摘要：随着整车轻量化的发展要求，对汽车焊接的工艺质量和安全性能要求不断提升，激光焊接具有高的焊接速度，稳定的功率输出，极小的焊接变形，易与自动化生产线集成等特点，非常适合汽车的在线生产加工。本文研究了汽车生产中的激光焊接产品类型；分析了激光焊接工艺形式及特点，给出了激光焊接的影响因素；提供了激光单元的组成形式，并对主要部件进行分析说明。
关键词：激光焊接；激光器；机器人；焊接单元
1汽车生产中的激光焊接系统集成概述
大量的生产实践证明，激光焊接技术在汽车生产中已经被广泛的应用，激光焊接普遍应用到汽车结构的工艺中，某些汽车的激光焊缝达到70m。汽车生产的产品如汽车拼焊，车身的顶盖焊接，后背箱盖，车门焊接，齿轮焊接，涡轮增压器，安全带支架，座椅总成（调角器，滑轨，靠背总成），仪表盘骨架，水箱横梁支架，车底架，消声器，新能源电池等都应用了激光焊接技术，部分产品如图1所示。本文结合具体的项目应用，分析焊接系统集成的应用，设备选型和布局设计等。
图1激光加工产品
2激光焊接工艺
关于汽车车身的激光焊接形式，目前有热传导焊接，深熔焊，激光复合焊接。
图2激光焊接质量因素
钎焊，激光穿透焊接等；热传导焊接是在零件的表面进行融化，具有低的应力变形和热影响区，能产生平整，圆滑的焊缝，一般用于金属薄片加工，电子学和精密工程中的焊接；深熔焊接产生小孔效应，能够产生深熔深和窄焊缝，焊接强度较高，汽车车身零部件焊接一般是此类焊接形式；激光复合焊接是激光焊接结合其它焊接方法的工艺，激光焊接可以兼容MIG,MAG,TIG或等离子焊接等，保证高的焊接速度，消除焊缝间隙，零件变形更小，焊接速度更快。目前有冷填丝复合焊接，热填丝复合焊接等，激光复合焊接适用于钢结构部件和船体结构等中厚板零部件的焊接；激光钎焊技术是激光束融化钎料，钎焊料流入焊缝位置，连接零件的工艺，车身顶盖和后背箱盖的激光焊接工艺是激光钎焊；激光穿透焊接一般是用于两种不同的塑料，一种材料对激光透明，另一种材料吸收激光，激光使第二种材料融化后，通过夹具加压保持两种工件到塑性材料固化，达到两种材料的焊接。
3激光焊接的影响因素
在进行激光组焊单元设计前，需要详细了解客户产品的工艺特性和工艺参数信息。根据产品的工艺特性和工艺参数，材料，节拍要求等数据，评估激光焊接的系统配置，进行激光器选型，确认焊接头形式，机器人形式等；产品工件参数，激光器功率，焊接速度，焊接头形式，机床/机器人的精度都是影响激光焊接的重要因素，下表是激光焊接的主要影响因素；
4激光焊接的系统集成说明
目前激光焊接生产单元已经从单一的工作站形式扩展到焊接生产线的应用，激光焊接系统集成了自动化生产技术，焊接在线检测技术，激光网络等技术；能够与弧焊或点焊生产集成做到连线生产，整个激光焊接系统的组成如图3所示：
图3激光焊接系统组成
4.1焊接单元布局
设计一种焊接单元，多工位转台形式，其中焊接工位对工件进行激光焊接，其它工位可以进行上下件等工作。多工位同时进行工作，保证生产节拍要求。整个系统中应用机器人，激光器，PLC系统通过总线进行通讯，夹具的气，电接口快速更换。
4.2激光系统概述
在进行激光器选型时，首先明确焊接工件的材料特性，属于何种材料，焊缝形式要求，整个项目的生产节拍要求都是必须考虑的因素；目前汽车行业应用的激光器一般是CO2激光器，固体激光器，半导体激光器；固体激光器主要包括光纤激光器和碟片激光器。CO2激光器的激光波长10.6um，更适合非金属材料的加工生产，集成设计时需要考虑导光光路设计，光束的传输通过导光管和波纹管进行，应用机床形式较多，当然机器人也可以集成导光臂，但机器人的整体柔性和动作范围受到影响；光纤和碟片激光器可以应用光纤进行传输，方便应用在机床或机器人系统中，一个光源的激光束可以经过不同的传导光纤发送到多个工作站；可以进行分时和分能量焊接；激光网络的应用可以减少维护和维修时间，资源共享；光源和机器之间的传输距离能够达到100米；光纤激光器和碟片激光器都可以利用半导体激光器作为泵浦源，半导体激光器光电转换效率高于光纤及碟片激光器，半导体激光器在塑料焊接方面要优于其它激光器，但其光束质量低于其它激光器；对于激光焊接的焊接形式可以是焊接头形式焊接，振镜扫描焊接，激光复合焊接等；焊接头选用振镜扫描激光焊接方式进行，激光束入射到振镜的X,Y轴的扫描振镜的两个反射镜片上，两个反射镜片上安装有伺服电机，可以精确控制反射镜的旋转角度，从而将光束聚焦在工件表面的不同位置；目前机器人和振镜扫描焊接的飞行焊接是激光振镜焊接的发展方向；飞行焊接是机器人系统和振镜光学系统配合使用，动态地将聚焦激光束定位到工件上，快速的进行焊接，本文设计选用6KW激光器，及激光扫描振镜PFO,与机器人系统，焊缝监控系统等良好的集成和结合。
4.3机器人/机床
激光焊接系统按运动形式分为：a.工件静止，焊接头移动焊接；b.焊接头固定，工件移动进行焊接；c.激光头和工件都静止，振镜扫描焊接；对于激光焊接来说，要求机器人具有较高的重复定位精度和重复轨迹精度，在选用激光加工机器人时,主要考虑以下几个性能参数:a.负载能力：需要考虑聚焦枪和振镜的负载重量，选择机器人型号；b.精度；c.重复精度；d.运动范围。
4.4焊接质量监控系统
激光焊接质量的评价主要从焊缝机械强度、焊缝尺寸、焊缝外观及气孔、飞溅等缺陷;对质量要求较高的零部件需要集成焊前，焊中，焊后检测技术；焊前对焊接轨迹的追踪，识别，快速响应跟踪，焊中检测主要对焊接功率，等离子体云和背反射光进行检测，通过数据比对，判断零部件的合格；焊后注重检测焊后的焊缝外观质量和焊缝成型率等；目前焊接质量监控系统有两种，4D和LWM系统是目前应用比较广泛的焊中检测系统；
4.5工装定位
工装制作需要考虑几个因素：a.保证工件在工装上定位可靠，保证焊接位置和基准的一致性；b.要保证产品充分的压紧，保证焊缝位置的贴合，具备一定的矫正和消隙功能。c.激光光束的透过性能，不要与周围装置干涉，保证激光能够到达焊接位置。d.薄板焊接需要考虑工装具备等离子体的吹散能力，厚板焊接需要考虑保护气体的保护功能；e.激光的校准功能，功率和焦点位置校准。
结束语：
综上所述，目前激光焊接技术已经大量应用于汽车生产中，随着新工艺，新技术，新材料的发展，激光焊接工艺在汽车工业领域将得到更加广泛的应用。
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论文作者:程引生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/7/5
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