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汽车制造激光焊接技术应用现状及发展

发布时间 : 2018-08-28 浏览次数 : 470
引言

汽车工业是一个需要大量加工和测试的生产型产业,也是激光技术应用最广泛的行业之一,安全性、舒适性、节能和环保一直是世界汽车工业发展的主题,激光技术作为现代汽车生产中的主要加工方法之一,其发展也主要是围绕着这一主题并结合本专业的自身特点进行的。由于激光焊接工艺优越性、效率高、柔性好等优势,随着汽车轻量化概念、安全性能观念日益增强,激光焊接与切割工艺在汽车工业领域将得到更多重视和广泛应用。

汽车制造过程中,激光技术主要用于车身不等厚板的拼焊、车身焊接和汽车零部件焊接。激光焊接运用于汽车,可以降低车身重量并达到省油的目的;提高车身的装配精度,使车身的刚度提升30%从而提高了车身的安全性;降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本,减少车身零件的数目并提高车身一体化程度。

激光焊接工艺与应用

1.激光自熔焊接

激光自熔焊,即焊接的两部分或多个部分自身熔化并最终冷却凝聚成一体,该焊接方式不需要添加辅助的焊剂或填料,完全利用工件自身材料熔接在一起。

当激光光斑照射到工件表面上的功率密度达到106W/cm2以上时,工件在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高到沸点,使金属熔化和汽化。在液态金属中形成一个充满金属蒸气的细长孔洞。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续加深,形成一个深度稳定的小孔,小孔周围就是焊接熔池,小孔随着激光而移动,小孔闭合后便形成焊缝,实现激光深熔焊接。原理图如图1所示:

 
图 1 激光自熔焊接原理图
 
在车身制造中,采用激光焊技术,可以提高产品设计的灵活性,降低制造成本,提高车身的刚度,提高产品的竞争力。激光焊接焊接速度较快,所以焊接接头的热影响区较其他的焊接方法小,几乎没有焊接变形。这样可极大地提高了车身的结构和匹配尺寸、门盖与侧围的平度与密封效果、风挡玻璃与风窗口的匹配与密封,以及实现多层板的优质连接,达到较高的车身强度。

另外,由于现代汽车车身多采用镀锌钢板或优质高强钢,如果采用传统的点焊技术,由于三层板和镀锌的缘故,必须采用较大的焊接电流和焊接压力,其结果必然导致焊点质量下降和焊点变形严重,从而导致装配质量下降。惟一可行的是采用中频点焊连接技术和激光熔焊连接技术。就点焊本身而言,焊点的强度可以很高,但没有焊点的部分还是断续分离的,在车身整体强度方面要比焊接成一体的激光焊接接头强度要低。

点焊的不连续性和其自身的特点:如焊点容易变形,尤其是在焊接三层板连接、镀锌板连接和高强钢的连接时,焊接变形较大,导致焊点处的平整度降低及产生缝隙,而且点焊会造成焊接点周围的母材热影响区强度下降,车辆遭严重撞击时的断裂部位往往是在该处。
 
激光自熔焊在汽车车身制造中组要分为两大部分:车身组焊和拼焊。

1.1车身组焊
组焊主要有顶盖和侧围的连接、侧围组焊以及车门焊接,如宝马、大众、福特、通用、沃尔沃和欧宝等汽车品牌,均使用过激光自熔焊进行顶盖与侧围的连接。但随着技术的发展,激光组焊越来越广泛的应用于这一部位的焊接,目前只有沃尔沃仍在坚持使用激光自熔焊;侧围方面福特SUV和轿车分别有一款使用激光自熔焊,大众的很多车型也在使用。

 
图2激光自熔焊应用
1.2汽车激光拼焊
拼焊板(Tailor-welded blank, TWB)是由不同强度、不同厚度或不同涂层的钢材焊接而成,由于激光焊接高效、焊缝成型好等优势,目前的汽车拼焊板都采用激光焊接而成。

与普通钢板相比,拼焊板的优点主要有以下三个方面:
减轻车身重量—应用焊接的方法优化板料的厚度来减少重量;
提高车身服役和碰撞性能—主要包括安全、驾驶性能、疲劳和耐蚀性能和车身刚性等;
降低成本—主要从减少材料、减少加工程序和减少模具数量考虑。

采用激光拼焊板应用于车身制造,可以减少零件、模具及焊接工装数量,降低车身自重和成本,并提高产品的市场竞争力。图3中为拼焊板在汽车白车身中的主要应用,主要应用在覆盖件居多,也有些使用在结构件上。

 
 
图3 拼焊板在汽车上的主要应用

拼焊板焊缝形式

汽车拼焊板按焊缝类型分类可以分为三类:
1、单条直线焊缝;
2、复数直线焊缝;
3、非直线焊缝。
如图5所示,其中以单条直线焊缝类型应用最多,生产工艺也相对简单。非直线焊缝最复杂, 一般根据冲压件成型后的形状设计焊缝, 从而提高产品的强度和冲压性能。

 
图4汽车拼焊板焊缝类型及应用实例
 
由于汽车拼焊板后续都要进行冲压成型,所以对拼焊板的成型质量和缺陷控制要求特别严格。主要包括外观( 结疤、裂缝、夹杂、孔洞和划伤等) 、焊缝成形( 焊缝宽度、焊瘤凸出、焊缝有效深度、背面断差和焊缝错边等)和力学性能等( 对焊缝进行拉伸、杯突、硬度和弯曲等测试) 方面的要求。例如, 要去在拉伸性能测试中在非焊缝区域断裂, 杯突试验中开裂的区域不能在焊缝或杯突值大于规定值。
 
激光拼焊板发展现状
 
此项应用最早源于Audi100车的底板拼焊,目前已推广到各大汽车公司。丰田公司Tahara工厂生产的凌志(Lexus)车门板原来是用2种不同厚度、5种不同表面处理的多块钢板组成,现在只用1块激光拼焊板代替,大大提高了生产率。BMW公司1/3的汽车已采用激光拼焊板。在美国,1997年用于汽车工业的激光拼焊板将近1500万件,2000年达到4000万~6000万件。

德国的大众, 日本的本田、日产和丰田, 美国通用汽车公司, 瑞典沃尔沃汽车公司和长春一汽等, 现在基本每一款车型都有激光拼焊板的应用。目前国际上提供激光拼焊板的钢铁公司主要为蒂森克虏伯和阿赛洛集团。国内的激光拼焊板公司主要为上海宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司。武钢也通过收购蒂森激光拼焊集团的方式宣布进军激光拼焊行业。有专家预言,激光拼焊板将成为一项数十亿美元的产业。

此外, 由于激光拼焊板的高附加值, 国内越来越多的汽车配件厂商也将目光投向了汽车激光拼焊行业。然而, 激光拼焊成套设备相关技术一直被国外相关厂商掌握, 其单套几千万的价格也让国内中小厂商望而却步。

由于激光拼焊板的高附加值,国内越来越多的汽车配件厂商也将目光投向了汽车激光拼焊行业。然而,激光拼焊成套设备相关技术一直被国外相关厂商掌握,但其单套设备的价格都在千万级别以上。随着国内汽车制造业的发展,国内市场对汽车拼焊板的需求也越来越多,国内拼焊设备也得到一定的发展。大族激光从2009年开始对拼焊设备和焊接工艺进行研发,大族激光一直进行着不等厚拼焊激光焊接焊接工艺的研发,这一过程与焊接设备同时进行,对设备提供实际改进经验。

 
图5大族激光不等厚拼焊板激光拼焊设备a) 机械压紧式;b) 磁铁吸紧式
 
HWF40激光拼焊机是大族激光自主研发的机型, 采用光纤激光器, 配置双工位进行焊接, 双工位的配置最大限度的提高了激光器的利用率和生产效率。焊接夹具采用可调级电磁铁产生的吸力来替代传统拼焊设备液压机构向下的压力来达到固定板材并克服焊接时产生的应力。此方式能完全避免使用液压压紧装置造成板材表面的压痕及划伤, 且能解决液压机构各处压爪压力不均现象。

电磁铁集成的水冷系统能及时带走焊接时产生的热量, 避免持续焊接造成热积累而导致板材变形。焊接头配备随动的抽风机构, 能及时带走焊接时产生的大量烟尘以保证焊接质量, 极大的提高了焊缝的均匀程度以及板面的清洁度。目前, 该机型已交付客户生产使用, 具有稳定性高的特点, 得到客户的高度肯定。

另外,该公司通过近几年来的技术积累与研发,成功的研发与制造了多款激光拼焊设备,包括手动激光拼焊设备,半自动激光拼焊设备和全自动激光拼焊生产线,可有效满足各种类型的激光拼焊板的生产需求。

 
图 6全自动激光拼焊板生产线
 
 
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