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一汽大众引入激光焊接技术

一汽—大众公司采用的激光焊接设备,是德国TRUMPF生产的Yag固体激光焊发生器。
TRUMPF激光具有以下优势:
光束可以通过光缆进行远距离传输(100m);
高效率的光束质量(焦点直径0.6mm,功率4kw)
激光能量的精确控制;
远程故障诊断
另外,激光焊技术的在汽车车身焊接上的采用主要有以下3个优势:
最大限度的保证整车车身强度;
提高单位时间工作效率;
车身焊接焊缝美观;

采用激光焊技术之后,一汽-大众生产的车身刚度将会比采用其它工艺的车身强度提高大约30%,这极大的提升了整车的安全系数。因为,激光焊中,激光焊光束的焦点直径只有0.6mm,每条激光焊焊缝的宽度只有大约1-1.5mm,激光焊接时只是将微小区域的板材通过熔化连接在一起,其他部分几乎不受任何影响。另外采用激光进行焊接时,能在瞬间完成整条焊缝焊接过程,对整车的热影响几乎可以忽略不计。例如完成一条25mm的普通激光焊焊缝,所需的时间只有0.5秒左右。因为在极短的时间内完成了整个熔化连接过程,然后迅速冷却,所以对车身板材结构影响非常小。此外,采用激光焊接技术,对钢板的形变及物理特性改变较小,不像其他焊接方式如:点焊,MAG焊等,这样能保证整车身的刚度。另外,完成每条激光焊缝只需0.5秒左右,这样的焊接速度是其他焊接工艺所无法比拟的,所以能最大限度的提高单位时间内的工作效率,降低成本。特别是对大批量车身生产来说是非常重要的。

由光学震荡器及放在震荡器空穴两端镜间的介质所组成。介质受到激发至高能量状态时,开始产生同相位光波且在两端镜间来回反射,形成光电的串结效应,将光波放大,并获得足够能量而开始发射出激光。  激光亦可解释成将电能、化学能、热能、光能或核能等原始能源转换成某些特定光频(紫外光、可见光或红外光的电磁辐射束的一种设备。转换形态在某些固态、液态或气态介质中很容易进行。当这些介质以原子或分子形态被激发,便产生相位几乎相同且近乎单一波长的光束-----激光。由于具同相位及单一波长,差异角均非常小,在被高度集中以提供焊接、切割及热处理等功能前可传送的距离相当长。

世界上的第一个激光束于1960年利用闪光灯泡激发红宝石晶粒 所产生,因受限于晶体的热容量,只能产生很短暂的脉冲光束且频率很低。虽然瞬间脉冲峰值能量可高达10^6瓦,但仍属于低能量输出。  使用钕(ND)为激发元素的钇铝石榴石晶棒(Nd:YAG)可产生1---8KW的连续单一波长光束。YAG激光,波长为1.06uM,可以通过柔性光纤连接到激光加工头,设备布局灵活,适用焊接厚度0.5-6mm。  使用CO2为激发物的CO2激光(波长10.6uM),输出能量可达25KW,可做出2mm板厚单道全渗透焊接,工业界已广泛用于金属的加工上。
 
属于熔融焊接,以激光束为能源,冲击在焊件接头上。  激光束可由平面光学元件(如镜子)导引,随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在焊缝上。  激光焊接属非接触式焊接,作业过程不需加压,但需使用惰性气体以防熔池氧化,填料金属偶有使用。  激光焊可以与MIG焊组成激光MIG复合焊,实现大熔深焊接,同时热输入量比MIG焊大为减小。
 
(1)可将入热量降到最低的需要量,热影响区金相变化范围小,且因热传导所导致的变形亦最低。  (2)32mm板厚单道焊接的焊接工艺参数业经检定合格,可降低厚板焊接所需的时间甚至可省掉填料金属的使用。  (3)不需使用电极,没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程,机具的耗损及变形接可降至最低。  (4)激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引,可放置在离工件适当之距离,且可在工件周围的机具或障碍间再导引,其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥。  (5)工件可放置在封闭的空间(经抽真空或内部气体环境在控制下)。  (6)激光束可聚焦在很小的区域,可焊接小型且间隔相近的部件,  (7)可焊材质种类范围大,亦可相互接合各种异质材料。  (8)易于以自动化进行高速焊接,亦可以数位或电脑控制。  (9)焊接薄材或细径线材时,不会像电弧焊接般易有回熔的困扰。  (10)不受磁场所影响(电弧焊接及电子束焊接则容易),能精确的对准焊件。  (11)可焊接不同物性(如不同电阻)的两种金属  (12)不需真空,亦不需做X射线防护。  (13)若以穿孔式焊接,焊道深一宽比可达10:1  (14)可以切换装置将激光束传送至多个工作站。
(1)焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内。  (2)焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。  (3)最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件,生产线上不适合使用激光焊接。  (4)高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等,焊接性会受激光所改变。  (5)当进行中能量至高能量的激光束焊接时,需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除,以确保焊道的再出现。  (6)能量转换效率太低,通常低于10%。  (7)焊道快速凝固,可能有气孔及脆化的顾虑。  (8)设备昂贵。
为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,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、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施,如激光填丝焊(可细分为冷丝焊和热丝焊)、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。
(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。  (2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题,尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面,金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉,且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内,金属反射率的变化很大。  (3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数,也是决定加工设备造价及体积的关键参数。  (4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一,因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高,容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上,功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种:正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。按几何光学理论,当正负离焦平面与焊接平面距离相等时,所对应平面上功率密度近似相同,但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时,可获得更大的熔深,这与熔池的形成过程有关。实验表明,激光加热50~200us材料开始熔化,形成液相金属并出现问分汽化,形成市压蒸汽,并以极高的速度喷射,发出耀眼的白光。与此同时,高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘,在熔池中心形成凹陷。当负离焦时,材料内部功率密度比表面还高,易形成更强的熔化、汽化,使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中,当要求熔深较大时,采用负离焦;焊接薄材料时,宜用正离焦。

激光混合焊接技术具有显著的优点。对于激光混合,优点主要体现在:更大的熔深/较大缝隙的焊接能力;焊缝的韧性更好,通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响;无烧穿时焊缝背面下垂的现象;适用范围更广;借助于激光替换技术投资较少。对于激光MIG惰性气体保护焊混合,优点主要体现在:较高的焊接速度;熔焊深度大;产生的焊接热少;焊缝的强度高;焊缝宽度小;焊缝凸出小。从而使得整个系统的生产过程稳定性好,设备可用性好;焊缝准备工作量和焊接后焊缝处理工作量小;焊接生产工时短、费用低、生产效率高;具有很好的光学设备配置性能。

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