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在汽車制造中，激光掃描焊的加工效率要高于點(diǎn)焊和激光焊，它通過(guò)可控編程和示教用線性激光的輔助，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。本文介紹了激光掃描焊的原理及其在轎車焊接上的應(yīng)用。

汽車行業(yè)的發(fā)展及激光應(yīng)用

激光技術(shù)是本世紀(jì)最重大的發(fā)明之一，激光在剛誕生不久就被人們稱為“解決問(wèn)題的工具”，激光技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域具備巨大的市場(chǎng)潛力。

中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)注定是一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的需求保持快于全球市場(chǎng)的增速，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，我國(guó)將從汽車大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)槠�車�?qiáng)國(guó)，在這個(gè)過(guò)程中，改善汽車制造中的裝備就顯得尤為重要。

在“柔性制造”方式被大力推廣的今天，汽車工業(yè)領(lǐng)域面臨著一次變革。汽車零部件產(chǎn)業(yè)正由大批量生產(chǎn)向小批量、多樣化的生產(chǎn)方式過(guò)渡，以市場(chǎng)為導(dǎo)向的制造方式逐步普及，“Production Line”正被“Production Station”所取代，激光因其具有良好的空間控制性和時(shí)間控制性，以及快速適應(yīng)多種材料、多種形狀和尺寸的能力，而特別適用于柔性加工，因此激光將在這一變革中發(fā)揮重大作用。

激光掃描焊接的特點(diǎn)

大眾汽車走在激光掃描焊技術(shù)的應(yīng)用前列，在帕薩特汽車后窗臺(tái)板成功運(yùn)用激光掃描焊之后，激光掃描焊工藝及其系統(tǒng)在2005年被廣泛應(yīng)用于大眾汽車公司的系列產(chǎn)品中。2007年初，大眾汽車通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部通訊，實(shí)現(xiàn)了激光掃描焊系統(tǒng)的光束共享和分化，從而有效提高了激光的利用率。

可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦距、大范圍焊接

實(shí)現(xiàn)500mm以上的激光焊，這是常規(guī)激光焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而又無(wú)法接近的加工件來(lái)說(shuō)，激光掃描焊給出了完美的答案：相比于燈泵浦激光器25mm.mrad的光束質(zhì)量，激光掃描焊的碟片激光器可達(dá)到8mm.mrad；激光掃描焊接可避免焊接過(guò)程中飛濺、煙塵對(duì)激光頭的損傷，有助于延長(zhǎng)使用壽命，從而降低使用成本。

激光掃描焊速度快

在原機(jī)器手臂的移動(dòng)速度下，還可利用激光頭內(nèi)部振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的高速加工。常規(guī)點(diǎn)焊2s才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)焊點(diǎn)連接，而使用激光遠(yuǎn)程焊1s就可實(shí)現(xiàn)3～4個(gè)焊點(diǎn)連接。

BMW公司在轎車某個(gè)部件上比較電阻焊、傳統(tǒng)激光焊和激光掃描焊三種焊接方法所耗時(shí)間，該工件需要焊接的部位達(dá)20多處，統(tǒng)計(jì)時(shí)間如表1所示。

表1 BMW統(tǒng)計(jì)的三種焊接方法所需時(shí)間

利用軟件編程焊縫軌跡，可實(shí)現(xiàn)焊接形狀的多樣性

如C形、○形、直線型等（見(jiàn)圖1）。眾多汽車廠已經(jīng)驗(yàn)證，C形結(jié)構(gòu)無(wú)論在加工時(shí)間還是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上都優(yōu)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊的圓形焊點(diǎn)，同時(shí)激光掃描焊還可利用此特點(diǎn)在工件表面標(biāo)識(shí)8個(gè)字符的ID，以便記錄和追蹤。

圖1 激光掃描焊接系統(tǒng)軌跡

相對(duì)于點(diǎn)焊，激光遠(yuǎn)程焊熱輸入小、焊接變形小。

對(duì)于超過(guò)1000MPa的高強(qiáng)鋼，其強(qiáng)度越高對(duì)熱輸入量越敏感，激光掃描焊比點(diǎn)焊和MIG焊的熱輸入小，是焊接高強(qiáng)鋼的首選。

激光掃描焊的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)激光焊接系統(tǒng)在焊接位置之間的移動(dòng)速度相對(duì)較低，在實(shí)際生產(chǎn)中很難達(dá)到大批量生產(chǎn)要求，這一缺點(diǎn)在焊點(diǎn)分布多的復(fù)雜三維零件上顯得尤為突出。高光束質(zhì)量高功率新型盤(pán)形激光器和光纖激光器的應(yīng)用推廣，為激光掃描焊接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ)。

激光掃描焊的原理介紹

掃描焊、遠(yuǎn)程焊和飛行焊接指的是同一種激光焊接方法，激光掃描頭可以從500mm以外的位置進(jìn)行激光焊接，通過(guò)內(nèi)部振鏡的運(yùn)動(dòng)，在不移動(dòng)激光頭的情況下，可以進(jìn)行類似光掃描的焊接，此種焊接方式速度快，移動(dòng)位置精準(zhǔn)度高，通常使用機(jī)器人來(lái)控制激光掃描頭的移動(dòng)軌跡，結(jié)合掃描頭本身的高速焊接及外在空間上的凌空感，人們又將它取名為“飛行焊接”，其焊接原理圖如圖2所示。此種焊接方式在每個(gè)光場(chǎng)面內(nèi)移動(dòng)速度快，僅在兩個(gè)光場(chǎng)間需要時(shí)間來(lái)調(diào)整振鏡角度，以準(zhǔn)備下一個(gè)光場(chǎng)面的焊接，因此激光掃描焊對(duì)于多點(diǎn)位置的短距離焊接有固有的優(yōu)越性。

圖2 激光掃描焊的光路圖

激光掃描焊的接頭形式

激光掃描焊的主要接頭形式有搭接、不等厚搭接、對(duì)接三種，如圖3所示。相對(duì)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊，激光掃描焊的接頭形式需重新設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4所示。

圖3 激光掃描焊的接頭形式

圖4 激光掃描焊的接頭設(shè)計(jì)

激光掃描焊接系統(tǒng)

激光掃描焊接系統(tǒng)的組成如圖5所示（其主要特性見(jiàn)表2），與傳統(tǒng)的激光焊接設(shè)備相比，差異主要體現(xiàn)在激光頭上。激光掃描焊焦距可達(dá)212mm，工作區(qū)域可達(dá)100mm×100mm×40mm（Z向40mm），在X/Y向的定位時(shí)間小于0.01s，在Z向的定位時(shí)間小于0.1s。通過(guò)可編程系統(tǒng)（圖6）及示教用線性激光（圖7）的輔助，可實(shí)現(xiàn)激光掃描焊的軌跡模擬和優(yōu)化。

圖5 激光掃描焊接系統(tǒng)（帶氣刀）

表2 激光掃描焊系統(tǒng)特性

激光掃描焊在汽車行業(yè)的應(yīng)用

掃描焊應(yīng)用于汽車焊接，主要包括座椅（框架、滑道、面板）、白車身（車門(mén)、懸掛件、邊墻、柱子、后窗臺(tái)板）、內(nèi)飾等。

結(jié)束語(yǔ)

汽車制造作為一個(gè)技術(shù)密集型加工領(lǐng)域，追求速度和效率的完美結(jié)合，采用激光掃描焊焊接車門(mén)、門(mén)檻等結(jié)構(gòu)，更利于締造高效可靠的解決方案，進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)應(yīng)用正在逐步推廣。