激光焊接技术在汽车座椅制造中的应用

激光焊接技术在汽车座椅制造中的应用

以往，汽车整场或者是汽车配件的生产在传统的焊接工艺中一直是以点焊、弧焊、为主，特别是点焊，易变形、预留空间大、速度慢，已经不能完全适合汽车工业发展的需要。而激光焊接技术克服了上述缺点，因而得到了越来越广泛的应用。下面从激光焊的原理、激光焊相对普通焊接的优点以及激光焊接工作站的组成等方面加以描述。

一、光焊的焊接原理

激光焊接采用激光作为焊接热源，通过光学震荡器利用电能、化学能等原始能量将某些固态、液态或者是气态介质激发，产生相位几乎相同且波长近乎单一的光束。这些光束由于相位相同且波长单一，因而差异角非常的小，可以传播较长距离，所以可以被高度集中起来加以应用。当激光束的功率密度足够大时，金属表面在激光束的照射下急剧升温，在极短的时间内可以达到沸点而发生汽化。当金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池表面时，会产生一

个附加应力反作用于熔化的金属，使

其向下凹陷，产生一个小凹坑。随着

加热的继续进行，逐渐形成一个细长

的小孔。随着激光束的移动，小孔前

方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝

固形成焊缝。焊缝的深浅和激光束的

功率密度有关，当所用激光功率密度

较低时焊缝的熔深较浅，深宽比较

小。当激光攻略密度较大时熔深大，

深宽比也大，这时就比较易于形成深穿透性焊缝。目前包括座椅在内的很多焊接工艺都是采用这种激光焊接技术。

根据激光焊的焊接原理，单一的激光焊接是一种以自熔性焊接为主的焊接方法，这种焊接方法对焊件装配间隙要求高，要达到所需要的熔深所需要的激光功率密度大，因而焊接成本比较高，并存在一定的局限性。随着焊接技术的发展，人们发现了将激光焊和MIG焊接结合起来，形成了激光—MIG复合焊理是在激光向焊缝金属输入热量的同时电弧也向焊接区输入能量，由于激光和电弧在不同程度和形式上影响复合焊接的性能，从而使焊接速度提高，焊接周期缩短，大撒泡同样熔深所需要的激光功率也大大降低，因而降低了焊接成本。但激光-MIG复合焊在电源设备方面的投资成本相对较高，制约了发展。随着市场的进一步扩大，电源设备价格的不断下降，激光-MIG复合焊接技术将得到更加广泛的应用。

二、激光焊接相对普通焊接的优势

相对电阻焊、CO2焊、和钎焊等技术，激光焊接技术具有以下优势

①激光焊接的速度很快，最高可达20m/min.

②由于激光束光斑小，功率密度高、加热范围小，速度快而且是非接触焊接，因此残余应

力和焊接变形小，这一点对于焊接质量来说很重要。

③焊接强度更好。由于激光焊接有很小的热变形，而且对邻近的金属没有机械扭曲作用，

因此激光焊接能保证所得到产品的强敌。

④激光焊接可以大大减少预留的焊接边缘，减少搭接宽度和一些加强用的部件，因而可以

降低材料用量，优化设计，使座椅设计更加柔性化。

⑤激光易于聚焦，可通过反射镜或者光纤改变光的走向，也可以在工件周围进行再引导，

因而他的可达性好，在其他焊接方法难以接近的工件部位也能进行焊接，这一点是其他

焊接方法无法比拟的。

⑥激光焊接的非接触性也避免了易损件的频繁更换和维护，例如电极帽、电极杆和电缆等，

既节约了成本也提高了效率。激光焊还具有特殊的熔池净化功能，能净化焊缝金属。在焊接过程中，由于激光的作用，焊接部位的金属熔化并且部分汽化，因杂质吸收光能的效率高，所以金属内的杂质首先被汽化吸出，从而使焊缝中的杂质含量减少，提高了焊接质量。

三、汽车座椅激光焊接工作站的组成

激光焊接工作站由安全房、激光器、光导和聚焦系统、焊接机器人、焊接夹具、PLC控制系统、监控系统及辅助系统组成。

(1)安全房安全房和其他类型的焊接工作站类似，可以使焊接在更环保、更安全的条件下进行。

(2)激光器激光器的功能是输出一定功率的优质光束。目前激光器主要有两大类：一类是固体激光器(又称Nd：YAG激光器)，波长为1．06μm；另一类是气体激光器(又称CO2激光器)10．6μm的红外激光，标准激光功率在2—5kW之间。从输出光束的质量和功率这两方面综合考虑，CO2光器比YAG激光器具有更大优势，尤其是高功率模块化系列CO2

激光器的问世，标志着大功率CO2激光器在工作期间的稳定性问题(机械稳定性和热稳定性)得到根本解决，因而CO2激光器得到了广泛的应用。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率YAG激光器方面也取得了突破性进展，最大功率已经能达到5kW，并已投入市场。由于YAG激光器波长仅为CO2激光器的1／lO，有利于金属表面吸收，并且可以用光纤传输，使导光系统大为简化，所以YAG激光器逐渐成为CO2激光器强有力的竞争对手。除了这两种激光器以外，还有半导体激光器。半导体激光器具有波长短、重量轻、转换效率高、运行成本低以及寿命长的特点，是未来激光器重要发展方向之

一。但其面临的最大问题是光束模式差、光斑大，因而功率密度较低，这是半导体激光器今后用于工业生产所必须解决的问题。

(3)光导和聚焦系统光导和聚焦系统是由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤和聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向，以及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着极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会逐渐劣化使激光束透过率下降；其表面污染也会增加传输过程的损耗，因而影响聚焦距离和质量，影响焊接效果。所以光导部件的质量，光导部件的维护和监测，对保证焊接质量至关重要。

(4)焊接机器人焊接机器人的作用是实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接。由于焊接机器人具有六个自由度，所以可以实现多角度柔性焊接。

(5)焊接夹具焊接夹具既用来保证座椅连接件的精确位置，又能起到防止和矫正部分焊接变形的作用。激光焊接夹具和传统的焊接夹具设计理念不同，传统的焊接夹具模块比较多，强度要求比较大，即便如此，由于受焊枪的可达性影响，局部定位受到限制，因而焊后变形也不容易控制。而激光焊接夹具则不需要考虑预留较大的焊接空间，可以均匀的对工件进行支撑压紧，对一些用点焊和弧焊不方便定位焊接即便是能焊也很难对变形进行控制的部位，激光焊接的优势就非常明显了。

(6)PLC控制系统系统整体采用PLC控制，悬臂上外置触摸屏，人机交互性好。

(7)监控系统激光焊接过程的监测与控制一直是激光焊接领域研究的一个重要内容。激光熔焊的监控系统主要由摄像头、显示器和控制系统组成。利用工作站的高速摄像机，通过外置悬臂上的显示器可观察控制整个机器人的运动，进而对激光焊接过程进行全面监控。