激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用

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1、激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造中的應(yīng)用1、引言激光焊接從上世紀(jì)60年代激光器誕生不久就開(kāi)始了研究，從開(kāi)始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近40年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)、航空航天、國(guó)防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求

2、高的問(wèn)題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車(chē)制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。這也是激光焊接能夠吸引國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科技人員從事研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的原因。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外激光焊接技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的一些進(jìn)展，并介紹了激光焊接在汽車(chē)零件和車(chē)身制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。2、激光焊接技術(shù)的進(jìn)展2.

3、1激光器技術(shù)在汽車(chē)制造和其它工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的大功率激光器主要包括兩類(lèi)，CO2激光器和Nd:YAG激光器，而大功率半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的研究還處于起步階段。(1)CO2激光器用于大熔深激光焊接的CO2激光器一般以連續(xù)方式工作，主要包括快軸流和Slab型兩種類(lèi)型。同快軸流激光器相比，Slab型激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、氣體消耗量少、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。目前世界上CO2激光器最大輸出功率為45kW，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的激光器輸出功率范圍約在700W至12kW之間。我國(guó)目前可以自主生產(chǎn)的快軸流激光器最大輸出功率為3k

4、W。(2)Nd:YAG激光器Nd:YAG激光可以通過(guò)光纖傳輸，在柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工場(chǎng)合更具有適應(yīng)性。目前國(guó)外Nd：YAG激光器的最大輸出功率達(dá)10kW，而包括汽車(chē)在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的則是3kW和4kW的Nd:YAG激光器。最近幾年，半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG激光器制造技術(shù)有了飛速發(fā)展，最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到和氙燈泵浦的Nd:YAG激光器同樣級(jí)別。例如，Trumpf公司生產(chǎn)的氙燈泵浦Nd:YAG激光器的輸出功率最大為5500W，而半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG激光器最大輸出功率已達(dá)到6000W。我國(guó)在大功

5、率Nd:YAG激光器技術(shù)方面還相當(dāng)落后，目前還不能自主生產(chǎn)千瓦級(jí)Nd:YAG激光器。(3)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器具有波長(zhǎng)短、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是未來(lái)激光器發(fā)展的重要方向之一。國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了利用大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鋁合金焊接的研究工作，可以獲得2mm的焊接熔深。但半導(dǎo)體激光器面臨的最大問(wèn)題是光束模式差，光斑大，因此功率密度較低，這是半導(dǎo)體激光器今后用于工業(yè)生產(chǎn)必須解決的問(wèn)題。2.2激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要

6、內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺(jué)等各種傳感器，通過(guò)人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法，針對(duì)不同的激光焊接過(guò)程和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，并通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過(guò)程。圖1激光焊接過(guò)程檢測(cè)原理示意圖(1)激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)利用各種傳感器對(duì)激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測(cè)是常用和有效的方法，如圖1所示。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同，激光焊接質(zhì)量檢測(cè)主要包括以下幾種方式：1)光信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象為激光焊接過(guò)程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔

7、池光輻射等。從檢測(cè)裝置的安裝來(lái)看，主要包括與激光束同軸的直視檢測(cè)、側(cè)面檢測(cè)和背面檢測(cè)。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機(jī)，以及光譜分析儀等。2)聲音信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象主要為焊接過(guò)程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。3)等離子體電荷信號(hào)。檢測(cè)對(duì)象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。利用光電傳感器檢測(cè)激光焊接過(guò)程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制的重要方法之一。國(guó)內(nèi)外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動(dòng)檢測(cè)出焊接過(guò)程中因激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、噴嘴至工件表面距離、對(duì)接間

8、隙等工藝條件的波動(dòng)引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量，例如，氣孔傾向的嚴(yán)重程度。采用激光視覺(jué)傳感器可以實(shí)時(shí)觀察焊縫的成形質(zhì)量，迅速及時(shí)診斷高速焊接中容易出現(xiàn)的咬邊和氣孔缺陷，同時(shí)可以在線測(cè)量焊縫的寬度變化。采用這種在線檢測(cè)方法替代手動(dòng)檢查，大大減少了返修率，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。例如，在Nd:YAG焊接系統(tǒng)中，采用Ar+激光作為輔助光源照亮焊接區(qū)