激光焊接
1、過(guò)程及必要設(shè)施
激光(產(chǎn)生于被刺激的輻射放射物的光的放大作用)是一種特殊性質(zhì)的光，單色并且連貫，因此可以將光集中于要做鋼融解的一個(gè)微小斑點(diǎn)上。要?jiǎng)?chuàng)造激光輻射,就需要激光媒介。在將能量從外向內(nèi)轉(zhuǎn)入到這個(gè)媒介中的同時(shí)，可以產(chǎn)生被刺激的分子。在諧振器中這束單色光將在兩個(gè)鏡子之間反射，由反射產(chǎn)生出時(shí)間和空間凝聚的光子，其中一個(gè)部分透明的鏡子能將這條射線反射出這臺(tái)諧振器。
針對(duì)大功率應(yīng)用的重要激光器有兩種：二氧化碳激光器和釹：釔鋁石榴石激光器。二氧化碳激光器是氣體激光,即為產(chǎn)生出激光輻射所使用的媒介是氣體，刺激過(guò)程就是放電過(guò)程，二氧化碳激光的波長(zhǎng)為10.6mm。釹：釔鋁石榴石激光器是固體激光，激光放射媒介是釹原子在氧化鋁中的點(diǎn)陣。由于激光放射原子的密度比較高, 因此固體激光的大小比氣體激光要小，釹：釔鋁石榴石激光的波長(zhǎng)為1064nm，是二氧化碳激光的十分之一。
二氧化碳激光是現(xiàn)在比較強(qiáng)有力的激光，但釹：釔鋁石榴石激光的操控系統(tǒng)極具優(yōu)勢(shì)。由于二氧化碳激光的波長(zhǎng)為10.6mm，所以必須要安裝一個(gè)“陡坡”裝置，這就限制了可能的運(yùn)動(dòng)方式。而釹：釔鋁石榴石激光的輻射可以用靈活的纖維質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)進(jìn)行引導(dǎo)，因此可以允許激光發(fā)射頭進(jìn)行自由移動(dòng)。
2、優(yōu)勢(shì)及要求
激光焊接最重要的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒎浅８叩哪芰烤劢褂谝稽c(diǎn)，激光束打在兩個(gè)要焊接部分的邊緣，輸入能量把金屬加熱并將其融化。在激光束作用以后，溶化的材料將迅速冷卻。在這個(gè)過(guò)程中，有一小部分的數(shù)量將進(jìn)入被焊接的零件中。在焊接減少熱變形的同時(shí)，也減少了輸入的熱能量。減少因熱量影響的變形，并增加對(duì)準(zhǔn)確性的糾正，可以節(jié)省大量金錢和時(shí)間。
然而，如何提高焊接速度和減少低能量輸入是目前面臨的挑戰(zhàn)。在被供熱的區(qū)域減少低能量輸入雖有它的好處：珠光體、馬氏體和奧氏體接縫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜鋼型不會(huì)大范圍改變結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)同樣適用于其它鋼，如被限定好碳沉淀的IF鋼；但另一方面也存在一些不足，少量的能量會(huì)導(dǎo)致快速冷卻，熱能將被導(dǎo)入冷卻部位。
為減少接縫的硬化，小心調(diào)整焊接的速度參數(shù)、激光功率、冷卻比率和焦點(diǎn)位置是非常重要的。而為防止金屬進(jìn)一步硬化，還需采用保護(hù)氣體加以保護(hù)，如氬氣和氦氣等不會(huì)在材料中發(fā)生任何熱反應(yīng)的氣體。
激光光束的小光點(diǎn)尺寸引起的另一個(gè)問(wèn)題是切邊質(zhì)量，如果在兩個(gè)零件中間有要進(jìn)行焊接的接縫，激光束要保證通過(guò)材料時(shí)不會(huì)與其相接觸并將其融化。要避免這點(diǎn)，對(duì)零件精確性的要求非常高。目前，使用領(lǐng)域較普遍的是連接兩個(gè)零件的長(zhǎng)縫，這能夠在越來(lái)越多的車身空白處發(fā)現(xiàn)。
激光拼焊板
1.激光拼焊板的優(yōu)勢(shì)
德國(guó)蒂森克虜伯激光拼焊板有限公司從1985年開始生產(chǎn)拼焊板，激光拼焊技術(shù)的出現(xiàn)使得汽車生產(chǎn)制造從整車制造商向材料供應(yīng)商轉(zhuǎn)移。目前，激光拼焊板主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。在激光焊接中，材料是對(duì)接而不是搭接，這將帶來(lái)如下焊縫特性：
?。?）降低焊縫區(qū)域的體積，例如，焊縫寬度不超過(guò)0.5～1mm；
?。?）不增加焊縫高度；
?。?）對(duì)沖壓成形性能影響較??；
?。?）在焊縫上附加鍍鋅后，可保持其陰極保護(hù)功能；
（5）焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)小。
完成焊接后，焊縫區(qū)域的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是非常重要的指標(biāo)，因此，還需對(duì)焊縫區(qū)域抽樣，進(jìn)行破壞性抗拉強(qiáng)度測(cè)試（杯突測(cè)試），以檢驗(yàn)焊縫區(qū)的拉伸成形性能。一般來(lái)說(shuō)，焊縫的拉伸強(qiáng)度比母材的強(qiáng)度要高。
激光拼焊板工藝與傳統(tǒng)點(diǎn)焊搭接工藝的產(chǎn)品相比有諸多優(yōu)勢(shì)：不僅降低了整車的制造成本、物流成本、整車重量、裝配公差、油耗和廢品率，而且減少了外圍加強(qiáng)件數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配步驟及工藝，同時(shí)使車輛的碰撞能力增強(qiáng)，沖壓成型率及抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封膠，也為環(huán)保帶來(lái)利益。
2.激光拼焊板的應(yīng)用
拼焊板已被廣泛的應(yīng)用于車身部位，ULSAB（世界輕質(zhì)鋼制車身協(xié)會(huì)）的最新研究結(jié)果表明：最新型的鋼制車身結(jié)構(gòu)中，50％采用了拼焊板制造。
當(dāng)激光拼焊技術(shù)應(yīng)用于車身側(cè)圍的制造，不再需要任何加強(qiáng)桿、加強(qiáng)筋及附屬的生產(chǎn)工藝，則重量和部件數(shù)量都會(huì)得到減少，而高延展性材料的應(yīng)用也會(huì)使抗撞擊能力得到改進(jìn)。同時(shí)，也不再需要加強(qiáng)板，在B柱上，拼焊板的應(yīng)用可大大降低累積公差。
激光拼焊板的采用，不僅提高了車門部件制成品質(zhì)量的穩(wěn)定性，使車門部件的調(diào)校不再是個(gè)難題，同時(shí)可降低部件的重量，而且原有接縫處密封措施的省略，也使其更具有環(huán)保性。此外，拼焊板在車門上的應(yīng)用還使鉸接區(qū)域的剛性得到整體加強(qiáng)，車門的配合公差得到大幅改善。重量降低、生產(chǎn)工藝得到優(yōu)化，則必然使成本下降。
奧迪A6的車身強(qiáng)度和鋼度一直備受贊揚(yáng)，國(guó)產(chǎn)全新奧迪A6L在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了再次改進(jìn)：采用了激光拼焊技術(shù)的車身設(shè)計(jì)（如圖3）。新奧迪A6L經(jīng)過(guò)強(qiáng)化的車身，其抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高了34%。配合全新的車身、底盤設(shè)計(jì)加之采用先進(jìn)激光焊接技術(shù)的堅(jiān)固車身結(jié)構(gòu)，使國(guó)產(chǎn)全新奧迪A6L在遭遇碰撞時(shí)，預(yù)測(cè)的車身變形區(qū)、側(cè)面防撞保護(hù)梁以及合理的車內(nèi)空間結(jié)構(gòu)等能夠?yàn)槌丝吞峁┯行ПＷo(hù)。這些看不到摸不著的設(shè)計(jì)和選材不但能降低車輛的制造成本和重量，還能在關(guān)鍵時(shí)刻最大限度地保護(hù)乘客的生命安全。
3.質(zhì)量管理
?。?）焊接檢測(cè)
質(zhì)量檢測(cè)和保障系統(tǒng)為生產(chǎn)高質(zhì)量的拼焊板提供保證，拼焊板的生產(chǎn)過(guò)程采用自動(dòng)化生產(chǎn)線，以確保安全、經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)，這就需要現(xiàn)代化的檢測(cè)儀器。早在1985年，德國(guó)蒂森克虜伯激光拼焊板有限公司開始生產(chǎn)拼焊板的時(shí)候，就已經(jīng)采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)在，這套系統(tǒng)已經(jīng)更完善。在焊接激光頭的后面安裝一個(gè)焊縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)焊縫的質(zhì)量，以保證焊縫符合質(zhì)量要求。等離子體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被用來(lái)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)可以在焊接過(guò)程中處理傳感器提供的信號(hào)。
激光拼焊板需要全自動(dòng)或半自動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)線，同時(shí)要采用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。為了滿足這些新的全自動(dòng)生產(chǎn)任意拼接板的生產(chǎn)過(guò)程的要求，蒂森焊接技術(shù)有限公司、蒂森克虜伯鋼鐵有限公司的研究部門、蒂森克虜伯激光技術(shù)有限公司以及蒂森諾邦有限公司在前期階段就提出了焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程管理自動(dòng)評(píng)估的不同可能性，而開始經(jīng)營(yíng)的第一個(gè)激光拼焊板工廠生產(chǎn)的第一塊激光拼焊板就使用于奧迪100的底板上。近年來(lái)，這個(gè)技術(shù)在不同階段得到了進(jìn)一步發(fā)展并被改進(jìn)，它不僅可以控制焊接過(guò)程本身，而且可以用這項(xiàng)根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)開發(fā)的最新一代技術(shù)來(lái)評(píng)估焊縫。其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能在高速焊接過(guò)程中監(jiān)測(cè)焊縫幾何形狀上的缺陷，而且還能檢測(cè)極小的孔洞。
?。?）評(píng)估系統(tǒng)
蒂森 LAM (激光應(yīng)用管理)與焊縫檢查系統(tǒng)相結(jié)合，不僅能查出趨向瑕疵，譬如不規(guī)則的幾何縫隙(縫隙入射, 邊緣位移, 根下陷)，而且還能查出小程度的瑕疵, 譬如氣孔和孔洞。光條紋和等離子傳感器系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)以最佳狀態(tài)作為補(bǔ)充, 因此高測(cè)量率能保證在高焊接速度情況下，安全地查出輕微的有瑕疵的可能性。
一個(gè)電腦輔助的評(píng)估系統(tǒng)能自動(dòng)評(píng)估傳感器信號(hào)，包括在焊接過(guò)程期間。從而確定是否相關(guān)測(cè)量點(diǎn)的條件符合指定的要求, 或者是否導(dǎo)致接縫質(zhì)量下落的偏差已經(jīng)發(fā)生。在焊接過(guò)程期間, 焊縫的溫度由紅外測(cè)量登記。各任意拼接板被評(píng)估的傳感器數(shù)據(jù)記錄被存放在一個(gè)短協(xié)議中，這意味著允許這個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量用文件來(lái)證明。
一個(gè)完整的錯(cuò)誤偵查系統(tǒng)可警告操作員在全自動(dòng)焊接設(shè)施中發(fā)生的所有機(jī)械缺點(diǎn)，這個(gè)質(zhì)量管理和監(jiān)控系統(tǒng)被擴(kuò)大為針對(duì)非線性激光焊接生產(chǎn)的新設(shè)備概念。傳感器安置在焊接頭前能夠查出將要被焊接板料的連接邊緣，不僅允許查明連接邊緣的確切位置, 而且允許測(cè)量板料之間的重疊。當(dāng)查明的重疊測(cè)量超出一個(gè)被預(yù)定的極限值時(shí)，將會(huì)警告操作員, 并且自動(dòng)整理出空隙。另外，運(yùn)用這種設(shè)備，連接邊緣的偵查信號(hào)也被用于精確地辨別和調(diào)整連接邊緣的激光束。
4.技術(shù)趨勢(shì)
未來(lái)激光焊接技術(shù)將會(huì)采用哪種方式？答案有兩個(gè)：一種是演變, 改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。這意味著針對(duì)發(fā)展激光焊接將會(huì)有一種新的激光源——纖維激光，這是一種設(shè)有靈活的纖維諧振器的激光，輸入能量比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸出能量，整個(gè)設(shè)備將比較緊湊。大功率纖維激光的另一個(gè)好處在于模件建造，許多功率大約為300～500W的纖維諧振器，如果發(fā)生技術(shù)漏洞，更換一個(gè)合適的模塊非常容易。在這種情況下，由于激光工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，因此也不需要配備一個(gè)訓(xùn)練有素的技術(shù)員。
另一種是在一些以電阻螺柱焊接為主的地區(qū)介紹的激光焊接方式——“交替龍門焊接”，當(dāng)焊接時(shí)間超過(guò)50%的工作時(shí)間時(shí)，激光焊接裝置更為節(jié)省。在應(yīng)用方面, 現(xiàn)在正在應(yīng)用電阻螺柱焊接，解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是一種規(guī)定有兩個(gè)焊接交替配置的激光。當(dāng)一個(gè)配置的焊接正在運(yùn)行時(shí),另一個(gè)配置處處理頭向下一個(gè)焊接位置移動(dòng)，在這以后激光將轉(zhuǎn)至另一個(gè)焊接配置，這項(xiàng)技術(shù)已由蒂森克虜伯引進(jìn)。
然而，除此之外針對(duì)汽車制造商也將會(huì)出現(xiàn)完全新式的使世界焊接領(lǐng)域發(fā)生革命性變化的焊接技術(shù)，如摩擦焊接。它的優(yōu)勢(shì)是只需能夠焊接兩個(gè)零件必要的低能量輸入即可，而熱量變形較低。由于溫度非常低, 因此，焊縫不會(huì)比材料堅(jiān)硬。但也有不足之處：高強(qiáng)度壓力和快速自轉(zhuǎn)要求必須要很好地固定住金屬零件。目前，只有幾家公司采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)焊接鋁。但無(wú)論從哪個(gè)角度來(lái)說(shuō)，激光拼焊技術(shù)將會(huì)是未來(lái)車身焊接技術(shù)的發(fā)展方向！
