奇瑞A5焊装线上的激光钎焊系统

HEATS 发表于 2010-9-12 15:56:58

作为奇瑞公司的技术亮点之一，激光钎焊技术在奇瑞公司A5系列车型焊装生产线上的应用提高了工作效率，降低了生产成本，实现了完美的车身焊接外观质量。
激光焊接优势显著
在汽车制造业中，电阻点焊是最常用的焊接方法，但其工艺存在焊接飞溅大、电极头使用寿命短、缝接搭边量较大等难以解决的问题，而CO2焊、MIG焊、铜钎焊等焊接方法受电流电压的影响很大，稳定性难以得到可靠保证。
近年来，激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车制造等领域。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。在实际工程应用中，其优点主要表现在以下几个方面：
（1）激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，可焊接一些高熔点、高强度的合金材料；
（2）自动化程度高，焊接速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接；
（3）热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；
（4）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；
（5）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益良好。
当然，与传统的焊接方法相比，激光焊接设备昂贵，一次性投资较大，技术要求也很高，目前在我国工业中的应用还相当有限，但生产效率高和易实现自动控制等显著特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造，我公司就已经在A5系列车型的焊装生产线上采用了激光焊接技术，其成功应用已经显现出它的特点和优势。
焊接工艺 这里以我公司A5系列车型行李箱盖外板分总成激光钎焊工艺为例介绍激光焊接的优势和价值。
A5系列车型的车身焊接板件采用的是冷轧低碳钢板（厚0.8～1mm），钎焊焊丝采用φ1.2mm的硅青铜合金焊丝（CuSi3）。
主要焊接工艺过程是：激光发生器发出的聚焦光束首先照射在焊丝表面上，使焊丝受热充分熔化形成高温金属熔体，熔体流入下面板件之间的缝中，在合适的激光加热条件下，熔体与板件间可以形成良好的冶金结合钎焊层，实现良好的连接，而板件本身则不会被激光的高温严重熔蚀损伤。工艺原理如图1所示。
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图1  板件的激光钎焊
激光钎焊系统的组成
我公司采用的激光钎焊系统由主控PLC、激光焊接机器人、工装夹具、激监控系统、激光发生器、循环水冷却器和送丝机构等组成（见图2），其中主控PLC负责与激光焊接机器人、工装夹具之间的通信及协调配合及整个系统的安全保护，机器人则主控激光发生器、循环水冷却器、送丝机构之间的通信、协同工作。
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图2  激光钎焊系统的组成
（1）主控PLC 
本系统的主控PLC采用SIEMENS-S7-300，CPU为315-2DP。S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，特点是模块化，易于实现分布控制，易于用户掌握，而且当控制任务增加时可自由扩展。
（2）激光焊接机器人
该系统采用FANUC-M710i工业机器人，控制柜型号为R-J3Ib，采用了新一代的交流伺服电机和基于32位微处理器的智能控制器。内置sealing tools工具函数，可根据机械人的运行速度实时调节激光的功率和送丝速度。拥有RS232、ModelA/B、ProcessI/O及Profibus等通信接口。
（3）工装夹具
夹具系统由日本FUJI公司开发，通过主控PLC控制，具有足够的装配、焊接空间，不影响焊接操作和工艺质量观察，不妨碍焊件的装卸，具有较好的制造工艺性和较高的机械效率。定位元件和夹紧机构均选用通用化、标准化的零部件。激光焊接机器人及工装夹具见图3。
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图3  激光焊接机器人及工装夹具
（4）激光发生器
采用德国TRUMPF公司的型号为HL3006D的Nd:YAG激光发生器（见图4），由YAG晶体工作物质、灯泵浦源和谐振腔组成，最大输出功率为3kW，额定输入功率为98kW。在实际应用中，激光的能量一部分用于熔化焊丝，一部分用于预热工件，保证熔融的焊丝在母材上有较好的铺展性从而形成均匀美观的焊缝。
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图4  激光发生器
（5）循环水冷却器
采用日本ORION的循环水冷却器，对激光发生器进行冷却。采用三循环冷却方式：工业循环水冷却纯净水、纯净水冷却纯水、纯水冷却激光发生器，保证激光发生器系统的温度控制在180℃左右。
（6）送丝机构
该机构作为激光机器人的从站，主要与激光机器人有三个数字量和一个模拟量的信号通信，分别位于送丝装置的CON5接口、CON7接口和CON2接口内。
工程应用
在激光焊接填丝的环节，厂家推荐的理论参数是焦点位于焊丝表面上方2mm处，使80%的光束照射在焊丝上，20％的光束照射于附近板件上，但实际的系统应用过程中却出现了一些问题，我们及时进行了调整和反复试验，最终将激光的焦点定于工件上方12mm处，焊丝紧贴板件送入，工件上的光斑直径约为3mm，焊丝直径为1.2mm。由于光斑的直径约为3mm，因此钎料的铺展范围被约束在大约3mm的宽度。考虑到实际的焊接速度和焊缝需要敷熔钎料的填充量，合适的送丝速度匹配合适的激光功率和光斑直径是非常必要的。
综合生产实际情况，较大的功率可以配合较大送丝速度进行焊接，但较大的热输入会导致板件拐点出现严重的变形，影响A5系列车型行李箱盖外板的表面质量。因此在工件本身刚度较差的情况下只有通过减小热输入来控制工件的变形。但是，较小的热输入量必然要配合较低的送丝速度，造成的后果是过少的敷熔钎料和不充分的板件预热，这样会直接导致焊缝的不完整和较差的成形。这一问题经过设备厂家和我公司技术人员多番调试，终于成功试验出一套合理的焊接参数，在焊丝与板件接触处钎料铺展充分，焊缝成形均匀且美观牢固，满足了最终的外观质量要求。不同参数下的实际焊接效果如表所示。
表  不同参数下的实际焊接效果
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结束语
激光钎焊是常规激光焊接工艺的扩展，它可以降低激光焊接对接头装夹精度、激光功率、激光聚焦性能的严格要求，同时在改善焊缝冶金性能、实现异种材料焊接等方面也有很大应用空间，还可结合工业机器人组成柔性化焊接单元，更有利于全位置焊缝的焊接。
汽车工业的快速发展要求汽车生产厂家在提高产量的同时提高制造质量，因而汽车厂的主要生产线都在逐渐向全自动化的方向发展，车身焊装生产线也不例外。激光焊接技术的应用正迎合了这种发展需求，不仅实现了自动化，使生产效率大幅提高，而且达到了很高的焊接质量，实现了完美的车身外观，对汽车工业的品牌提升也发挥着重要的作用。

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