隨著全國各地環(huán)保政策的大力推行，新能源汽車行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢。相比技術(shù)成熟的傳統(tǒng)車型，盡管新能源汽車已向市場推出多年，但相關(guān)的制造技術(shù)仍待改進(jìn)。在新能源汽車生產(chǎn)環(huán)節(jié)，核心是電池pack制造。針對鋁合金和電機(jī)焊接，BINZEL賓采爾根據(jù)行業(yè)技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合不同客戶的實(shí)踐反饋，推出了包括填絲焊接頭、激光遠(yuǎn)程焊接頭在內(nèi)的焊接設(shè)備和激光技術(shù)解決方案，被國內(nèi)頭部新能源車企所采用。
鋁合金焊接缺陷及解決方法
目前，激光焊接鋁合金部件時(shí)容易出現(xiàn)兩大工藝缺陷，一是裂紋（熱裂紋），二是氣孔（氫氣孔）。這兩大缺陷是目前鋁合金激光焊接中遇到的常見難題。與普通材料焊接相比，在鋁合金焊接過程中，合金含量的比例是產(chǎn)生熱裂紋的主要誘因。
以6061鋁合金為例，其硅含量是0.4%-0.8%，鎂含量是0.8%-1.2%。從裂紋敏感性圖可以看到，硅含量在0.4%-0.8%范圍內(nèi)是處于高敏感性區(qū)域；同樣，鎂含量在0.8%-1.2%內(nèi)也是處于高敏感性區(qū)域。因此，從合金含量分析的角度看，6系鋁合金容易產(chǎn)生熱裂紋的根源是合金含量（硅、鎂）處于高敏感性區(qū)域。
因?yàn)楹辖鹪氐拇嬖?，使得鋁在凝固時(shí)容易形成低熔點(diǎn)共晶，即鋁硅和鎂硅。低熔點(diǎn)共晶的強(qiáng)度比鋁或鋁合金弱也更脆，容易形成熱裂紋。相比6061鋁合金，4047鋁合金就不易形成低熔點(diǎn)共晶，因其硅含量（1.2%）和鎂含量（0.1%）都處于低敏感性區(qū)域。
激光焊接鋁合金缺陷之熱裂紋
解決低熔點(diǎn)共晶問題，主要方法是通過在高系鋁合金中填充低系金屬，通過填絲改善焊接接頭處的合金含量，從而避免焊縫裂紋。比如在對高系金屬焊接時(shí)（6系和6系），加入低系金屬后，讓其鎂硅含量混合后處于低敏感性區(qū)域，大大降低裂紋產(chǎn)生的概率。
改善熱裂紋的另一種方法是使用激光遠(yuǎn)程焊。因激光遠(yuǎn)程焊的熔池小，熱輸入量小，所以也同樣能起到降低熱裂紋產(chǎn)生的作用。同時(shí)，激光遠(yuǎn)程焊還可以通過熔池?cái)嚢枋咕Я８?xì)致，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)強(qiáng)度的效果。另外，攪拌還能讓氣體更易溢出，減少氣孔的產(chǎn)生。但在為激光遠(yuǎn)程焊加振鏡時(shí)，需要選擇一個(gè)合適的參數(shù)。如果參數(shù)不合適，焊接產(chǎn)品的不合格率也同樣會高。
激光焊接鋁合金缺陷之氣孔
說完焊縫裂紋，第二個(gè)主要缺陷是氣孔。激光焊接的氣孔來源主要有兩個(gè)，一是氫氣孔，二是保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。因?yàn)闅錃夂苋菀谆爝M(jìn)液體中，如果焊接板材夾雜了水或者其他含氫的物質(zhì)，就容易產(chǎn)生氫氣孔。保護(hù)氣體產(chǎn)生氣孔是因?yàn)楹附铀俣冗^快，快速凝固后不易讓熔池底部的氣體溢出，因此也會形成一些微小氣孔。
對于改善氣孔的產(chǎn)生，核心是減少水汽的來源。第一要保證來料的干燥，第二是保證保護(hù)器的干燥，第三保證環(huán)境濕度足夠低，這樣就能夠有效減少水分的來源，從而減少氫氣孔的產(chǎn)生。
填絲焊接解決方案
在生產(chǎn)過程中，通過填絲焊可以有效改善裂紋。通常情況下，焊接填絲裝置是由熔焊頭、送絲機(jī)，以及跟蹤監(jiān)視需要的視覺識別系統(tǒng)所組成。BINZEL賓采爾與SCANSONIC聯(lián)合開發(fā)推出了ALO4填絲焊接方案，具備了接觸式焊縫跟蹤、TA-motion導(dǎo)絲模塊、Auto-focus自動(dòng)對焦、重力補(bǔ)償模塊、保護(hù)器裝置、Sceye焊接過程監(jiān)控、PGM保護(hù)玻璃監(jiān)控、FOM-motion焊絲對中、MF3-laser高速精密送絲機(jī)。
接觸式焊縫跟蹤
接觸式焊縫跟蹤與CCD圖像識別不一樣。通常情況下，激光從光路出來后與送絲匯合，激光熔覆熔化焊絲，焊絲熔池鋪在母材上。BINZEL賓采爾解決方案的區(qū)別是多了一個(gè)擺臂，擺臂能跟隨機(jī)器人的行進(jìn)沿著焊縫邊緣跟蹤。在跟蹤過程中，電機(jī)能實(shí)時(shí)感應(yīng)跟蹤力度，始終緊靠焊縫，保證焊接路徑按照程序設(shè)定進(jìn)行。
在托盤和模組焊接中，因其焊縫基本都是直邊，同時(shí)還有T型焊縫和角焊縫，采用接觸式焊縫跟蹤可以很好地跟蹤托盤和模組的焊接進(jìn)程。平面Y方向上的跟蹤范圍是±15mm，力度是±5N。操作人員還可以在跟蹤過程中調(diào)用4個(gè)不同的參數(shù)，以適應(yīng)不同的跟蹤情況。
合金元素與裂紋敏感關(guān)系圖
TA-motion導(dǎo)絲模塊
為解決激光頭容易將鋁焊絲折彎的情況，BINZEL賓采爾開發(fā)了具備TA-motion模塊的焊接頭，可以根據(jù)焊絲的粗細(xì)和軟硬度，調(diào)整焊絲跟蹤的力度。如焊絲的材質(zhì)偏軟如鋁材，TA-motion會給出一個(gè)反向作用力，抵消鋁焊絲向下的重力，從而能很好地切合在加工平面上。對于材質(zhì)較硬的焊絲，TA-motion同樣也能給出一個(gè)下壓力，讓其緊貼加工平面。
Auto-focus自動(dòng)對焦
對于焊接不同高度的焊縫，BINZEL賓采爾的Autofocus（自動(dòng)對焦）模塊配合TA-motion，可以在不同高度上確保焦點(diǎn)和光斑一致。遇到焊接平面有高度變化時(shí)，TAmotion模塊會上下浮動(dòng)，Auto-focus模塊則根據(jù)TA-motion模塊浮動(dòng)，通過準(zhǔn)直鏡組保持光斑恒定，因此光斑在不同的高度可以始終保持一致。這對于鋁合金焊接，尤其在轉(zhuǎn)角和直角焊接上十分適用。另外，Auto-focus模塊的另一個(gè)強(qiáng)大功能是，操作人員可以通過設(shè)定不同的光斑大小，實(shí)現(xiàn)不同方向的光斑大小。
發(fā)卡電機(jī)
Sceye焊接過程監(jiān)控
該功能對工藝分析和調(diào)試的幫助很大，其三個(gè)功能是表面質(zhì)量監(jiān)控、交互信號監(jiān)控和焊接過程追溯。Sceye功能的本質(zhì)是一個(gè)內(nèi)置激光光路的攝像頭。當(dāng)焊絲跟蹤超出范圍時(shí)，激光頭會及時(shí)斷光。Sceye軟件還會自動(dòng)記錄焊絲跟蹤，工程師也可以從軟件中調(diào)出視頻查看。
在前期調(diào)試過程中，工程師通過Sceye軟件能很快找到焊接過程中遇到的問題，通過直觀的視頻記錄分析具體問題，并做出馬上調(diào)整。
FOM-motion焊絲對中
在對模組和托盤焊接時(shí)，由于焊接機(jī)器人姿態(tài)變化較多，送絲管的位置一直在變，導(dǎo)致絲和光在不同位置時(shí)的中心點(diǎn)不重合，如果發(fā)生較大偏差，焊接質(zhì)量就難以保證。引入光絲對中模塊，就能保證無論機(jī)器人在何種位置都能確保光絲中心重合，從而保障了產(chǎn)品的良品率。
RLW-S光路設(shè)計(jì)原理
近年來，BINZEL賓采爾還開發(fā)了送絲機(jī)產(chǎn)品，MF3-laser高速精密送絲機(jī)擁有5%以下的送絲誤差，最高速度可達(dá)10m/min，適用0.8mm-1.6mm焊絲。除了ALO4標(biāo)準(zhǔn)焊接頭外，BINZEL賓采爾還推出了其特殊型號。如ALO4-L針對焊接空間狹小的場景，ALO4-FLAT適用托盤/模組上的垂直焊縫，ALO4-vario則適合解決對焊縫質(zhì)量要求較高的場景。
激光遠(yuǎn)程焊接解決方案
BINZEL賓采爾在激光遠(yuǎn)程焊接解決方案上的產(chǎn)品是RLW-A。相比其他廠商的激光遠(yuǎn)程焊接，RLW-A的設(shè)備結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，具備了實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)、振鏡后置技術(shù)、超快振鏡、自動(dòng)間隙補(bǔ)充，還有Sceye焊接過程監(jiān)控和PGM保護(hù)玻璃監(jiān)控。
實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)基于三角測量原理，RLW-A使用三角測量法的傳感傳感器，一道激光打到被測物體上，同時(shí)被旁邊的CCD矩陣接收，通過接收激光能計(jì)算出被測物體的位置，同時(shí)繪制出被射物體的形狀，并得到6D數(shù)據(jù)，包括XYZ三個(gè)方向以及6個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。
RLW-S焊接系統(tǒng)操作界面
在RLW-A上前置了三道線檢測焊縫，后面還有一個(gè)激光檢測點(diǎn)。提前測量并后置10mm焊接，就可以在焊接時(shí)得到非常好的效果。同時(shí)，RLW-A不需要補(bǔ)光燈，可以在0-90度進(jìn)行焊接。RLW-A的測量精度達(dá)到0.1mm，最快測量速度是7m/min，適用于大部分焊接要求。
另外，用戶在RLW-A上還能看到BINZEL賓采爾全新的光路設(shè)計(jì)。目前，市面上的激光頭大多是基于F-Theta大場鏡的光路原理，先通過震蕩再通過物鏡聚焦，最后使光斑聚焦在工件上。這種聚焦物鏡的優(yōu)點(diǎn)是工作面大，仿造成本低，產(chǎn)業(yè)鏈較成熟。但追求大場鏡的后果是功率密度和準(zhǔn)度的降低，從而導(dǎo)致聚焦的光斑容易失真。
RLW-A的光路設(shè)計(jì)原理，采用了尺寸較小的聚焦物鏡，這樣就能在很小的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對功率的精確控制。因此，對于焊接要求比較高的鋁合金焊接上，這種光路設(shè)計(jì)就非常有用。精確的功率控制得到的是穩(wěn)定輸出的焊縫質(zhì)量。
由于大場鏡更換成本較高且耗氣量大，因此對于企業(yè)而言不是一種經(jīng)濟(jì)型的解決方案。盡管RLW-A采用的是小場鏡，但結(jié)合上述談到的實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，就能在一個(gè)較大的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的焊接速度和優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。
RLW-A的小場鏡具有均勻的功率分布，同時(shí)使用的是一塊超快振鏡，擺動(dòng)頻率高達(dá)1000Hz，振動(dòng)范圍是±1mm。小場鏡與超快振鏡的組合，可以在振動(dòng)軌跡上實(shí)現(xiàn)功率大小的精確控制，均勻的振動(dòng)波形也減少了裂紋的產(chǎn)生。
間隙補(bǔ)償功能基于三角測量技術(shù)。三角測量技術(shù)能夠測量出焊縫的6D數(shù)據(jù)，所以當(dāng)焊縫有間隙時(shí)就能被測量到。同時(shí)，激光頭搭載了內(nèi)置算法，當(dāng)檢測到焊縫變寬時(shí)會自動(dòng)增加功率和振幅，從而更多地從熔覆上補(bǔ)償間隙。
在實(shí)驗(yàn)演示中，工程師采用了1.5mm的6082鋁合金，補(bǔ)償?shù)淖畲箝g隙可以達(dá)到0.6mm。通過多熔覆上板以補(bǔ)償間隙。這種方法對于模組焊接比較適用，因?yàn)樵谘b配過程中多少都會有誤差產(chǎn)生，這時(shí)就可以通過激光遠(yuǎn)程焊接的方式補(bǔ)償間隙，避免模組報(bào)廢。
Sceye功能在激光遠(yuǎn)程焊接上與填絲焊相似，但在遠(yuǎn)程焊接上還帶有機(jī)器算法的功能，因此能自動(dòng)判定焊縫的好壞。結(jié)合ALO4和RLW-A，對于客戶而言，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇具體的激光加工方式。如果需要焊接效率高，那么激光遠(yuǎn)程焊接比較合適；如果焊接的板材較厚，則推薦使用填絲焊接。
發(fā)卡電機(jī)焊接解決方案
發(fā)卡電機(jī)是近兩年才興起的一個(gè)名詞，英文名叫Hair-pin motor。發(fā)卡電機(jī)最先在豐田第四代Pruis、雪弗蘭Volt和特斯拉上應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)電機(jī)采用圓形漆包線繞組，發(fā)卡電機(jī)用銅條代替，從而獲得更高的效率、功率密度和電機(jī)散熱率。
目前發(fā)卡電機(jī)之所以沒有普及，主要原因是在自動(dòng)化程度和生產(chǎn)方面有很高的要求。發(fā)卡電機(jī)的焊接難點(diǎn)首當(dāng)其沖的是材料焊接，因?yàn)椤鞍l(fā)卡”是由銅組成，如果焊接采用的是1000nm左右的近紅外波段，銅的高反射率導(dǎo)致材料很難吸收激光能量。
對此，有的廠商采用600nm左右波段的綠光焊接銅。由于銅在高溫狀態(tài)下的吸收率較高，所以通常需要使用強(qiáng)激光加工，但這又會帶來飛濺的問題，成為生產(chǎn)中的焊接難點(diǎn)。第二個(gè)問題是氣孔，因?yàn)殂~的流動(dòng)性較差，液體張力形成熔池的時(shí)候會造成內(nèi)部氣孔塌陷。另外，如果焊接速度過高，也會使氣孔不易溢出，形成氣孔。
發(fā)卡電機(jī)的第二個(gè)焊接難點(diǎn)是絕緣層燒損，這是由于電機(jī)自身設(shè)計(jì)決定的。因?yàn)榻^緣層就在Hair-pin的下面，而且銅的熱傳導(dǎo)率很高，如果輸入熱量過大就會容易造成絕緣層燒損。如果使用的是小尺寸發(fā)卡電機(jī)，那么Hair-pin的尺寸更短，對焊接的挑戰(zhàn)更大。
最后還需要考慮焊接夾具的問題。當(dāng)焊接200-400個(gè)Hair-pin時(shí)，焊接時(shí)的精準(zhǔn)定位也是一大挑戰(zhàn)。此外，發(fā)卡電機(jī)對平面和高度的錯(cuò)位要求特別嚴(yán)格，XY方向上的錯(cuò)位需要控制在0.1mm以內(nèi)，Z方向上的錯(cuò)位需要控制在0.5mm以內(nèi)。
如果Hair-pin組件中的一個(gè)模塊出現(xiàn)焊接缺陷，沒有達(dá)到工藝要求，整個(gè)發(fā)卡電機(jī)就要報(bào)廢。因此，穩(wěn)定的輸出和識別缺陷技術(shù)對于生產(chǎn)發(fā)卡電機(jī)，顯得尤為重要。目前，多數(shù)廠商采用的是普通熔焊頭外接視覺識別系統(tǒng)的組合方式，但這種方法只能捕捉到平面數(shù)據(jù)，而不能顯示高度數(shù)據(jù)。如果Z方向上存有誤差，焊縫質(zhì)量難以保證。同時(shí)，該方法還十分依賴夾具的定位。
對此，SCANSONIC推出了全新的電機(jī)焊接解決方案RLW-S。RLW-S具備增強(qiáng)型圖像識別、高速穩(wěn)定振鏡、智能補(bǔ)償算法、焊后檢測和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。增強(qiáng)型圖像識別技術(shù)包含灰度識別和三角測量，三角測量能獲得XYZ方向上的數(shù)據(jù)，灰度測量能識別平面的形狀，兩個(gè)攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)合能夠得到完整的6D數(shù)據(jù)，兩種識別方式互不干擾。
對于材料的焊接問題，其實(shí)通過振鏡解決，當(dāng)焊接速度大于20m/min時(shí)不會有飛濺產(chǎn)生，但需要穩(wěn)定的焊接振鏡才能實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)方法是通過智能補(bǔ)償算法解決，與RLW-A的間隙補(bǔ)償功能相似，但卻更智能。對于高度和平面上的不同落差和間隙，智能補(bǔ)償算法都能通過內(nèi)置算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的補(bǔ)償焊接。
RLW-S除了焊接發(fā)卡電機(jī)外，還在Busbar電極焊接上表現(xiàn)優(yōu)異。因?yàn)锽usbar電極采用的是鋁或者鋁銅合金的材質(zhì)，同時(shí)也需要焊縫識別。
在RLW-S焊接界面截圖上，焊接件是一個(gè)熱交換器，每焊完一處系統(tǒng)會自動(dòng)算出一個(gè)評分，如果焊縫質(zhì)量達(dá)不到要求還會自動(dòng)報(bào)警。軟件能實(shí)時(shí)顯示焊縫的平面數(shù)據(jù)和6D數(shù)據(jù)，這也是三角測量的優(yōu)勢。因此，RLW-S正是通過增強(qiáng)型識別、高速穩(wěn)定振鏡、智能補(bǔ)償算法、焊后檢測和經(jīng)濟(jì)性，從而保證生產(chǎn)和測量的穩(wěn)定性。
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