谈谈汽车制造中的激光焊接

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当我们注意马路上来来往往的汽车的时候,会发现有的车子的顶盖上会有两条橡胶带而有的车子就没有,车子的顶盖就像是一整块平整的钢板一气呵成,不仅美观而且更为牢固。


国内而言目前仅有大众旗下的几款车型采用了激光焊接,因为激光焊接对已工艺以及能耗都有十分严格的要求。比如,奥迪A6的车身强度和钢度一直备受赞扬,国产全新奥迪A6L在原有基础上进行了再次改进:采用了激光拼焊技术的车身设计。新奥迪A6L经过强化的车身,其抗扭转强度提高了34%。配合全新的车身、底盘设计加之采用先进激光焊接技术的坚固车身结构,使国产全新奥迪A6L在遭遇碰撞时,预测的车身变形区、侧面防撞保护梁以及合理的车内空间结构等能够为乘客提供有效保护。这些看不到摸不着的设计和选材不但能降低车辆的制造成本和重量,还能在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全。


此外,最近上海大众推出的全新品牌斯柯达旗下的一款新车型,明锐,也是采用了激光焊接,同奥迪,领域一样,在安全性上和美观性上都有十分出色的表现。


那什么是激光焊接呢?


在汽车工业中,焊接是一个关键环节,采用恰当的焊接方式具有可以提高车身抗碰撞能力,降低车身的重量、造车成本和油耗以及简化总装工序等优势。电阻栓焊是当今最普遍的焊接方式之一,但是专家预言在未来的5~10年中这种方式将被淘汰,而金属填充保护气焊也将失去其以往的重要性,与之相反,激光焊接成为热门话题。对于已被使用数年的传统焊接工艺来说,很难再对其工艺过程、焊接速度和质量进行改进;但对于激光拼焊来说,却有着极大的提升空间。


激光(产生于被刺激的辐射放射物的光的放大作用)是一种特殊性质的光,单色并且连贯,因此可以将光集中于要做钢融解的一个微小斑点上。要创造激光辐射,就需要激光媒介。在将能量从外向内转入到这个媒介中的同时,可以产生被刺激的分子。在谐振器中这束单色光将在两个镜子之间反射,由反射产生出时间和空间凝聚的光子,其中一个部分透明的镜子能将这条射线反射出这台谐振器。


激光焊接最重要的优势在于能够将非常高的能量聚焦于一点,激光束打在两个要焊接部分的边缘,输入能量把金属加热并将其融化。在激光束作用以后,溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中,有一小部分的数量将进入被焊接的零件中。在焊接减少热变形的同时,也减少了输入的热能量。减少因热量影响的变形,并增加对准确性的纠正,可以节省大量金钱和时间。


然而,如何提高焊接速度和减少低能量输入是目前面临的挑战。在被供热的区域减少低能量输入虽有它的好处:珠光体、马氏体和奥氏体接缝结构的复杂钢型不会大范围改变结构,这一特点同样适用于其它钢,如被限定好碳沉淀的IF钢;但另一方面也存在一些不足,少量的能量会导致快速冷却,热能将被导入冷却部位。


为减少接缝的硬化,小心调整焊接的速度参数、激光功率、冷却比率和焦点位置是非常重要的。而为防止金属进一步硬化,还需采用保护气体加以保护,如氩气和氦气等不会在材料中发生任何热反应的气体。


激光光束的小光点尺寸引起的另一个问题是切边质量,如果在两个零件中间有要进行焊接的接缝,激光束要保证通过材料时不会与其相接触并将其融化。要避免这点,对零件精确性的要求非常高。目前,使用领域较普遍的是连接两个零件的长缝,这能够在越来越多的车身空白处发现。


未来激光焊接技术将会采用哪种方式?


答案有两个:一种是演变, 改进现有技术。这意味着针对发展激光焊接将会有一种新的激光源——纤维激光,这是一种设有灵活的纤维谐振器的激光,输入能量比率远远高于输出能量,整个设备将比较紧凑。大功率纤维激光的另一个好处在于模件建造,许多功率大约为300~500W的纤维谐振器,如果发生技术漏洞,更换一个合适的模块非常容易。在这种情况下,由于激光工作的时间比较长,因此也不需要配备一个训练有素的技术员。


另一种是在一些以电阻螺柱焊接为主的地区介绍的激光焊接方式——“交替龙门焊接”,当焊接时间超过50%的工作时间时,激光焊接装置更为节省。在应用方面, 现在正在应用电阻螺柱焊接,解决这个问题的办法是一种规定有两个焊接交替配置的激光。当一个配置的焊接正在运行时,另一个配置处处理头向下一个焊接位置移动,在这以后激光将转至另一个焊接配置,这项技术已由蒂森克虏伯引进。


然而,除此之外针对汽车制造商也将会出现完全新式的使世界焊接领域发生革命性变化的焊接技术,如摩擦焊接。它的优势是只需能够焊接两个零件必要的低能量输入即可,而热量变形较低。由于温度非常低, 因此,焊缝不会比材料坚硬。但也有不足之处:高强度压力和快速自转要求必须要很好地固定住金属零件。目前,只有几家公司采用这项技术来焊接铝。但无论从哪个角度来说,激光拼焊技术将会是未来车身焊接技术的发展方向!

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