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汽车界专家共同解读激光焊接技术 |
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| http://cn.newmaker.com
5/23/2006 11:40:00 AM
佳工机电网
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激光焊接技术的出现给汽车质量带来了更多有效的保证，成为许多汽车制造商的新宠。但其投资过大、对被焊件要求过高等一系列问题，也使一些用户对其望而却步。
在汽车制造工艺里，焊接是汽车装配流水线上一道不可或缺的工序。近年来，随着激光焊接技术的出现和快速发展，许多汽车制造企业均已开始采用了激光焊接技术。然而，激光焊接技术的应用现状及发展趋势究竟如何？在这个车身上到处都是焊缝的时代，是时候坐下来对其进行思考和讨论了。
期邀请了上海大众汽车有限公司三厂赵爱民先生、上海通用汽车有限公司焊接工程组经理孙志成先生以及一汽大众汽车有限公司规划工程师贾磊先生，来共同探讨激光焊接技术的特点、优势、应用现状以及发展趋势等问题，与业内同仁们一同分享激光焊接技术对汽车制造业的意义……
在汽车工业中，激光焊接技术主要应用于车身焊接和零件焊接，能否针对其具体的特点谈谈激光焊接技术的优势？
赵爱民先生：车身焊接一般有电阻焊接、CO2焊接和钎焊等技术。在世界上，将激光焊接技术应用于车身焊接开始于20世纪80年代，在中国，上海大众于1999年率先将其应用于车身焊接。与其它焊接方法相比，激光焊接具有很多独特优势：
1.激光焊接的速度很快，最快可以达到20m/min；
2.由于能量集中、速度快而且是非接触焊接，因此焊接变形很小；
3.由于激光焊接能够使钢板之间的连接处于晶体结构之间的相互连接，所以不仅能提高车身的抗疲劳性、抗冲击性以及抗腐蚀性能，而且也使车身的密封性有极大的提高。如果把TOURAN车身的激光焊接改成电阻焊接，当它以120km/h的速度行驶时，噪声将大约增加30%。
4.由于激光焊接是非接触式焊接，一般距离钢板10cm以上，因此，在车型更换时，只需更改夹具和机器人重新编程就可以了，非常适合柔性化生产。
孙志成先生：从某种意义上来说，激光焊接相比于汽车生产应用中的传统电阻点焊和弧焊具有一定的优势：
1.单面焊接。点焊一般是对双面板材进行焊接，需要预留足够的焊接边缘，并使焊枪能够达到翻边的两侧。激光焊接只需对翻边的一面进行焊接，可以大大减少预留的焊接边缘。这些材料的减少可以使整个车身的重量减轻，并使车身的设计更具弹性。
2.扭曲变形。与点焊相比，激光焊接的热变形区域很窄。由于它是一种非接触工艺，因此点焊中伴有的机械扭曲和波浪边缘在激光焊接中不会产生。同时，这种非接触特性也消除了易损件和高频率维护部件，例如电极帽、电极杆和电缆等。
3、焊接强度和焊接速度。激光焊接的另一个主要优势就是它的焊接速度，可以达到5m/min，同时产生很小的热变形，而且对邻近的金属没有机械扭曲。由于激光焊接可以是连续焊接，因此，激光焊接还能够持续增强产品的结构性能。
贾磊先生：通过将不同或相同厚度、强度、材质的钢板切成合适的尺寸和形状，然后用激光焊接成一个理想的整体（即拼焊板），再进行冲压，由此制成的面板结构能达到非常合理的金属组合。
不仅能减少结构件质量、材料消耗、连接密封处理工作量和零件数量，而且在改善车身质量的前提下，还减少了装配工作量，同时使成型工具、冲压机的工装投资以及运输、储存金属材料的费用减少。此外，还可提高车身尺寸精度，简化结构件及装配件的几何形状，从而对其制造公差进行优化。由于这种车身能轻松地使车身在静态负荷、冲击负荷及变荷下保持强度均衡，因此，也提高了车身的质量稳定性和结构可靠性。同时，车身部件及整个车身的耐腐蚀能力也有极大地提高。
在白车身焊接中，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。在使用激光焊接技术之前均采用点焊，因此会出现15mm的接缝。大众的最新车型采用了激光钎焊，彻底消除了接缝。由于可以省去镶边，所以每辆汽车可以削减14欧元的成本，同时，由于工件连接之间的接合面宽度可以减少，因此，既可降低板材的使用量，也能提高车体的刚度。
用激光焊接零部件，零件的焊接部位几乎没有变形，焊接速度快且不需要焊后热处理。目前，激光焊接零部件已经广泛采用，常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。
虽然激光焊接技术具有提高车身抗疲劳性、抗腐蚀性和抗冲击性等优势，但在实际的应用过程中，是否也存在一些问题？目前，激光焊接技术的实际应用情况如何？
赵爱民先生：虽然激光焊接技术在车身制造中有很多优势，但它对部件的要求也比较高：首先它对冲压件的要求很高，要求平整度控制在0.2mm之内。在国外，厂家将很多冲压件拿到外面进行机加工来确保精度，这对竭力降低成本的中国汽车行业来说很难理解。其次，激光焊接技术包含光、机、电、通讯等技术，这对维修人员素质的要求也比较高。此外，激光发生器和机器人等在激光焊接中必须的部件的价格比较贵，因此要求的一次性投资比较大。
尽管如此，激光焊接技术的应用还是越来越广泛。以上海大众为例：从1999年在PASSAT首先开始运用激光焊接技术以来，在POLO、TOURAN的车身制造中，也越来越多的运用到激光焊接，激光焊缝的长度从4.1m 发展到现在的41m，所以对于PASSAT、POLO、TOURAN来说，车身撕裂是天方夜谭。另外，由亚、欧、美35个冶金公司共同参与、业已完成的国际超轻车身联合开发项目已经取得巨大成果，在所开发的超轻车身上，50%的结构件由激光焊接而成。
目前，上海大众在激光焊接技术方面已经制定了适合自己的激光焊接标准工艺。随着激光焊接技术的发展，将为汽车设计带来革命性概念。采用激光焊接技术，可减少工件连接之间的接合面宽度，不但降低了板材使用量和车身的重量，而且提高了车体的刚度，带动了汽车的轻量化设计。同时，激光焊接技术还扩大了所能焊接的钢种范围，包括低合金钢、中合金钢、高强度低合金钢、IF钢、多相钢、TRIP钢以及大多数不锈钢、电工钢和涂层钢，使车身上能够运用越来越多的其他金属材料，大大提高了整车的刚度和强度，例如，国外已经开始用激光焊接来对铝合金车身进行焊接。然而，同时也造成上海大众的汽车价格稍高。
孙志成先生：产品的设计特征及冲压成形后的质量对采用薄板激光焊接工艺的影响很大。使用的金属材料种类很重要，这关系到可焊性、成形性及生产能力。激光焊接产品/工艺方面需要考虑的内容包括：1.焊接板材应该含有较高的吸收光能特性；2.板材的厚度应该小于1.5mm；3.分总成零件的尺寸受限于激光发生装置的工作区域范围；4.总成的焊接位置能够进行夹紧和支撑；5.板材匹配间隙要求严格，一般小于板材厚度的20%。
目前，在线的车身激光焊接工艺（如车顶与侧围间焊接）主要应用于一些欧洲的汽车制造商，而在北美和日本等地并不普及。但是，离线的薄板激光拼焊工艺却为很多汽车制造商所使用。
拼焊可以把不同厚度、强度和镀层的钢板焊接在一起，然后冲压成形。而激光技术可以很好的应用于这种工艺，并在汽车工业广受欢迎。在北美，激光拼焊的应用正以每年1.5～2亿片的速度增加，预计2006年将达到7亿5千万片。它具有降低成本、减轻车身重量、不需要多种冲压模具和相关传统点焊夹具的优点，同时，还可使钢材得到充分利用。
贾磊先生：激光焊接技术虽然有它独特的优势，但也存在一些弊端：1.由于激光焊聚焦光斑小，对焊接结构的精度要求较高，因此提高了对焊接夹具的设计要求，从而也提高了投资；2.激光焊接设备本身的价格不菲，初期投资较大。如果产量受车型销售影响无法大幅度提高，则激光焊接对于大规模、高速生产的优势则无法得到发挥；3.任何一种焊接工艺都或多或少会产生缺陷，对于激光焊来说，一旦产生焊接缺陷，其质量的检测和返修都较其他焊接方法困难。当前，能够应用于激光焊缝的可靠、便捷的无损检测设备尚存在空白。
尽管如此，激光焊接在汽车工业中，特别是中高档车的生产中已成为标准工艺，大众公司生产的Golf在焊接长度方面：激光焊接为52.5m，利用同一激光源的激光钎焊焊缝为3.6m，粘合剂接合为22.6m，亚弧焊为4.7m，点焊为2938处。按照对车体结构整体组成的贡献计算，激光焊与点焊的比例各占45％，远远超过其他连接方法，激光焊接已经成为汽车制造领域中不可缺少的工艺。
另外，其具备的柔性也在生产中得到较多应用，Nd:YAG激光可以通过光纤进行传输，其光源发生设备距离焊枪终端可超过100m，从而可使多个车型、多个工位共用一组激光器，同时提高了设备利用率、能源动态平衡和生产安全冗余性。一汽大众二厂的PQ35平台拥有30多个激光设备，不仅可以为SAGITAR速腾白车身焊接提供三个工段超过20个工位的光源，同时该设备还可为Caddy车型提供激光源，正在规划中的一款新车亦可利用其中部分激光设备，从而保护了初始设备投资。据统计，使用激光设备时的车间占地面积比点焊设备减少了40%。另外，车身焊接激光系统的使用使生产节拍加快，在SAGITAR速腾白车身焊接中，使用激光焊接时的生产节拍比传统方法快30％，而相应工位的操作工数量不及传统方法的1/2。
鉴于激光焊接技术有利有弊的现状，与传统的焊接技术相比，激光焊接技术是否更适用？未来，激光焊接技术的发展前景如何？
赵爱民先生：从1999年上海大众开始采用激光焊接，到2003年TOURAN车身上激光焊接的使用，激光发生器、激光境组、通讯控制以及激光焊接的柔性夹具发展迅速，从而更加适合在大批量的车身制造中运用激光焊接。在国外，已经开始运用远程激光来制造焊接柔性车身，这为柔性制造提供了新的课题。然而，在国内仍有很多人没有理解采用激光焊接的车身与采用电阻焊接的车身的区别。如果可以在用户面前作对比试验，大家应该会更容易理解。但是，随着国内用户对汽车的理解和追求目标的提高，相信会有越来越多的人认可激光焊接技术和激光焊接的车身，同时，也将带动我们对激光焊接的研究。
激光焊接技术能将各种钢板焊接在一起，可大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性。
在国外对汽车追求“安全第一”的环境下，激光焊接技术的发展会很快，而且国外已经充分利用激光焊接技术进行铝合金车身的焊接，为铝合金车身的制造提供了有效的方法。同时，它还推动了汽车在不降低刚度和强度的前提下，向轻量化设计方向发展。因此在国外，激光焊接技术的应用会越来越广，而有了市场，势必会促进激光焊接技术的不断发展。
孙志成先生：相对于传统的生产工艺而言，薄板激光拼焊技术具有一定的优势，并且已经是一种相当成熟的工艺，可以降低汽车的制造成本。而就车身在线的焊接工艺来说，激光焊接设备相对于传统焊接技术的成本仍相当昂贵。对于一个典型的激光焊接工位，包括两套激光发生器、冷却箱、激光头，两台机器人及相应的机运线和外部封闭等，大约需要200～300万美金。
我个人认为：目前受限于车身相关产品及工艺的设计要求，在线的车身激光焊接尚无法大量替代传统的焊接技术。但随着车身设计的优化，激光焊接对车身结构特有的优势以及激光焊接技术可靠性的进一步提高和设备成本的降低，相信激光焊接技术在汽车工业会有更广泛的应用。目前，在车顶和侧围的焊接以及行李箱盖等分拼区域的焊接已有更多的汽车厂使用了或考虑使用激光焊接。
贾磊先生：当前，必须要承认的事实是：激光焊接设备的初期投资较大。虽然随着产量的提升可收回预期的投资，但激光技术的使用，亦使车身的材料成本、车间的建设成本和人力成本受到控制。总体看来，在生产初期产量不高的情况下，汽车的制造成本会略高于使用传统工艺的制造成本。
关于激光设备，预计下一代在汽车产业中大量使用的激光器可稳定提供6kW的能量输出。效率可达20%，光束质量达到6mm×mrad，并可在超过100m的光缆中灵活传送，正常运行时间达99.9%，而修理时间不超过30min。
就激光焊接工艺而言，激光-电弧复合焊将是一个热点。激光-MIG焊采用激光束和电弧共同工作，焊接速度高、焊接过程稳定，同时热效率高，并允许更大的焊接装配间隙。激光-MIG复合焊的熔池比MIG焊的要小，热输入低、热影响区小且工件变形小，大大减少了焊后纠正焊接变形的工作。复合焊比激光焊更加经济，激光-MIG复合焊的焊缝是由激光和MIG焊共同形成的，可降低所需的激光束能量，从而大大降低激光器的功率。当前，大规模使用的激光器效率不超过3%，因而作用在工件上的激光束能量每降低1kW，则在激光器上降低的能耗就接近35kVA。在欧洲，每增加1kW的激光功率大约需要10万欧元，如果能用3kW的激光器代替4kW的激光器，即使考虑到增加MIG焊电源和激光焊头所需的费用，投资也可以节省6万欧元左右。
针对激光焊缝的质量检测，当前已经有使用超声波技术的无损检测仪器出现。针对不同车身结构设计专用的超声波探头可以达到90％的准确率，该设备的发展有望使白车身激光焊接质量再提高一个台阶！
通过几位专业人士的分析，让我们不禁加深了对激光焊接技术的思考。激光焊接技术的诸多优势给汽车带来了重重保证，然而其一次性投资较大、对被焊件及工作人员素质要求较高等问题，让我们在欣喜之余不得不再次审视它的价值。是否激光焊接技术只能被昂贵的高档汽车“独享”？激光焊接技术的前进步伐将迈向何方？让我们共同拭目以待！
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