机器人激光焊资料要点

机器人激光焊资料要点 图1 激光钎焊焊缝外观 激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度及适应性强等优点，受到各汽车厂家的高度重视。长安福特马自达从建厂初期就引进了福特成熟的激光焊接技术，极大地提高了车身的焊接质量。 激光焊是利用高能量密度的激光作为热源的一种高效、精密的焊接方法。随着航空航天、汽车、微电子等行业的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，人们对产品加工精度和表面完整性，以及生产效率、工作环境的要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，以激光为代表的高能焊接方法得到广泛应用。激光焊接因具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度及适应性强等优点，受到各汽车厂家的高度重视。福特工厂在20世纪80年代已广泛应用了该项技术，长安福特马自达从建厂初期就引进了福特成熟的激光焊接技术，极大地提高了车身的焊接质量。 激光焊的原理及特点 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。按激光器输出能量方式的不同，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊(包括高频脉冲连续激光焊);按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊;在激光深熔焊中又分为对接焊(钎焊)和搭接焊，前者需要填钎料，外观美观。 激光焊的优势主要包括:激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料;激光焊是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题;激光能量和移动速度可调，可实现多种焊接加工;自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快、功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接;热影响区和材料变形小，无需后续工序处理;激光可通过玻璃，焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件;易于导向、聚焦，实现各方向变换;激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便;生产效率高，加工质量稳定可靠，经济和社会效益好。 图2 激光焊接质量控制 激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光器(固体、气体、半导体)、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统等主要部件和光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置及安全装置等外围设备组成。 1. 激光器 用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光器两种。CO2气体激光器功率大，是目前深熔焊主要采用的激光器，但从实际应用出发，在汽车领域，YAG 固体激光器的应用更广。随着科学技术的迅猛发展，半导体激光器的应用愈加广泛，由于其具有占地面积小、功率大、冷却系统小、光可传导、备件更换频率和费用低等 优点深受用户青睐，长安福特马自达工厂所使用的固体激光器和半导体激光器的技术参数比较如表所示。 2. 光导和聚焦系统 光导聚焦系统实现激光的传送、方向和焦点控制。光学镜片的状态对焊接质量有着非常重要的影响，因此要对光学镜片进行定期维护。 3. 焊接机器人 焊接机器人作为运动及控制系统，可精确控制激光焊接轨迹，并携带自动跟踪系统，保证焊接质量稳定、可靠。 激光焊的应用 长安福特马自达工厂采用激光焊接技术主要对车身顶盖与侧围的接合处进行焊接，并对车身的部分零件进行切割。采用激光焊后，可达到两块板材之间的分子结合，且板材变形极小，几乎没有连接间隙，从而将车身强度提升30%。此外，因激光焊形成的是连续焊缝，经过打磨器打磨后表面非常光滑、顺畅，在外观上比普通点焊更美观(如图1所示)。 固体激光器和半导体激光器的技术参数对比 1. 对接焊(钎焊) 在蒙迪欧致胜车型焊接中，我们采用了激光钎焊技术。以激光作为热源，以铜丝作为钎料，以机器人作为运动控制系统进行高效、洁净的焊接。激光钎焊系统的组成部分及功能主要包括: (1)机器人(德国KUKA):控制运动轨迹、姿态和激光动作。 (2)送丝机(FRONIUS):激光铜焊所用焊丝由该设备控制，送丝速度、送丝开始和结束时间及预热参数等由机器人程序发给送丝机进行控制。 (3)激光器(德国LASERLINE):提供焊接所需的能量，最大输出激光功率为4kW，使用2 700W的能量进行焊接，双通道输出。 (4)冷却器(德国RIEDEL):对激光源冷却水进行降温，采用热交换器，其内部用的是“自来水”，激光源用的是蒸馏水，其热量通过车间循环水带走。 (5)聚焦系统(德国HIGHYAG):对光聚焦，含有防撞、机械定位等功能。 (6)焊接工件:激光铜焊采用对接焊，在中间补材料。 (7)测试夹具:当有焊接质量问题时，需在此夹具上焊接试件，调整到最佳状态。 激光钎焊采用的是对接焊，对程序调整和设备稳定性要求较高，极少的一点变动都有可能导致整车的报废。其影响质量的因素包括:激光头聚焦位置、机器人运行速度、送丝速度、预热电流及铜丝质量等。常见质量问题:漏焊、小孔、焊穿及焊丝熔化不全等。若长度小于100mm可用等离子MIG焊补(铜);长度大于100mm，则需采用激光补焊。 图3 总线设计 2. 搭接焊 该焊接方式主要用在VOLVO车型中，以激光作为热源，以机器人作为运动控制系统，无钎料，两板材结合方式为搭接。激光搭接焊系统的组成部分及功能包括: (1)机器人(ABB):控制焊接运行速度，聚焦系统姿态、焊接参数等。 (2)聚焦跟踪系统(瑞典PERMANOVA):控制焊缝、轨迹引导和安全防护等。 (3)聚焦系统(瑞典PERMANOVA):调整光束，聚焦，与软件配合使用。 (4)工件:采用搭接焊。 (5)激光器(TRUMPF):提供焊接所需的能量。 (6)车身定位控制设备:对车身进行固定，由机器人用光电开关重新建立工件坐标系。 该焊接方式稳定性较高，工艺没有激光钎焊复杂，外观美观。 3. 激光焊接质量控制 为了保证每一台车的激光焊接质量都合格，长安福特马自达工厂拥有一套完善的质量检测控制体系。激光焊接质量控制主要由外观检查、晶相分析和拉力试验三大部分组成，各部分都有相应的检测指标及技术规格要求。 车体从激光焊工位传出后，由现场操作者对激光焊焊缝外观进行检查，如焊接不良则进行返修或报废。同时，每月抽检一个车进行破坏试验，并对激光焊焊缝进行晶相分析和拉力试验(如图2所示)。 激光焊常见的应用问题 1. 气孔、漏焊、焊穿 出现该问题的主要影响因素有:焊接压力(搭接焊)、保护气、焊接轨迹、聚焦位置及送丝系统(对接焊)。激光钎焊工艺较复杂，对技术要求较高，其发光、送丝和通电流的时间差要达到较好的配合，才 能有效保证焊接质量的稳定。在顶盖与侧围结合的始端和末端处，如果出现无丝、丝过多和烧穿等问题，可调节程序中光、丝和电流的时间差来解决。 2. 中途停焊 目前，该问题在国内外汽车激光焊接的应用上普遍存在。总的来说，其影响因素主要分为软件和硬件两个方面。硬件方面主要包括:激光源、聚焦系统、光纤、冷却器、送丝机及机器人。软件方面主要包括:机器人程序、PLC程序、安全PLC程序、电压稳定性、激光程序、聚焦系统程序及轨迹跟踪引导程序。其中，PLC程序和电压稳定性对该故障影响较多，由于目前能源较紧张，且部分工厂在建厂初期未能将大功率设备与精密设备(控制系统)的电源线路有效分开，造成工厂内部电压波动较大，激光焊接设备不能正常工作，故障频率高。在编辑PLC程序时，因考虑了过多且部分不必要的互锁，造成外部条件出现极小变化，激光和机器人便停止工作。 3. 激光失控(安全) 在设计激光焊接设备总线连接时，要充分考虑到安全性，如果总线出现故障，机器人如何实现对激光的控制，停止激光,从图3可以看出，在PROFIBUS总线中，激光源作为机器人的子站，而机器人又作为PLC的子站。在SAFETYBUS总线中，机器人和激光源都作为安全PLC的子站。但该设计图有一个问题，由于激光源与机器人之间无总线看 门狗，一旦机器人的总线出现一个闪断，机器人就会因诊断到自身总线错误停止运动，但激光无法得到机器人发给的停止信号，便会出现机器人停、激光不停的危险状态。为了避免此问题发生，可以采用如图3上绿线部分的措施，即通过机器人将信号传给PLC，再由PLC传给安全PLC，最后由安全PLC来停止激光;也可将激光源作为PLC的子站，直接由PLC来进行控制。 结语 激光焊接技术经过几十年的快速发展，已深入到包括汽车行业在内的多个领域。高效、快捷、自动一体化，使激光焊接技术占据了极大优势，但同时也暴露出一些问题，稳定性和成本方面与普通电阻焊相比，还有待提高。激光焊接技术在长安福特马自达工厂的应用，不仅提高了车体质量，使汽车品质更具竞争力，而且培养和锻炼了一批激光技术应用人才，为以后车型的激光焊接技术应用储备了能量。 国际知名激光加工设备生产厂商—深圳市大族激光科技股份有限公司(以下简称为大族激光)在激光器的可移动性、体积大小等方面下功夫，用光纤传输激光，使激光器适合汽车生产线的需要。大族激光研制的光纤传输激光焊接机利用光纤耦合聚焦，激光头和机械之间通过光纤柔性连接，激光头可以远离焊接机，实现了主机和加工之间的软连接，使机器能够更好地配合各种生产线，易于实现自动化。激光器性能稳定可靠、寿命长、占地面积小、使用维护方便，特别适用于激光加工车间和自动化生产线。 本文结合工作实际介绍了激光焊接的工艺特点、系统构成、技术运用以及激光焊接在汽车车身制造方面的应用、发展现状、方向等，特别介绍了业内的一些解决提供者。 焊接是指一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品在生产制造中都不同程度地应用了焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。进入21世纪，中国已逐渐成为世界上最大的焊接钢结构制造国。 车身激光焊接的概念 在汽车制造工艺里，焊接同样是汽车装配流水线上一道不可缺少的工序。通常来讲，车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。近年来，世界上出现了激光焊接技术并且发展得很快，我国的大众车系最先采用了激光焊接这种先进的制造工艺。 激光焊接是指将具有高能量密度的、被聚焦到微小点上的激光光束配合使用非活性气体，不氧化熔融部分而进行焊接的加工方法。与传统的点焊工艺不同，激光焊接可以达到两块钢板之间的分子结合，通俗而言就是焊接后的钢板硬度相当于一整块钢板，从而将车身强度提升30%，车身的结合精度也大大提升。当车辆发生碰撞时，采用激光焊的车身安全系数也更高。 另外，车辆在道路上行进时，来自地面的颠簸会转换成每分钟上千次的扭曲运动，考验车身的质量，如果车身结合强度不够，轻则车内异响频频、噪音大，严重的可能导致安装在车辆上的零部件如变速箱、前后桥的损坏或者车身断裂。事实上，无论多好的路况，我们的座驾都在不断进行高强度扭曲运动，而且随着速度提升、路程增加，这种考验会越来越严峻，并直接关乎驾乘者的安全。激光焊接的实际使用意义同样体现在这一点上。 激光焊接的特点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。如果激光焦点靠近工件，工件就会在几毫秒内熔化和蒸发。但是，如何保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程的监测与质量控制是激光利用领域的重要内容，这包括利用电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现自动化激光焊接。所以说，激光焊接是一门技术性非常强的先进制造工艺。一般要根据金属的光学性质(如反射和吸收)和热学性质(如熔点、热传导率、热扩散率、熔化潜热等)来决定所使用的激光的功率密度和脉宽等，对普通金属来说，光强吸收系数大约在105,109W/cm2数量级。如果激光的功率密度为105,109 W/cm2，则在金属表面的穿透深度为微米数量级。为避免焊接时产生金属飞溅或陷坑，要控制激光功率密度，使金属表面温度维持在沸点附近。对一般金属，激光功率密度常取105,106 W/cm2左右。 图1 车身激光焊接作业现场 激光焊技术在汽车行业中的运用 汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。其中激光拼焊是在车身设计制造中根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造。经过十余年的发展，激光焊接从最开始仅用于车顶连接，到现在已经遍布白车身的各个部分。 1、激光焊的优点 激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。采用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的 刚度，目前已经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。 2、激光焊接的工艺特点 按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式:热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低(105,106W/cm2)，工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅、深宽比较小。后者激光功率密度高(106,107W/cm2)，工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在汽车制造领域，一般选用深熔焊。 深熔焊过程中产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下会发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量，并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹非活性气体，如氦气、氩气等驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接及焊缝质量之间的关系和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。 由于经聚焦后的激光束光斑小(0.1,0.3mm)，功率密度高，比电弧焊(5×102,104 W/cm2)高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点:加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良;残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接;可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接;焊接速度快，生产率高;具有高度柔性，易于与机器人配合实现自动化。 激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。因此，激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。 3、激光焊接设备 激光焊接设备主要由激光焊接室、激光发生器(包括冷却系统)、导光系统、焊接机和控制系统组成。 (1)激光焊接室 应用于车身焊接的激光功率较大，在工作中不可避免地会产生散射、折射等现象，甚至发生设备故障，这些对人体有危害。所以一般工厂都会在激光焊接的工位搭建一个封闭的焊接室，防护等级必须达到美国FDA激光安全Class 4级，避免激光泄露对人体造成伤害。当激光光束在工作时，焊接室内不允许有人。 (2)激光发生器 用于激光焊接的激光器主要有CO2气体激光器和YAG固体激光发生器两种，两者优缺点比较如表1所示。 激光发生器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑，CO2激光器具有比YAG激光器更大的优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器。CO2激光器在生产上的应用大多数还处在1.5,6kW范围，但现在世界上最大的CO2激光器已达50kW。而YAG激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于1kW，可用于薄小零件的微联接。不过，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面已取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投入市场。由于其波长短，仅为CO2激光的1/10，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，使导光系统大为简化。可以预料，大功率YAG激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2激光焊接强有力的竞争对手。 (3 )导光和聚焦系统 导光聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，传输光束和聚焦的功能，这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化，使透过率下降;产生热透镜效应(透镜受热膨胀焦距缩短);表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量，维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。 (4)激光焊接机 它的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，分焊接专机和通用焊接机两种。后者常采用数控系统，有直角坐标二维、三维焊接机或关节型激光焊接机器人。 表 CO2激光器和YAG激光器比较 改善和发展激光焊接的新技术 随着时代的进步，激光焊接的技术也在不断发展中，以下几项技术有助扩展激光焊接的应用范围及提高激光焊接自动控制水平。 1、填充焊丝激光焊 激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良好的成形，如采用φ1.6mm的焊丝做 为填充金属，即使间隙增至1.0mm，也可保证焊缝良好的成形。此外，填充焊丝还可以调整化学成分或进行厚板多层焊。 2、光束旋转激光焊 使激光束旋转进行焊接的方法，也可大大降低焊件装配以及光束对中的要求。例如在2mm厚高强合金钢板对接时，允许对缝装配间隙从0.14mm增大到0.25mm;而对4mm厚的板，则从0.23mm增大到0.30mm。光束中心与焊缝中心的对准允许误差从0.25mm增加至0.5mm。 3(激光焊接质量在线检测与控制 利用等离子体的光、声、电荷信号对激光焊接过程进行检测，近年来已成为国内外研究的热点，少数研究成果已达到了闭环控制的程度。图1是激光焊接质量检测和控制系统的实例。 该系统所用传感器及其功能简单介绍如下: (l)等离子体监测传感器 ? 等离子体光学传感器(PS):它的作用是采集等离子体的特征光——紫外光信。 ? 等离子体电荷传感器(PCS):利用喷嘴做探针检测，由于等离子体带电粒子(正离子、电子)的不均匀扩散而在喷嘴和工件之间形成的电位差。 (2)系统功能 ? 识别激光焊接过程属于何种方式。稳定深熔焊过程，等离子体、PS、PCS信号均很强;稳定热导焊过程，不产生等离子体，PS、PCS信号几乎等于零;模式不稳定焊过程，等离子体间断性地产生和消失，相应地PS、PCS信号间断性地上升和下降。 ? 诊断传输到焊接区的激光功率是否正常。当其他参数一定时，PS和PCS信号的强弱与入射到焊接区的功率大小有对应关系。因此，监视PS和PCS信号就可以知道导光系统是否正常，焊接区的功率是否发生了波动。 ? 喷嘴高度自动跟踪。 PCS信号随喷嘴—工件距离的增加而减小。利用这一规律进行闭环控制可以保证喷嘴工作距离不变，实现高度方向的自动跟踪。 ? 焦点位置自动寻优和闭环控制。在深熔焊范围内，光束焦点位置发生波动时，PS接收到的等离子体光信号亦随之变化，以最佳焦点位置处(此对小孔最深)PS信号最小。依据所发现的这个规律，可以实现焦点位置自动寻优与闭环控制，使焦点位置波动小于0.2mm，熔深波动小于0.05mm。 图2 正在进行激光焊接的车身板件 部分激光焊接方案提供商介绍 1、Trumpf通快华嘉有限公司——激光切割与焊接 德国通快华嘉有限公司的激光技术在欧美大型汽车厂得到了广泛的应用，并取得显著的成效 2、GSI集团——固体脉冲激光器 GSI集团是具有近40年历史的专业激光设备制造商，为全球汽车、航空航天、医疗、半导体和电子行业提供激光器产品。 3、德国罗芬激光技术(上海)有限公司——激光焊接系统 德国Rofin集团生产的RofinRWS远程焊接系统、扫描焊接系统等被广泛应用于汽车、钢铁领域。通过离线编程及轨迹生成系统，振镜和机器人同步工作，实现高速无时滞焊接。 4、米亚基公司——激光焊接机 该公司在小型功率(600W以下)的激光焊接机拥有非常广阔的市场，比如一体式YAG激光焊接机系列等。 图3 激光焊接质量检测和控制系统 激光焊接在汽车制造业的发展现状 目前，德国大众汽车公司在AudiA6、GolfA4、Passat等品牌的车顶均采用激光焊接，宝马、通用公司在车架顶部也采用激光焊接，德国奔驰公司则采用激光焊接传动部件。 除了激光焊接，其他激光技术也得到了广泛应用:大众、通用、奔驰、日产公司应用了激光技术切割覆盖件，菲亚特和丰田公司应用激光涂覆发动机排气阀，大众公司则对发动机凸轮轴进行激光表面硬化处理。 从目前国内的情况来看，国际品牌的国产化车型:帕萨特、波罗、途安、奥迪、东风标致、福克斯等都已经采用激光焊接技术，其中一汽大众奥迪A6顶盖和宝来后盖采用激光焊接，速腾和途安的车身激光焊缝长度分别达到30、40m。此外，国内自主汽车品牌的华晨、奇瑞、吉利汽车也相继在其新车型上应用激光焊接技术。 图1 由机器人带动自适应式焊接镜头 如今，激光焊接应用于汽车白车身成为一种发展趋势，采用激光焊接不仅可以降低车身重量、提高车身的装配精度，同时还能大大加强车身的强度，在用户享受舒适的同时，为其提供更高的安全保障。 20世纪80年代中期，激光焊接技术开始被应用到汽车领域。自1993年大众汽车首次在车顶盖焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已经作为一种成熟、应用广泛的技术被越来越多的汽车生产厂家所采用。 激光焊接中高强度的激光经过特殊的光学透镜聚焦，汇聚于一点，从而产生高能量密度的光束，并作用于加工工件表面，使金属在瞬间熔 化甚至蒸发，被熔化的金属在原子层面上进行重新接合，焊接后的强度等同于甚至强于一整块金属板的强度，从而达到焊接的目的。 图2 伸缩臂自身可以在垂直方向移动 工业上的激光焊接多采用发光介质为Nd:YAG(钕钇铝石榴石)的固体激光发生器，由于其发出的激光波长为1 064nm，金属(特别是铁)对它的吸收率接近40%，因而被大范围的应用。 激光焊接的种类 应用于车身的激光焊接主要分为两种方式:一种为熔焊，不需要填充物质，激光直接作用在工件表面上进行焊接;另一种为填充焊，即通常所说的钎焊，主要应用于汽车顶盖的焊接。 根据激光束能量密度的大小，熔焊又可分为热传导焊和穿透焊。 由于激光汇聚于一点时会产生相当高的温度(与能量密度大小有关)，当温度达到1 490?时钢铁就会熔化，利用此种热效应进行焊接的方式为热传导焊。其过程为:首先通过激光将工件表面加热到熔点，金 属熔化后会形成一个半球形的熔池，熔池的半径和深度慢慢增大，当吸收的激光能量与熔池向四周扩散的热量达到平衡时，熔池便不再扩大。沿预定轨迹移动激光光束，熔池也随之移动，熔池前方的金属不断熔化，后方的金属冷却，从而形成一条焊缝。热传导焊的优点体现在焊缝光滑且飞溅少，速度为1,3m/min，焊缝深度与宽度比小于1。综上特点，此焊接方式多用于平板拼焊。 图3 焊接工作站示意图 在汽车白车身上，因为焊接钢板有2,4层，厚度可达4mm，所以对焊缝的深度有更高的要求，此时热传导焊无法满足工艺的要求，我们需要另一种焊接方式——穿透焊。 穿透焊具有速度快、熔深更深的特点，它对激光能量密度的要求远高于热传导焊。当激光作用于工件表面时，金属迅速汽化(在2 590?钢铁就会汽化为蒸汽)，以蒸汽的形式扩散出熔池，并形成一个蒸汽 通道，激光在通道内进行多次反射可以使金属对激光能量的吸收率增加到75%，我们称之为“小孔效应”，当产生的蒸汽压力不足以扩散出熔池时，熔池便不再加深，形成一个稳定的焊接状态。熔池经过的位置，在蒸汽通道周围形成金属熔液流动，使上下两层板熔合在一起，金属冷却后，便形成一条高强度焊缝。与热传导焊相比，穿透焊的优势在于其焊接深度更深、速度更快，对于4mm厚的低碳钢板材，焊接速度可达5m/min;而其缺点在于其将金属迅速汽化后产生的大量飞溅容易损伤工件及加工设备。 区别于熔焊的另一种焊接方式为填充焊，此种方式并不熔化工件本身，而是利用激光的热效应熔化焊丝，并将其填充到所需焊接的两个工件之间，其优点在于焊缝美观，产生的热变形小，汽车顶盖的焊接多采用此种方式。下面结合实例来具体说明上述焊接方式。 汽车顶盖激光钎焊技术 汽车顶盖激光钎焊技术是最早应用于车身加工的激光工艺，其原理为利用激光将焊丝(一般为铜硅合金)熔化并填充到顶盖与侧围工件的缝隙中，不但起到连接的作用还可以进行密封。激光源采用YAG连续型激光发生器，最高输出可达4kW，由于焊丝的熔点相对钢板要低，所以选择激光的输出功率范围为(1.8,2)kW，在熔化焊丝的同时，保证顶盖和侧围不产生热变形。激光采用柔性的光缆传输，可以使激光发生器与焊接工位分开，避免设备受到损伤。根据焊丝直径的大小，在焊接端利用光学镜头改变激光聚焦的光斑大小使之相互匹 配，如焊丝直径为1.0mm，将激光聚焦的光斑直径调整为1.2mm，使激光最大限度地作用于焊丝上。焊接过程中由机器人带动自适应式焊接镜头(见图1)，转动轴带动伸缩臂在水平方向上转动，而伸缩臂自身可以在垂直方向移动(见图2)。 由于焊丝具有一定的强度，可以在焊接过程中作为导向指针，整个伸缩臂由焊丝导向运动轨迹，这样就弥补了理论编程与实际焊缝上的位置偏差。 图4 焊接后顶盖的一部分 焊接工作站如图3所示，整个系统采用PLC(可编程逻辑控制器)编程控制，机器人带动镜头移动至焊接起始点，使焊丝切入焊缝，压缩空气打开，此时机器人控制器向激光发生器与送丝机发出指令，保证激光发射与送丝同步进行。焊丝被熔化后填入缝隙，经冷却形成光滑平整的焊缝，焊接速度可达2m/min。焊接过程中使用保护气体(氩 气或氮气)，可避免焊缝周边工件被氧化，使焊缝视觉效果更加美观。图4为焊接后顶盖的一部分。 穿透焊的过程与钎焊有所不同，激光在两层钢板上进行穿透焊接，无焊丝填充，机器人带动镜头按照预先编定的轨迹直接焊接，无需导向装置。穿透焊采用激光功率为4kW，远高于钎焊。因为焊接中需要熔化工件，所以在焊缝的两端需要设置功率斜坡，即在焊接起始时，功率在30ms内从1kW线性增加至4kW，结束时功率在30ms内从4kW降到1kW。这样做的优点在于避免在起弧和收弧时将钢板焊穿，形成小洞，从而影响焊接质量。图5中，车身B柱采用穿透焊，焊接厚度达到4mm。 图5 车身B柱采用穿透焊 为了防止锈蚀，大众汽车的白车身均采用双面镀锌钢板。由于锌的沸点(907?)远比钢铁(2 590?)的沸点低，因此在焊接时，表面的锌会首先汽化。如果两层钢板贴得非常紧密，汽化后的锌蒸汽无法排出，冷却后将存留在焊缝中，这样会大大降低焊缝的强度，影响焊接质量。因此，焊接前应先将工件冲出高度为0.3,0.5mm的小坑，以保证工件之间有足够的缝隙排出锌蒸汽。由于飞溅大，穿透焊的焊缝相对于钎焊更粗糙，但是强度比普通点焊要强得多。 如今，激光焊接应用于汽车白车身已经成为一种趋势，采用激光焊接不仅可以降低车身重量、提高车身的装配精度，同时还能大大加强车身的强度，在用户享受舒适的同时，为其提供更高的安全保障。 解析激光钎焊质量的影响因素及缺陷成因 激光钎焊技术在上海大众汽车有限公司已经应用了8年，同时，该技术质量缺陷的形成原因及其影响因素一直被众多技术人员所关注。为了在使用激光钎焊时满足质量方面的要求，需要对加工过程进行调整的每个环节都十分仔细地进行操作。 上海大众汽车有限公司在1998年Passat-B5项目首次从德国引进了激光焊接技术，继而该技术又在2001年POLO紧凑型轿车项目以及2004年Touran-MPV轿车项目中得到广泛使用。激光钎焊作为激光焊接技术的一种在这三种车型中也都得到了应用，从Passat-B5的后 盖到POLO的车顶，再到Touran-MPV的全车身覆盖，激光钎焊的长度在不断的增加。然而，在上海大众的实际使用中，激光钎焊质量缺陷的形成原因及其影响因素一直被众多技术人员所关注。下面结合这些年来众多激光钎焊技术实际使用者的经验，对激光钎焊质量的影响因素及其缺陷形成原因进行一次全面的剖析。 激光钎焊质量的影响因素 要实现“用激光来进行焊接”的加工过程，需要有许许多多的参数一起发挥作用。与其它加工方法相比，激光钎焊中的每个有影响参数的公差范围都非常小。要求如此苛刻，不仅是由激光钎焊本身的加工要求，如需要热影响区小和钎焊速度快等决定的，还因为所要进行的是一种复杂的三维焊缝加工以及有着较高的表面质量要求。 从图1中我们发现一些最重要的有影响的参数，其中有激光设备特有的参数:激光功率、聚焦位置、焦点大小、加工速度;钎焊丝特有的参数:钎焊丝进给速度、钎焊丝预热电流、冲角大小、焊丝预应力; 几何参数:焊接板材间隙、要求的焊缝截面、表面质量;其它影响:焊接板材材料，保护气，机器人的引导精度。 图1 激光钎焊的焊接过程图 1. 焊接板材材料的影响 聚焦在工件上的激光能量只有很小的一部分被焊接板材材料所吸收，大部分被反射掉了。激光波长与不同板材材料的吸收率之间的关系如图2(所给出的图线是在室温下得到的)。固体激光器产生的激光波的吸收率对于钢铁材料大约为35%，对于铜材料为4%。这就解释了为什么必须对钢铁材料要用电流进行预热。随着温度的升高，吸收率也随之上升。 图2 室温下材料对不同波长激光的吸收率 2. 冲角 在焊丝与部件的过渡处形成了一个由电流回路通过的电阻，加热焊丝的热量就是由这个电阻产生的。在焊丝被激光烧熔前必须要与部件相接触，所以焊丝在运动到激光焦点前就已经碰上加工件了。在这个位置上激光的能量还不足以把焊丝熔化掉，然后焊丝被顺着钎焊缝输送到焦点处，在那里被熔化掉。由此可以保证焊丝与焦点中心一直保持接触。为了让焊丝被压弯，必须要让所有的焊缝位置保持一个大的冲角，大于40?的冲角已被证实是可靠的。 3. 钎焊丝预热电流 如果在激光钎焊加工过程中出现飞溅物的现象，那就说明加热电流已经到了最高上限，焊丝熔化得太早。如果焊缝的质量比较差，那就说 明加热电流在下限范围里，也就是说焊缝表面越来越粗糙。原则上应该在加工过程中尽可能使用大电流。 4. 聚焦焦点 激光能量必须通过聚焦集中到加工点上，由此一部分激光能量被钎焊丝吸收了，一部分被加工件吸收了。实践经验表明，焦点中大约50%的能量被用于加热周边区域。此外，还要考虑最大的加工间隙尺寸，当焦点的直径太小时，焊缝呈微红色，表面十分不均匀，有强烈的飞溅倾向，并且在加工件背面看不到焊缝的起头痕迹。太多的激光能量被集中在了焊丝上，因此使焊料变得过热。而同时加工件的侧边却没有得到足够的加热，这样焊料就不容易流到加工件的缝隙中去。 5. 焊接速度 除以上因素以外，激光钎焊加工过程还受到焊接镜组的移动速度以及焊丝进给速度的影响。所以必须的焊料量由所要求的焊缝面积与待加工件的焊缝长度来决定，焊料单位时间的供给量由焊丝的进给速度与焊丝的截面积来确定。这些参数值必须与焊接镜组的移动速度协调一致，这样才能保证必要的焊料量。在实际使用中，例如POLO车顶钎焊，相对焊接镜组的移动速度来说，焊丝进给速度取得高一点更符合我们的要求。因为这样就会产生少量的焊料过剩，减小了由于焊丝速度不均匀而造成毛孔的危险，而且也保证了必须要达到的焊缝截面积。 由于激光钎焊的激光能量是受限制的，所以焊接镜组的移动速度也同样受限制。在速度较高的情况下，相对理论轨迹的机器人运行偏差也会因此而变大;运行的速度越快，加工过程对外界干扰的敏感度也就越大。 6. 其他 由于与焊丝的直径和接缝的宽度相比，钎焊焦点相对较小，所以设备中每一个元件的精度都关系重大。具体来说，其中包括夹紧机构的重复精度、机器人的引导精度、机器人上部件安装点的精度以及各部件的公差大小，这些都应该在考虑的范畴之内。 激光钎焊缺陷类型及形成原因 由于激光钎焊加工过程的复杂性以及众多的影响因素，当出现加工质量下降现象时，大多数情况下无法用一个原因来解释，但加工轨迹的开始和结尾段通常被认为是最为关键的部分。为了在使用激光钎焊时满足质量方面的要求，必须对加工过程进行调整的每个环节都十分仔细地进行操作。 1. 按焊接缺陷区域大小分类 在实际生产中，缺陷影响区域大小可以分成不同种类: (1)持续性缺陷:它存在于整个激光钎焊加工过程中。对此，并不是说整段的焊缝都有缺陷，而是缺陷以不为人知的规律重复出现在焊缝中。 (2)局部缺陷:局部缺陷重复出现在同一个焊缝位置，它的影响范围有限。 (3)易发生问题的区域:焊缝的某些区域，如焊缝开头和焊缝结尾同样还有板材上的斜面区域，都是特别容易出现问题的区域。 2. 按缺陷表面特征分类 (1)微小气孔:当气孔的直径小于0.2mm时，就是微小气孔。 (2)气孔:正常气孔(比微小气孔大)的直径最大不超过1.0mm。 (3)空洞/焊缝中断:如果气孔的直径大于1.0mm，就被称为空洞。 (4)熔焊型焊缝:在焊缝中没有焊料，焊缝的样子就像是激光熔焊焊缝。 (5)低劣的焊料连接:钎焊丝未在加工件的侧面连接起来。在焊缝连接的位置处，焊缝看起来“散成一缕缕地”。 (6)焊料的单面连接:焊料只与一个侧面连接了起来。 (7)香肠现象:加工件没有连接起来，在焊缝处焊料笔直地伸展堆积。 (8)焊缝不:焊缝塌陷或凸起。 (9)鳞状堆积:焊缝表面不光滑，显得很粗糙。 (10)焊缝开头/焊缝结尾:在加工件的边缘会出现焊缝填充不足或过剩的现象，或者是在轨迹上发现有未熔化的焊丝残余。 3. 质量缺陷造成的原因 (1)错误的工作距离:TCP(工具坐标点)错了或是程序编制有错误。 (2)焦点侧面的位置错了:或者是TCP垂直于光束轴方向的位置错了，或者是程序编制有错误。 (3)钎焊丝校准:焊丝没有穿过焦点中心。 (4)钎焊丝温度:焊丝预热温度错误。 (5)钎焊丝的材料:钎焊丝材料的合金成分改变了。 (6)激光功率:弄脏了的保护玻璃或激光器中老化的弧光灯都会降低激光的功率。 (7)漏气:保护气体流量减少或管路内漏气。 (8)间隙尺寸:部件之间的间隙尺寸在变化。 (9)钎焊丝进给速度:焊丝进给的速度不恒定或者是与焊接镜组的移动速度不相符。 (10)机器人的速度:由程序所给定的进给速度是错误的或者是机器人速度出现波动。 (11)时间的控制:可能是计算时间的问题，激光器和焊丝进给机构的开关点可能与加工过程不相符。 4. 焊接缺陷及形成原因对应表(如表) 表 焊接缺陷成因对照表 在查找焊接质量缺陷原因时，该览表可作为辅助工具，供相关技术人员查阅。 激光钎焊技术已在上海大众汽车有限公司使用了8个年头，我们希望通过本文对激光钎焊的质量缺陷情况进行一个汇总，为今后不断提高质量，改善工艺水平打好扎实的基础，也希望对其他正在使用或将要使用激光钎焊技术的同行提供一个参考的依据。 激光切割质量的影响因素 随着技术水平的不断提升,汽车行业对产品质量的要求也越来越高,激光切割机以它切割速度快,精度高,割缝小以及切割范围广等特点被广泛应用在汽车零部件加工上. 图1 正焦距(焦点在工件表面上，切割厚钢板时采用) 随着技术水平的不断提升，汽车行业对产品质量的要求也越来越高，激光切割机以它切割速度快、精度高、割缝小以及切割范围广等特点 被广泛应用在汽车零部件加工上。本文主要介绍影响激光切割质量的 几种主要因素以及控制方法。 激光切割是利用激光束能量对材料进行热切割，并通过辅助气体将熔融的金属吹走而形成切割缝。激光切割时，把激光器作为光源，通过反射镜导光，聚焦透镜聚焦光束，以很高的功率密度照射被加工的材料，材料吸收光能转变为热能，使材料熔化、气化，激光束就把材料穿透，激光束等速移动而产生连续切口。 影响激光切割质量的因素很多，本文主要结合自身工作特点，从原材料、程序编制以及加工过程参数控制和外界温度方面对切割质量的影响进行分析讨论。 图2 切割喷嘴中心与激光束不同轴 原材料 原材料的状态直接影响激光切割的质量，原因在于材料的表面状态直接影响对光束的吸收，尤其是表面粗糙度和表面氧化层会造成表面吸收率的明显变化。对于锈蚀或者油污较严重的原材料，不仅会影响激光切割的速度，还会导致在切割的过程中出现爆孔或者切不断，切割断面粗糙或积瘤过大的现象。因此，在进行激光切割时必须保证待切割毛坯件表面无严重锈蚀或者油污现象，对于锈蚀或者油污过于严重的零件采取直接退回零件库或者供货方，锈蚀和油污较轻者，可由操作人员自行进行抛光打磨或者进行清洁油污的处理工作。 图3 切割速度过快 程序编制 合理的加工路径可以提高激光切割的速度，保证产品的切割质量。激光切割程序的编制依靠专门的软件进行，目前应用较多的编程软件有PM-300和PM-200，在我单位主要用的是PM-200编程软件。自动编程软件受设备自身结构的限制以及所加工零部件外形特点的制约，自动生成的切割程序存在一定局限性，使机床在切割过程中，对切割尺寸刚好跨越主轴移动距离整数倍的零件，在切割衔接处会出现割缝痕迹较深、积瘤过大等现象，严重影响零部件的外观质量。 因此，在程序的编制过程中工艺人员必须通过调整编程软件中的各类参数，对目标机器的参数以及子程序中主轴一次移动的有效距离根据不同的零件做合理的调整，来达到修改子程序参数的目的，实现最优化的切割路径，避免切割路径跨越主轴的整数倍，减少衔接处割缝的产生，保证产品的外观质量。 图4 切割火花的状态反映切割速度的快慢 焦点位置 焦点位置直接影响切割断面的状态，依据所切割材料的不同可分为零焦距、负焦距和正焦距。当焦点处于最佳位置时，割缝最小、效率最高，最佳切割速度可获得最佳切割结果。由于焦点处功率密度最高，大多数情况下，切割时焦点位置刚好处在工件表面，或稍微在表面以下。在整个切割过程中，确保焦点与工件相对位置恒定是获得稳定切割质量的重要条件。车架上零件多为厚板件(板材厚度达5,8 mm)，切幅要相对较宽些。在切割过程中，需要采用正焦距(见图1)，即焦点要求在工件表面上，大多数情况下，焦点位置需距离切割工件表面1.5 mm左右。 切割喷嘴 切割喷嘴的作用一方面是为了防止熔渍等杂物往上反弹，穿过喷嘴后，污染了聚焦镜片;另一方面是为了控制气体扩散的面积及大小，从而起到控制切割质量的作用。 图5 辅助气体压力对切割质量的影响 喷嘴与工件间距直接影响喷嘴气流与工件切缝的耦合。喷嘴口太靠近工件表面，对透镜会产生强烈的返回压力，对切割质量有不利影响，但距离太远又会造成不必要的动能损失，对有效切割也不利。一般来说，喷口与工件间距控制在1,2 mm为宜，现代激光切割系统多是通过电容式传感器反馈装置，以自动调节两者距离在预先设定的高度范围内。 喷嘴出口孔中心与激光束的同轴度是影响切割质量优劣的重要因素之一，工件越厚，影响越大。当喷嘴发生变形或有熔渍时，将直接影响同轴度。如果喷嘴与激光不同轴，将对切割质量产生影响。如图2所示，当辅助气体从喷嘴吹出时，气量不均匀，出现一边有熔渍，另一边没有的现象。对切割3 mm以下薄板时，它的影响较小，但对切割3 mm以上的厚钢板时，影响较为严重，有时还会出现无法切透的现象。 综合以上原因喷嘴应小心保存，避免碰伤从而造成变形。如果由于喷嘴的状况不良，从而需要改变切割时的各项条件，那就不如更换新的 喷嘴。因此，必须定期对切割喷嘴的状态进行确定，发现存在磨损等现象要及时进行更换。 图6 切割功率合适的切割断面光滑 切割速度 切割速度与被切割材料的密度(比重)和厚度成反比。适当的切割速度能够保证切割线条平稳，切割断面光滑过渡，并且工件的下半部没有熔渍产生。 切割速度如果过快(见图3)，可能会造成以下后果:部分区域无法切透，即使切透也会造成斜尖角;整个切割断面粗糙;切割断面呈斜条纹路，工件下半部分产生过多熔渣。切割速度如果过慢，同样会影响切割效率，造成切割缝过宽，尖角部位整个溶化或者造成过熔现象，切割断面粗糙。因此，在实际的生产过程中我们必须通过现场观察切割火花的状态来判断切割速度的快慢(见图4)。如果切割速度合适，激光切割的火花会由上往下均匀扩散，若火花向某一边倾斜，则证明 切割速度太快;如果火花呈现不扩散，并且聚集在一起，则说明速度太慢。这两种现象都需要及时对切割速度进行调整，从而保证产品的切割质量。 图7 切割功率不足时的切割效果 切割辅助气体 一般情况下，激光切割过程都需要使用辅助气体，气体的选择必须根据不同材质的切割零件来确定。一般使用氧气切割普通碳钢，低压打孔，高压切割;使用空气切割非金属，低压和高压的压力可调为一样;使用氮气切割不锈钢等，低压氧气打孔。 辅助气体主要用于从切割区吹掉熔渣以形成切缝。激光切割对辅助气流的基本要求是进入切口的气流量大、速度高，以便有足够的动量将熔融材料喷射带出。辅助气体的纯度越高，切割的质量越好。对于车架上厚板件的切割，气体的纯度必须达到99.6%以上。在我单位的实际生产中，我们所使用的气体均为高纯度，达到了99.996%，切割断面质量好。如果切割用气体纯度不满足要求，不仅影响切割质量，而且会造成镜片的污染。 在确保辅助气体纯度的前提下，气体压力的大小也是极为重要的因素。辅助气体的压力如果不合适，也会对切割质量造成一定影响，如图5所示。如果压力不足，不仅在工件切割面处会产生熔渍，而且零件的切割速度无法增快，影响零件的切割效率;如果气体压力过大，气流过猛，会造成切割断面粗糙，切割缝较宽，而且还会导致切断部分熔化，无法形成良好的切割质量。 图8 切割功率过大会使断面熔化 激光功率 激光功率对切割过程和质量有决定性的影响。选择合适的切割功率进行切割，切割断面光滑良好，没有熔渍(见图6)。如果切割功率不足，有可能出现无法切割或者切割后产生较大的熔渍(见图7);如果切割功率过大，切割断面容易出现熔化的现象，如图8所示。 外界温度 外界温度同样会影响到零部件的切割质量，这一因素主要表现在夏季，尤其针对激光器整个床身裸露在外，不曾封闭起来的设备。水冷机组只有在18,21?的温度下才能够正常工作，夏季车间的外界温度可以高达32,33?，水冷机组的温度很难下降，导致在切割的过程中时常会出现切割能量较低、光束少，从而出现切割不透的现象。因此，在开启设备之后需要对反射镜的冷却水路、激光器内部空调和热交换器，空压机周围空气质量进行检查，保证这些跟温度有关的因素均能够正常工作，才能够进行零件的切割。我公司通过增加1组冷干机来满足夏季生产的需要。 结语 综上所述，要保证激光切割机的切割质量，不仅要有合格的板材，最优的切割路径，而且还要有合理的切割参数。随着激光技术的不断成熟，激光加工技术会越来越多地应用于汽车行业以及其他制造与加工业中。 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果