激光焊接   

　　1、過程及必要設施   

　　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微小斑點上。要創(chuàng)造激光輻射,就需要激光媒介。在將能量從外向內(nèi)轉(zhuǎn)入到這個媒介中的同時，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鏡子之間反射，由反射產(chǎn)生出時間和空間凝聚的光子，其中一個部分透明的鏡子能將這條射線反射出這臺諧振器。  

　　針對大功率應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，刺激過程就是放電過程，二氧化碳激光的波長為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。由于二氧化碳激光的波長為10.6mm，所以必須要安裝一個“陡坡”裝置，這就限制了可能的運動方式。而釹：釔鋁石榴石激光的輻射可以用靈活的纖維質(zhì)光學波導進行引導，因此可以允許激光發(fā)射頭進行自由移動。   

　　2、優(yōu)勢及要求   

　　激光焊接最重要的優(yōu)勢在于能夠?qū)⒎浅８叩哪芰烤劢褂谝稽c，激光束打在兩個要焊接部分的邊緣，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。在這個過程中，有一小部分的數(shù)量將進入被焊接的零件中。在焊接減少熱變形的同時，也減少了輸入的熱能量。減少因熱量影響的變形，并增加對準確性的糾正，可以節(jié)省大量金錢和時間。   

　　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構的復雜鋼型不會大范圍改變結構，這一特點同樣適用于其它鋼，如被限定好碳沉淀的IF鋼；但另一方面也存在一些不足，少量的能量會導致快速冷卻，熱能將被導入冷卻部位。   

　　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、冷卻比率和焦點位置是非常重要的。而為防止金屬進一步硬化，還需采用保護氣體加以保護，如氬氣和氦氣等不會在材料中發(fā)生任何熱反應的氣體。   

　　激光光束的小光點尺寸引起的另一個問題是切邊質(zhì)量，如果在兩個零件中間有要進行焊接的接縫，激光束要保證通過材料時不會與其相接觸并將其融化。要避免這點，對零件精確性的要求非常高。目前，使用領域較普遍的是連接兩個零件的長縫，這能夠在越來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   

　　德國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，激光拼焊技術的出現(xiàn)使得汽車生產(chǎn)制造從整車制造商向材料供應商轉(zhuǎn)移。目前，激光拼焊板主要應用于汽車制造業(yè)。在激光焊接中，材料是對接而不是搭接，這將帶來如下焊縫特性：   

　　（1）降低焊縫區(qū)域的體積，例如，焊縫寬度不超過0.5～1mm；   
　　（2）不增加焊縫高度；   
　　（3）對沖壓成形性能影響較小；   
　　（4）在焊縫上附加鍍鋅后，可保持其陰極保護功能；   
　　（5）焊接過程中，熱影響區(qū)小。   

　　完成焊接后，焊縫區(qū)域的靜態(tài)、動態(tài)強度是非常重要的指標，因此，還需對焊縫區(qū)域抽樣，進行破壞性抗拉強度測試（杯突測試），以檢驗焊縫區(qū)的拉伸成形性能。一般來說，焊縫的拉伸強度比母材的強度要高。   

　　激光拼焊板工藝與傳統(tǒng)點焊搭接工藝的產(chǎn)品相比有諸多優(yōu)勢：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件數(shù)量，簡化了裝配步驟及工藝，同時使車輛的碰撞能力增強，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)保帶來利益。   

　　2.激光拼焊板的應用   

　　拼焊板已被廣泛的應用于車身部位，ULSAB（世界輕質(zhì)鋼制車身協(xié)會）的最新研究結果表明：最新型的鋼制車身結構中，50％采用了拼焊板制造。  

　　當激光拼焊技術應用于車身側圍的制造，不再需要任何加強桿、加強筋及附屬的生產(chǎn)工藝，則重量和部件數(shù)量都會得到減少，而高延展性材料的應用也會使抗撞擊能力得到改進。同時，也不再需要加強板，在B柱上，拼焊板的應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)校不再是個難題，同時可降低部件的重量，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用還使鉸接區(qū)域的剛性得到整體加強，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的車身強度和鋼度一直備受贊揚，國產(chǎn)全新奧迪A6L在原有基礎上進行了再次改進：采用了激光拼焊技術的車身設計（如圖3）。新奧迪A6L經(jīng)過強化的車身，其抗扭轉(zhuǎn)強度提高了34%。配合全新的車身、底盤設計加之采用先進激光焊接技術的堅固車身結構，使國產(chǎn)全新奧迪A6L在遭遇碰撞時，預測的車身變形區(qū)、側面防撞保護梁以及合理的車內(nèi)空間結構等能夠為乘客提供有效保護。這些看不到摸不著的設計和選材不但能降低車輛的制造成本和重量，還能在關鍵時刻最大限度地保護乘客的生命安全。   

　　3.質(zhì)量管理   

　　（1）焊接檢測   

　　質(zhì)量檢測和保障系統(tǒng)為生產(chǎn)高質(zhì)量的拼焊板提供保證，拼焊板的生產(chǎn)過程采用自動化生產(chǎn)線，以確保安全、經(jīng)濟的生產(chǎn)，這就需要現(xiàn)代化的檢測儀器。早在1985年，德國蒂森克虜伯激光拼焊板有限公司開始生產(chǎn)拼焊板的時候，就已經(jīng)采用監(jiān)測系統(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焊縫監(jiān)測系統(tǒng)，用來監(jiān)測焊縫的質(zhì)量，以保證焊縫符合質(zhì)量要求。等離子體監(jiān)測系統(tǒng)被用來監(jiān)測焊接過程的穩(wěn)定性，計算機輔助系統(tǒng)可以在焊接過程中處理傳感器提供的信號。   

　　激光拼焊板需要全自動或半自動的經(jīng)濟型生產(chǎn)線，同時要采用現(xiàn)代技術來監(jiān)測焊接過程和產(chǎn)品質(zhì)量。為了滿足這些新的全自動生產(chǎn)任意拼接板的生產(chǎn)過程的要求，蒂森焊接技術有限公司、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)過程管理自動評估的不同可能性，而開始經(jīng)營的第一個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，這個技術在不同階段得到了進一步發(fā)展并被改進，它不僅可以控制焊接過程本身，而且可以用這項根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)開發(fā)的最新一代技術來評估焊縫。其監(jiān)測系統(tǒng)不僅能在高速焊接過程中監(jiān)測焊縫幾何形狀上的缺陷，而且還能檢測極小的孔洞。   

　　（2）評估系統(tǒng)   

　　蒂森 LAM (激光應用管理)與焊縫檢查系統(tǒng)相結合，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)的結合已經(jīng)以最佳狀態(tài)作為補充, 因此高測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。

　　一個電腦輔助的評估系統(tǒng)能自動評估傳感器信號，包括在焊接過程期間。從而確定是否相關測量點的條件符合指定的要求, 或者是否導致接縫質(zhì)量下落的偏差已經(jīng)發(fā)生。在焊接過程期間, 焊縫的溫度由紅外測量登記。各任意拼接板被評估的傳感器數(shù)據(jù)記錄被存放在一個短協(xié)議中，這意味著允許這個產(chǎn)品的質(zhì)量用文件來證明。  

　　一個完整的錯誤偵查系統(tǒng)可警告操作員在全自動焊接設施中發(fā)生的所有機械缺點，這個質(zhì)量管理和監(jiān)控系統(tǒng)被擴大為針對非線性激光焊接生產(chǎn)的新設備概念。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, 而且允許測量板料之間的重疊。當查明的重疊測量超出一個被預定的極限值時，將會警告操作員, 并且自動整理出空隙。另外，運用這種設備，連接邊緣的偵查信號也被用于精確地辨別和調(diào)整連接邊緣的激光束。   

　　4.技術趨勢   

　　未來激光焊接技術將會采用哪種方式？答案有兩個：一種是演變, 改進現(xiàn)有技術。這意味著針對發(fā)展激光焊接將會有一種新的激光源——纖維激光，這是一種設有靈活的纖維諧振器的激光，輸入能量比率遠遠高于輸出能量，整個設備將比較緊湊。大功率纖維激光的另一個好處在于模件建造，許多功率大約為300～500W的纖維諧振器，如果發(fā)生技術漏洞，更換一個合適的模塊非常容易。在這種情況下，由于激光工作的時間比較長，因此也不需要配備一個訓練有素的技術員。   

　　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”，當焊接時間超過50%的工作時間時，激光焊接裝置更為節(jié)省。在應用方面, 現(xiàn)在正在應用電阻螺柱焊接，解決這個問題的辦法是一種規(guī)定有兩個焊接交替配置的激光。當一個配置的焊接正在運行時,另一個配置處處理頭向下一個焊接位置移動，在這以后激光將轉(zhuǎn)至另一個焊接配置，這項技術已由蒂森克虜伯引進。   

　　然而，除此之外針對汽車制造商也將會出現(xiàn)完全新式的使世界焊接領域發(fā)生革命性變化的焊接技術，如摩擦焊接。它的優(yōu)勢是只需能夠焊接兩個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，焊縫不會比材料堅硬。但也有不足之處：高強度壓力和快速自轉(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技術來焊接鋁。但無論從哪個角度來說，激光拼焊技術將會是未來車身焊接技術的發(fā)展方向！