简单分析激光焊接技术在一汽-大众白车身焊接中的应用

摘要：介绍了激光焊接技术在一汽－大众各种车型白车身焊接上的应用，不仅提高了车身防腐性能，而且使车身强度提高30％，极大地提高了生产效率，确保车身制造精度高，又保证了汽车车体的美观，同时减轻了车身质量。重点论述了激光焊接的基本原理和各种焊接方式的特点及焊接接头形式，激光熔焊及激光钎焊特点，激光焊系统基本组成结构和焊接参数规范的选择。分析了激光焊缺陷的种类及影响激光钎焊质量的因素，介绍一汽－大众激光焊质量检测的手段和方法及评价标准、激光焊的安全防护措施及其发展趋势。

关键词：激光焊接；激光钎焊；质量检测；白车身激光焊接

前言

至从1960年美国人发明第一台红宝石激光器以来，在近几十年的时间里，激光应用技术得到了飞速的发展。德国大众汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接白车身顶盖与侧围、侧围、车门等钣金焊接。激光作为一种优异的材料加工热源得到了越来越广泛的应用，其范围也日益广泛。从电子工业到机械制造领域，激光加工技术变得越来越成熟。

在汽车制造领域，激光加工技术得到了广泛的应用和发展。其中激光熔焊、激光钎焊技术正是在车身制造的推动下开发出来的一项新的连接技术。德国大众汽车公司成功的将激光焊技术应用到了汽车白车身焊接上。一汽－大众汽车有限公司在新一代的产品(BORA A4、Golf A4、Golf A6、Caddy、Sagitar、Maogtan、Magotan CC、Audi A6、Audi A6L、Audi A4、Audi Q5 等)中引进了这一激光焊接新技术，不仅提高了车身防腐性能，而且使车身强度提高30％，极大提高了生产效率，确保车身制造高精度，又保证了汽车车体的美观，同时减轻了车身质量，为汽车行业生产轻量化汽车作出了突出贡献。

1、应用

1.1 激光焊接技术的经济效益

1.1.1 激光焊接加速了采用冲压零件代替锻造零件的进程

激光可以焊接不同厚度和不同表面涂镀层的金属板，再经过冲压，能达到变形的最合理的金属组合，省去了二次加工。

1.1.2 降低了废品率

激光束改进了产品设计投产周期，减少搭接宽度和加强部件的数量，并简化车身结构件，减轻了车身质量。

1.1.3 提高汽车品质

采用激光焊接工艺可以显著改善车身的抗冲击性、抗疲劳性、防腐性能、白车身强度以及安全性能。

1.1.4 提高汽车生产商的效益

采用激光拼焊板可以大大提高汽车设计的灵活性，且大大降低了模具数量，增加了材料利用率，并一次冲压成型。

1.2激光在汽车生产中的主要应用形式

1.2.1 飞行焊接



包括叠板焊接、梯角焊接、双焦点焊接。激光束照射在材料上，将其加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起。激光焊接，使用比切割金属时功率小的激光束，使材料熔化而有少量汽化，在冷却后成为一块连续的固体结构。飞行焊接适用范围如图1 所示。

1.2.2 激光钎焊



包括卷边焊接、等高梯角焊接、不等高梯角焊接、冷丝焊接、热丝焊接。单独使用激光或联合其他热源，用于熔化填充物，使填充物滴落在母材表面，将母材紧密连接在一起。激光钎焊适用范围如图2所示。

1.2.3 混和焊接

激光＋MIG；激光＋MAG 等。

1.2.4 激光切割

用于板材切割等。

1.2.5 激光打标



用于刻字、铭牌标记等。PQ35 平台不同形式的激光焊接工艺如图3 所示。

1.3一汽－大众激光设备在焊装生产中应用概况



一汽－大众激光设备在焊装生产中应用概况如图4 所示。焊装车间共采用了德国TRUMPF 公司生产的激光焊机60 台，这些设备维修技术复杂且备件价格昂贵，同时作为一项全新的技术，激光焊白车身焊接技术的应用也给一汽－大众汽车有限公司的员工队伍提供了前所未有的机遇和挑战。

其中开迪、速腾、迈腾车型共采用激光焊缝1 600 余条，焊缝累积长度近70 m，如此大规模、大批量采用激光焊技术在整个一汽－大众汽车有限公司乃至在整个汽车产业界都是少有的。预计未来5 年内，将继续购买激光焊机27 台。为一汽－大众汽车有限公司向广大顾客交付品质卓越的轿车提供有力的保证。

激光焊接技术的主要特点是：

(1)工作效率高，定位精度高、焊缝变形小；
(2)外观美观，质量稳定；
(3)利用光学原理能量集中的特性对零件进行焊接；
(4)最大功率可达到4 400 W，保证了焊接强度远远大于其他焊接方法；
(5)Sagitar 白车身采用21 台激光焊机，焊缝长度为9 m，使车身整体强度提高了30％。

1.4一汽－大众焊装车间激光焊接使用分布状况



一汽－大众焊装车间激光焊使用统计如图5 所示。

2、功能和特点

奥迪A6L 是国产技术领先、品质优良的高档豪华轿车，是高科技的结晶。主焊线白车身的侧围与顶盖的焊接采用激光焊，使白车身的焊接质量大幅度提高，为一汽－大众汽车有限公司生产品质卓越的奥迪A6L 高级轿车提供了保证。激光就是通过激发激光发生体，使能量放大、叠加，以放射的形式发射(光的放大就是处于高能级的原子受光辐射，由高能级跃迁到低能级，同时发光)。激光焊是利用激光的热量加热金属，使被焊金属熔化并形成焊缝。

以奥迪A6L 车型为例，具体说明其特点：

2.1激光熔焊及激光钎焊的特点

(1)激光熔焊的特点：

a．功率密度高，加热集中，焊缝热影响区小；
b．获得较小的焊缝宽度；
c．直线性好，可以焊接一般焊接方法难以达到的部位，传播距离长；
d．可以焊接难熔的材料；
e．一台激光焊机可以用于多个工位的焊接；
f．激光对焊接接头具有“净化作用”，使焊缝金属强度高、韧性好、机械性能好；
g．激光焊的缺点是有焊缝腐蚀的危险；
h． 激光焊接动作均由机器人完成，实现了精确定位的同时，也使得生产时间缩短30％。

(2)激光钎焊主要特点：

a．激光钎焊焊接速度快，噪声小；
b．可精确调节和控制热输入，热影响区和变形小，可以焊接特殊结构；
c．可钎焊几何形状复杂的工件；热输入更低，镀锌层烧损更少；
d．焊缝成形美观、质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理；
e．通过外光路系统可以使光束改变方向和传播路径，因而可以方便的与机器人连接构成柔性加工系统；
f．由于在激光填丝钎焊时被连接件间的间隙被渗透，焊缝具有防腐性。当采用适当的工艺参数，焊缝可不经处理进行油漆。

2.2 激光焊与钎焊、CO2 焊的比较



激光焊、钎焊、CO2 焊特点比较如表1 所示。

2.3 激光焊系统基本结构



以3000W激光焊为例介绍其基本结构。激光设备组成如图6所示。

(1)激光控制器：由3 个共振器和3 个放大器组成组成，主要产生激光。
(2)控制装置：控制和监视整个激光器。包括内部功能、操作单元控制、接口根据外部设备(如SPS)控制等。
(3)配电装置：将电网电源分配到各个控制单元，并控制激光设备的起动和安全回路。
(4)灯供电：供给激光器的激发灯管的动力。
(5)内冷却装置：将激光中相应的损失热排除到一个外部冷却水循环中(环流)。
(6)激光光缆：传输激光。激光光束直径为0．6mm的光栅，核心为玻璃透明材料，芯旁有一个电缆，预防光缆断裂，电缆有感应，外部网起保护作用。激光光缆弯曲直径应大于200 mm。
(7)加工镜组：通过快门、转向器等将光缆末端激光经2 个透镜组将平行光再次聚焦到工件表面上。
(8)PLC 控制机：外部控制装置，由PLC 操作可以进行外部控制打开和关闭。
(9)机器人控制器：可编辑机器人程序，控制整个系统处于正常状态，可以直接控制激光器的激光打开→激光准备好→程序激活→程序完成→程序
中断。
(10)激光控制器：可编辑激光焊参数，内部控制激光的产生、故障诊断、信息的提示、记录等功能。
(11)冷却机组：当外循环冷却系统冷却内循环的温度超过39℃时，冷却机组工作冷却外循环温度，使激光共振器和放大器在30 ℃正常工作。

2.4激光焊作用原理

由机器人控制器发出信号给PLC，PLC 获得程序号发射给激光控制器，激光控制器得到程序号准备开始工作，机器人开始移动，使挂在机器人头部滑槽正好在一半的位置，此时放出保护气体氩气。

当垂直电压和水平电压分别为1 500 mV 和3 000 mV时，以4 m／min 的速度焊接，同时给激光发出一个指令，激光器程序运行，发出激光，并沿顶盖焊接，焊缝长1．5m，焊后激光关闭，机器人停止运动，沿顶尖接触工件相反方向返回。

当顶尖从零件中离开，机器人开始移动，此时垂直电压和水平电压仍为1500mV和3000mV，机器人回原位时，垂直电压和水平电压均为0 mV，则另一侧机器人开始重复上述内容，完成1．5 m长焊缝，至此整个白车身焊接完成。

2.5 焊接参数的选择

(1)激光功率3 kW。固体激光器(Nd:YAG－钕：钇、铝、石榴石)能量可调，系统全自动调节功率达3kW。
(2)激光焊速度4 m／min。焊接速度取决于能量密度，能量密度越大，焊接速度越快。
(3)板材为镀锌钢板。侧围外板厚0．8 mm，顶盖板厚0．75mm。装配间隙：通过顶尖来控制，一般为0．05～0．20mm。当焊缝宽度小于0．15mm时，锌蒸气不能通过侧面的间隙排除，而从焊缝表面排除，易产生气孔缺陷；当焊缝宽度大于0．15 mm 时，熔化金属不能完全填充间隙，造成强度不足。焊缝厚度与板材相同时，机械性能最好，焊缝宽度取决于焦点直径；焊缝深度则取决于能量密度、焊接速度、聚焦直径。
(4)保护气体为氩气，流量为25 L／min，使用压力为0．15～0．20 MPa。
(5)焦点直径0．6 mm。
(6)焦点位置：对于板厚1 mm 时，聚焦正好在上表面位置上，焦点位置取决于圆锥的形状。
3、影响激光钎焊质量的因素



影响激光焊接质量的因素如图7 所示

4、激光焊质量检测手段

为了保证焊缝质量，一汽－大众采用多种方法进行检验，并制定详细严格的返修计划，以确保白车身的强度。

4.1 检测方法

4.1.1 目视检验

(1)依据德国标准PV 6917 标准；
(2)对每一个下线的分总成都要进行目视检验；
(3)重点检测焊缝的熔透状况(如未熔透、过熔透、烧穿)，兼顾焊缝的表面状况(如飞溅、气孔)；目视检测时激光焊缝缺陷的种类如图8 所示。



激光钎焊目视检查评价方法如表2 所示。


4.1.2 破坏性检验

破坏性检验所用工具如图9 所示。

4.1.3 金相显微分析

激光焊缝微观缺陷种类如图10 所示。

4.1.4 无损检测




激光焊无损检测方法比较如表3 所示。

4.2激光钎焊缺陷返修基本要求

激光钎焊缺陷返修基本要求如表4 所示。

4.3 激光焊安全

激光焊设备是根据技术标准和承认的安全技术规则制造的，但还可能在使用过程中对使用者或第三者的人身和生命造成危险，或者对设备及其他贵重物品产生消极影响。德国Trumpf 公司的设备通常按下列激光保护等级进行分配：

4.3.1 激光产品等级

(1)CLASS1； (2)CLASS1M； (3)CLASS2； (4)CLASS2M；(5)CLASS3R；(6)CLASS3B；(7)CLASS4。

等级1 是指在适当的操作条件下是安全的，包括直视光学部分，如：有保护盖的光学元件。
等级4 是指射线对眼睛和皮肤有危害，必须采取相应的安全措施。首先借助于特殊的激光保护眼镜保护眼睛。激光焊接的常用警示标牌如图12 所示。

4.3.2 评价方法

(1)对眼睛的伤害。Nd:YAG 激光波长为1 064 mm，可穿透眼角膜、眼球、玻璃体在眼底进行聚焦，将会造成永久性伤害，如图13 所示；(2)对皮肤的伤害。

4.3.3 操作激光焊机应注意的事项

(1)激光是不可见光，必须戴防护眼镜；(2)机器人本身很重，移动速度快，易伤人；(3)每次工作前检查激光间内部是否有人，门是否关紧；(4)未受过安全培训的人不得进入激光间；(5)可以通过激光间外的玻璃窗观察机器人等工作状态，该玻璃是特殊材料制成的，可滤掉一定波长范围内的光，或使用镜头监视；(6)定期检查金属间是否有破损，以防激光外漏；
(7)经常观察激光间外部警示灯；(8)红色：按急停开关；(9)橘黄—长亮，激光点燃。闪烁—激光未点燃(焊机上指示灯)；(10)橘红：激光准备好，可以焊接。(11)绿色：开始工作，正常。

5、激光焊未来发展趋势

在激光加工工艺中存在母材受热熔化、汽化，形成深熔小孔，孔中充满金属蒸汽，金属气体与激光作用形成等离子云。等离子云吸收、反射激光，降低金属材料对激光的吸收率，使激光的能量利用率降低；对焊接母材端面接口要求高，容易产生错位；容易生成气孔疏松和裂纹；焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷，焊接过程不稳定等情况。

同时，为消除或减少单热源激光焊接的缺陷，人们在保持激光加热优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接。主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。



根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式，自动化方向发展。激光器则向二极管激光器及碟式激光器，光纤激光器方向发展。激光器形式如图14 所示。

新型二极管及高能碟式激光焊机的最大优点是：

(1)功率反馈与控制系统稳定，输出功率大，碟式激光器的光电转换效率大于30％，稳定性好，可以根据用户使用要求自由组合进行拓展；
(2)可以降低设备投资20％～30％；
(3)减少运行费用，能源消耗进一步降低；
(4)激光焊机寿命延长；
(5)采用飞行焊接设备，协同作业效果好，动态效果、灵活型等，可使焊接范围更广范；
(6)焊接参数调整更方便，工艺过程时间缩短，焊接速度提高；
(7)光路互换保证生产，所有激光器TLN 联网，便于监控；
(8)设备维修更简捷，碟式激光器免维护。激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了今天的焊接镀锌板、铝板等材料，激光焊接速度也达到了每分钟几十米，激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生产线上，在汽车生产线上如汽车结构件(包括白车身的车门、侧围、后盖、顶盖等)的高速拼焊，并已取得了巨大的经济效益和社会效益。