汽車行業(yè)中采用激光焊接的案例司空見慣,無論是白車身還是裝飾好的車,僅憑肉眼就能分辨的車身結(jié)構(gòu)就有頂蓋與后蓋,其他類似車門、門檻和齒輪等結(jié)構(gòu)雖不易被發(fā)現(xiàn),整車也因?yàn)橛辛思す夂附拥馁|(zhì)量保障而變得更加輕便節(jié)油,也更加安全。國(guó)內(nèi)激光企業(yè)對(duì)激光焊項(xiàng)目垂涎欲滴,苦于系統(tǒng)平臺(tái)搭建、工藝穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題而望而卻步。華工激光法利萊,秉承多年從事汽車廠激光焊項(xiàng)目的豐富經(jīng)驗(yàn),從技術(shù)應(yīng)用的角度講述了項(xiàng)目的技巧,本次應(yīng)相關(guān)汽車廠的邀請(qǐng),就相關(guān)技術(shù)問題,作一個(gè)全面的技術(shù)交流,內(nèi)容問答式進(jìn)行。
問題一:激光焊接在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用,包括車門,底板,白車身等有哪些優(yōu)勢(shì)?
法利萊:就激光焊而言,是利用激光的高集中度的熱量,熔化或不熔化填充材料而將被焊母材連接在一起的過程。激光的瞬間溫度可高達(dá)6000℃,能量密度高,是其他熱源能量的100~1000倍,可實(shí)現(xiàn)大的深寬比焊縫,熱影響區(qū)小,焊縫變形小,密封性能好是其主要特色。針對(duì)不同工藝,其功效有所不同。
從圖中可以看出,針對(duì)白車身,激光釬焊焊縫均勻美觀,可直接作為外觀件來展示,焊縫一致性和密封性好,同時(shí)也減少了后期涂膠的煩惱。
圖1 飾好的車頂激光釬焊與點(diǎn)焊效果比較
圖2 光釬焊頂蓋效果與點(diǎn)焊頂蓋效果
激光釬焊白車身頂蓋:
激光釬焊可明顯減少搭焊材料和密封條,以及密封膠的用量,減少工序;
激光釬焊外觀成型美觀,且為連續(xù)焊縫,密封性好;
激光釬焊熱量集中,一半作用于釬料,焊接變形小;
激光釬焊時(shí)與板材無力作用,不存在點(diǎn)焊引起的板壓痕和變形缺陷
激光拼板焊車門:
焊縫處的熱應(yīng)變值較低,熱影響區(qū)小,通過激光束的聚焦給工件邊緣提供焊接需要的高能量,聚焦點(diǎn)的直徑可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫米,保留了材料的原有成形性能;
無需任何其他模具或工裝費(fèi)用,焊縫較狹窄且平整,消除成形過程的不利影響,避免了破壞工具、模具的危險(xiǎn)。
圖3 光拼板焊應(yīng)用于車門
圖4 光焊相對(duì)點(diǎn)焊的結(jié)構(gòu)變化
激光掃描焊門檻:
通過激光頭內(nèi)部鏡片移動(dòng)帶動(dòng)光斑的移動(dòng),焊接速度快,最快可達(dá)50m/min;
可實(shí)現(xiàn)500mm長(zhǎng)焦距,大范圍焊接;
利用軟件編程焊縫軌跡,從而實(shí)現(xiàn)焊接形狀的多樣性;
圖5 光掃描焊門檻圖
圖6 掃描焊軌跡及焊接特性
問題二:激光焊接有這么多優(yōu)點(diǎn),針對(duì)具體的白車身,激光焊接對(duì)車身結(jié)構(gòu)有什么具體要求?對(duì)相關(guān)零件有什么具體要求?
法利萊:激光焊接屬于精密加工,速度高、變形小、強(qiáng)度好,對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)件的裝配尺寸及結(jié)構(gòu)件本身的型面尺寸要求比點(diǎn)焊有很大提高,以激光釬焊為例,對(duì)車身結(jié)構(gòu)要求:
頂蓋與側(cè)圍沖壓件變化,由原來翻邊變?yōu)闊o翻邊;
焊縫結(jié)構(gòu)的變化,頂蓋成50°角左右,折彎半徑1~2mm;
焊縫的間隙均勻且不大于0.3mm;
車身定位精度要求見表;
表1 身重定位精度要求
圖8 光釬焊頂蓋與側(cè)圍尺寸
表2 某汽車廠對(duì)頂蓋與側(cè)圍尺寸要求
問題三:能否用具體數(shù)據(jù)談?wù)劙总嚿砑す夂竿顿Y回報(bào)分析?
法利萊:
以塑料基的頂蓋裝飾條為例,每臺(tái)車成本價(jià)格在單車50元以上,某些高檔的鋁基裝飾條為單車180元左右(根據(jù)高檔車于普通車的比例計(jì)算出), 其成本節(jié)省量非??捎^(神龍數(shù)據(jù))。
對(duì)于使用點(diǎn)焊而想借助激光焊的結(jié)構(gòu),可減少15mm的接縫邊,由于可省去鑲邊,所以每輛車可消減150元的成本(大眾汽車數(shù)據(jù))。
若四門內(nèi)板使用激光拼板焊,當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到30萬(wàn)時(shí),則每輛車可以降低成本50元,若左右前縱梁應(yīng)用激光拼板焊,當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到22萬(wàn)時(shí),則每輛車可以降低25元(江淮汽車數(shù)據(jù))。
而使用激光焊僅需要水、氣、電、焊絲的消耗,除了前期設(shè)備投入,后期的使用維護(hù)費(fèi)用非常低廉,通常一套激光焊接系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行10年,因此其使用成本小而所能創(chuàng)造的效益非常高。另外,考慮到車型升級(jí)換代,同一套激光焊系統(tǒng)可繼續(xù)使用,只需要重新設(shè)計(jì)夾具就行。
問題四:激光焊接作為一種革新的、先進(jìn)制造技術(shù),應(yīng)用于白車身,對(duì)相關(guān)工裝及配套有什么要求?
法利萊:激光焊接是一種精密的加工工藝,對(duì)激光加工系統(tǒng)、車身定位及重定位精度、焊縫的裝配間隙都有要求,具體如下:
對(duì)激光加工系統(tǒng)的要求:主要體現(xiàn)在保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,目前多采用光纖激光器,配備光纖傳輸。為了維持激光功率的穩(wěn)定性,通過DI水冷卻,保證激光功率模塊在發(fā)光時(shí)的穩(wěn)定性,并通過TAB水保證DI水的運(yùn)行要求,對(duì)水的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括水溫、水流量、導(dǎo)電率等,同時(shí)對(duì)激光房還有使用溫度、濕度和參考露點(diǎn)的要求。傳輸光纖,通過對(duì)柔性的傳輸光路而使得激光應(yīng)用變得容易。但本身比較脆弱,自身折彎半徑不能小于200mm,使用過程中,通過橋架等結(jié)構(gòu)密封固定。
車身定位及重定位精度:激光焊接應(yīng)用于車身,是全自動(dòng)加工的過程。對(duì)車身的定位和重定位精度有較高要求,這就對(duì)機(jī)運(yùn)線的滾床和沖壓件的質(zhì)量以及裝配有較高要求。通常采用五道?;蛄滥9ば蚩刂栖嚿頉_壓質(zhì)量,采用帶定位銷的升降滾床來控制車身的重定位精度,并通過前道工序的加工質(zhì)量來保證激光焊縫的定位精度。因此,激光焊前期,需要在激光焊接前后工位對(duì)車身尺寸進(jìn)行3D測(cè)量。
焊縫的裝配間隙:對(duì)于激光熔焊,鍍鋅板的裝配間隙為0.1~0.15mm,以保證焊接時(shí)鍍蒸氣容易逸出;非鍍鋅板的裝配間隙為<0.1mm;對(duì)于激光釬焊,裝配間隙控制在0.3mm以內(nèi)。這就對(duì)工裝的裝夾效果提出挑戰(zhàn)。
問題五:白車身激光焊與傳統(tǒng)點(diǎn)焊的比較,有哪些優(yōu)勢(shì)和不足?
法利萊:激光焊的主要特性是熱量集中,能實(shí)現(xiàn)大的焊縫深寬比,速度快能減小變形,且是一種無接觸的焊接,光纖激光器基本上免維護(hù),具體應(yīng)用于汽車,優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)以下方面:
- 激光焊接速度快,焊接熱量集中,能實(shí)現(xiàn)大熔深的窄焊縫;
- 線能量的控制,能實(shí)現(xiàn)焊接過程中小變形或無變形;
- 激光焊密封性好,能減少車在行駛中的噪音;
- 激光焊接是無接觸或無壓力焊接,過程中不會(huì)對(duì)板材本身造成影響,也不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)焊時(shí)容易造成的板材機(jī)械扭曲和波浪邊緣等缺陷;
- 激光焊能消除點(diǎn)焊的易損件更換。
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),常規(guī)點(diǎn)焊所用的6mm電極帽的焊縫強(qiáng)度,等效激光熔焊焊縫長(zhǎng)度為20mm(熔寬小于1mm時(shí)),即說明焊縫長(zhǎng)度大于20mm,其強(qiáng)度就高于點(diǎn)焊強(qiáng)度。
點(diǎn)焊強(qiáng)度等效激光熔焊焊縫長(zhǎng)度的強(qiáng)度試驗(yàn)
不足:
- 激光焊光斑小能量集中,對(duì)沖壓件要求高;
- 激光焊返修比其他焊接困難;
- 激光焊工藝涉及光學(xué)、材料、電氣、機(jī)械等,對(duì)操作人員的要求高;
- 激光器、激光頭等核心設(shè)備價(jià)格昂貴,初期投資相對(duì)較高。
問題六:白車身激光焊項(xiàng)目過程,對(duì)人員和設(shè)備的要求?
法利萊:白車身激光焊,按焊接工件分布特性,可以分為主線焊接件和非主線焊接件,主線焊接受前后機(jī)運(yùn)線約束,不能隨意停機(jī),因此,對(duì)人員和設(shè)備要求最高。非主線焊接件,也需要滿足相應(yīng)時(shí)間節(jié)拍(即CT)和焊接質(zhì)量要求,對(duì)人員和設(shè)備的要求也比常規(guī)點(diǎn)焊和氣保焊嚴(yán)格。另外,考慮到很多新建生產(chǎn)線,車身質(zhì)量是穩(wěn)定提升的過程,也相應(yīng)將此項(xiàng)內(nèi)容作為考慮點(diǎn)之一。我們提供設(shè)備的同時(shí),也輸出設(shè)備操作和調(diào)試相關(guān)培訓(xùn),確保在公司技術(shù)人員撤離現(xiàn)場(chǎng)汽車廠技術(shù)人員能夠銜接。
表1 白車身不同階段人員要求
對(duì)設(shè)備的要求,主要體現(xiàn)在設(shè)備的穩(wěn)定性,功能安全性,因?yàn)榧す饧庸ぴO(shè)備昂貴,需要系統(tǒng)具備一定的防錯(cuò)和防誤操作能力。備品備件明確采購(gòu)周期,易損件提供跟換時(shí)間經(jīng)驗(yàn)等。