 華工法利萊激光掃描焊系統(tǒng)
  3)利用軟件編程焊縫軌跡,可實現(xiàn)焊接形狀的多樣性。
  如C形,○形,直線型等(見圖3)。眾多汽車廠已經(jīng)驗證,C形結(jié)構(gòu)無論在加工時間還是結(jié)構(gòu)強度上都優(yōu)于傳統(tǒng)點焊的圓形焊點,同時激光遠程焊還可利用此特點在工件表面標(biāo)識8個字符的ID,以便記錄和追蹤。
激光掃描焊接系統(tǒng)軌跡
圖3 激光掃描焊接系統(tǒng)軌跡
  4)相對于點焊,激光遠程焊熱輸入小、焊接變形小。
  對于超過1000Mpa的高強鋼,強度越高,對熱輸入量越敏感,激光遠程焊比點焊和MIG焊的熱輸入小,是焊接高強鋼的首選。
 
  3 激光遠程焊應(yīng)用于汽車
  由于傳統(tǒng)激光焊接系統(tǒng)在焊接位置之間移動的速度相對較低,在實際生產(chǎn)中很難達到大批量生產(chǎn)要求,這一缺點在焊點分布多的復(fù)雜三維零件上(如車門)顯得尤為突出。
  高光束質(zhì)量高功率新型盤形激光器和光纖激光器的應(yīng)用推廣,為激光遠程焊接技術(shù)的實現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ),如今遠程激光焊接正在成為替代傳統(tǒng)汽車白車身電阻點焊的一種手段。
  3.1 激光遠程焊的原理介紹
  掃描焊、遠程焊和飛行焊接指的是同一種激光焊接方法,激光掃描頭可以從500mm以外的位置進行激光焊接,通過內(nèi)部振鏡(圖1中1、2)的運動,在不移動激光頭的情況下,可以進行類似光掃描的焊接,此種焊接方式速度快,移動位置精準(zhǔn)度高,通常使用機器人來控制激光掃描頭的移動軌跡,結(jié)合掃描頭本身的高速焊接及外在空間上的凌空感,人們又將它取名為“飛行焊接”。此種焊接方式在每個光場面內(nèi)移動速度快,僅在兩個光場間需要時間來調(diào)整振鏡角度,以準(zhǔn)備下一個光場面的焊接,因此激光掃描焊對于多點位置的短距離焊接有固有的優(yōu)越性。
激光掃描焊光路圖
圖4 激光掃描焊光路圖
  3.2 激光遠程焊的接頭形式
  激光遠程焊的主要接頭形式有搭接、不等厚搭接、對接三種,如圖5所示。相對于傳統(tǒng)點焊,激光掃描焊的接頭形式需重新設(shè)計,見圖6所示。
激光遠程焊的接頭型式
圖5 激光遠程焊的接頭型式
激光掃描焊接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖6 激光掃描焊接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
  3.3 激光遠程焊接系統(tǒng)
  激光遠程焊接系統(tǒng)的組成如圖7所示(其主要特性見表2),與傳統(tǒng)的激光焊接設(shè)備相比,差異主要體現(xiàn)在激光頭上。激光遠程焊焦距可達212mm,工作區(qū)域可達10010040mm(Z向40mm),在x/y向的定位時間小于0.01s,在Z向的定位時間小于0.1s。通過可編程系統(tǒng)(圖8)及示教用線性激光(圖9)的輔助,可實現(xiàn)激光掃描焊的軌跡模擬和優(yōu)化。
激光掃描焊接系統(tǒng)(帶氣刀
圖7 激光掃描焊接系統(tǒng)(帶氣刀)
激光掃描焊系統(tǒng)特性
表2 激光掃描焊系統(tǒng)特性
激光掃描焊可編程聚焦控制系統(tǒng)
圖8 掃描焊可編程聚焦控制系統(tǒng)
示教用線性激光
圖9 示教用線性激光
  3.4 激光掃描焊應(yīng)用于汽車的過程
  掃描焊應(yīng)用于汽車,主要包括座椅(框架、滑道、面板)、白車身(車門、懸掛件、邊墻、柱子、后窗臺板)、內(nèi)飾等。圖10所示為汽車車門焊接,邊框采用短直線形焊縫,內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用C形焊縫。
激光遠程焊接門板(采用C形和直線型)
圖10 激光遠程焊接門板(采用C形和直線型)

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