在汽車工業中，焊接是一個關鍵環節，采用恰當的焊接方式具有可以提高車身抗碰撞能力，降低車身的重量、造車成本和油耗以及簡化總裝工序等優勢。電阻栓焊是當今最普遍的焊接方式之一，但是專家預言在未來的5～10年中這種方式將被淘汰，而金屬填充保護氣焊也將失去其以往的重要性，與之相反，激光焊接成為熱門話題。對于已被使用數年的傳統焊接工藝來說，很難再對其工藝過程、焊接速度和質量進行改進；但對于激光拼焊來說，卻有著極大的提升空間。 激光焊接 1、過程及必要設施 激光(產生于被刺激的輻射放射物的光的放大作用)是一種特殊性質的光，單色并且連貫，因此可以將光集中于要做鋼融解的一個微小斑點上。要創造激光輻射,就需要激光媒介。在將能量從外向內轉入到這個媒介中的同時，可以產生被刺激的分子。在諧振器中這束單色光將在兩個鏡子之間反射，由反射產生出時間和空間凝聚的光子，其中一個部分透明的鏡子能將這條射線反射出這臺諧振器。 圖1 激光拼焊設備針對大功率應用的重要激光器有兩種：二氧化碳激光器和釹：釔鋁石榴石激光器。二氧化碳激光器是氣體激光,即為產生出激光輻射所使用的媒介是氣體，刺激過程就是放電過程，二氧化碳激光的波長為10.6mm。釹：釔鋁石榴石激光器是固體激光，激光放射媒介是釹原子在氧化鋁中的點陣。由于激光放射原子的密度比較高, 因此固體激光的大小比氣體激光要小，釹：釔鋁石榴石激光的波長為1064nm，是二氧化碳激光的十分之一。 二氧化碳激光是現在比較強有力的激光，但釹：釔鋁石榴石激光的操控系統極具優勢。由于二氧化碳激光的波長為10.6mm，所以必須要安裝一個“陡坡”裝置，這就限制了可能的運動方式。而釹：釔鋁石榴石激光的輻射可以用靈活的纖維質光學波導進行引導，因此可以允許激光發射頭進行自由移動。 2、優勢及要求 激光焊接最重要的優勢在于能夠將非常高的能量聚焦于一點，激光束打在兩個要焊接部分的邊緣，輸入能量把金屬加熱并將其融化。在激光束作用以后，溶化的材料將迅速冷卻。在這個過程中，有一小部分的數量將進入被焊接的零件中。在焊接減少熱變形的同時，也減少了輸入的熱能量。減少因熱量影響的變形，并增加對準確性的糾正，可以節省大量金錢和時間。 然而，如何提高焊接速度和減少低能量輸入是目前面臨的挑戰。在被供熱的區域減少低能量輸入雖有它的好處：珠光體、馬氏體和奧氏體接縫結構的復雜鋼型不會大范圍改變結構，這一特點同樣適用于其它鋼，如被限定好碳沉淀的IF鋼；但另一方面也存在一些不足，少量的能量會導致快速冷卻，熱能將被導入冷卻部位。 為減少接縫的硬化，小心調整焊接的速度參數、激光功率、冷卻比率和焦點位置是非常重要的。而為防止金屬進一步硬化，還需采用保護氣體加以保護，如氬氣和氦氣等不會在材料中發生任何熱反應的氣體。 激光光束的小光點尺寸引起的另一個問題是切邊質量，如果在兩個零件中間有要進行焊接的接縫，激光束要保證通過材料時不會與其相接觸并將其融化。要避免這點，對零件精確性的要求非常高。目前，使用領域較普遍的是連接兩個零件的長縫，這能夠在越來越多的車身空白處發現。 激光拼焊板 1.激光拼焊板的優勢 德國蒂森克虜伯激光拼焊板有限公司從1985年開始生產拼焊板，激光拼焊技術的出現使得汽車生產制造從整車制造商向材料供應商轉移。目前，激光拼焊板主要應用于汽車制造業。在激光焊接中，材料是對接而不是搭接，這將帶來如下焊縫特性： （1）降低焊縫區域的體積，例如，焊縫寬度不超過0.5～1mm； （2）不增加焊縫高度； （3）對沖壓成形性能影響較小； （4）在焊縫上附加鍍鋅后，可保持其陰極保護功能； （5）焊接過程中，熱影響區? ? 完成焊接后，焊縫區域的靜態、動態強度是非常重要的指標，因此，還需對焊縫區域抽樣，進行破壞性抗拉強度測試（杯突測試），以檢驗焊縫區的拉伸成形性能。一般來說，焊縫的拉伸強度比母材的強度要高。 激光拼焊板工藝與傳統點焊搭接工藝的產品相比有諸多優勢：不僅降低了整車的制造成本、物流成本、整車重量、裝配公差、油耗和廢品率，而且減少了外圍加強件數量，簡化了裝配步驟及工藝，同時使車輛的碰撞能力增強，沖壓成型率及抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封膠，也為環保帶來利益。 2.激光拼焊板的應用 拼焊板已被廣泛的應用于車身部位，ULSAB（世界輕質鋼制車身協會）的最新研究結果表明：最新型的鋼制車身結構中，50％采用了拼焊板制造。 圖2 蒂森克虜伯諾邦公司生產的直線激光拼焊器當激光拼焊技術應用于車身側圍的制造，不再需要任何加強桿、加強筋及附屬的生產工藝，則重量和部件數量都會得到減少，而高延展性材料的應用也會使抗撞擊能力得到改進。同時，也不再需要加強板，在B柱上，拼焊板的應用可大大降低累積公差。 激光拼焊板的采用，不僅提高了車門部件制成品質量的穩定性，使車門部件的調校不再是個難題，同時可降低部件的重量，而且原有接縫處密封措施的省略，也使其更具有環保性。此外，拼焊板在車門上的應用還使鉸接區域的剛性得到整體加強，車門的配合公差得到大幅改善。重量降低、生產工藝得到優化，則必然使成本下降。 奧迪A6的車身強度和鋼度一直備受贊揚，國產全新奧迪A6L在原有基礎上進行了再次改進：采用了激光拼焊技術的車身設計（如圖3）。新奧迪A6L經過強化的車身，其抗扭轉強度提高了34%。配合全新的車身、底盤設計加之采用先進激光焊接技術的堅固車身結構，使國產全新奧迪A6L在遭遇碰撞時，預測的車身變形區、側面防撞保護梁以及合理的車內空間結構等能夠為乘客提供有效保護。這些看不到摸不著的設計和選材不但能降低車輛的制造成本和重量，還能在關鍵時刻最大限度地保護乘客的生命安全。 3.質量管理 （1）焊接檢測 質量檢測和保障系統為生產高質量的拼焊板提供保證，拼焊板的生產過程采用自動化生產線，以確保安全、經濟的生產，這就需要現代化的檢測儀器。早在1985年，德國蒂森克虜伯激光拼焊板有限公司開始生產拼焊板的時候，就已經采用監測系統，現在，這套系統已經更完善。在焊接激光頭的后面安裝一個焊縫監測系統，用來監測焊縫的質量，以保證焊縫符合質量要求。等離子體監測系統被用來監測焊接過程的穩定性，計算機輔助系統可以在焊接過程中處理傳感器提供的信號。 激光拼焊板需要全自動或半自動的經濟型生產線，同時要采用現代技術來監測焊接過程和產品質量。為了滿足這些新的全自動生產任意拼接板的生產過程的要求，蒂森焊接技術有限公司、蒂森克虜伯鋼鐵有限公司的研究部門、蒂森克虜伯激光技術有限公司以及蒂森諾邦有限公司在前期階段就提出了焊縫質量和生產過程管理自動評估的不同可能性，而開始經營的第一個激光拼焊板工廠生產的第一塊激光拼焊板就使用于奧迪100的底板上。近年來，這個技術在不同階段得到了進一步發展并被改進，它不僅可以控制焊接過程本身，而且可以用這項根據現有系統開發的最新一代技術來評估焊縫。其監測系統不僅能在高速焊接過程中監測焊縫幾何形狀上的缺陷，而且還能檢測極小的孔洞。 （2）評估系統 蒂森 LAM (激光應用管理)與焊縫檢查系統相結合，不僅能查出趨向瑕疵，譬如不規則的幾何縫隙(縫隙入射, 邊緣位移, 根下陷)，而且還能查出小程度的瑕疵, 譬如氣孔和孔洞。光條紋和等離子傳感器系統的結合已經以最佳狀態作為補充, 因此高測量率能保證在高焊接速度情況下，安全地查出輕微的有瑕疵的可能性。 一個電腦輔助的評估系統能自動評估傳感器信號，包括在焊接過程期間。從而確定是否相關測量點的條件符合指定的要求, 或者是否導致接縫質量下落的偏差已經發生。在焊接過程期間, 焊縫的溫度由紅外測量登記。各任意拼接板被評估的傳感器數據記錄被存放在一個短協議中，這意味著允許這個產品的質量用文件來證明。 圖3 國產一汽－大眾全新奧迪A6L一個完整的錯誤偵查系統可警告操作員在全自動焊接設施中發生的所有機械缺點，這個質量管理和監控系統被擴大為針對非線性激光焊接生產的新設備概念。傳感器安置在焊接頭前能夠查出將要被焊接板料的連接邊緣，不僅允許查明連接邊緣的確切位置, 而且允許測量板料之間的重疊。當查明的重疊測量超出一個被預定的極限值時，將會警告操作員, 并且自動整理出空隙。另外，運用這種設備，連接邊緣的偵查信號也被用于精確地辨別和調整連接邊緣的激光束。 4.技術趨勢 未來激光焊接技術將會采用哪種方式？答案有兩個：一種是演變, 改進現有技術。這意味著針對發展激光焊接將會有一種新的激光源——纖維激光，這是一種設有靈活的纖維諧振器的激光，輸入能量比率遠遠高于輸出能量，整個設備將比較緊湊。大功率纖維激光的另一個好處在于模件建造，許多功率大約為300～500W的纖維諧振器，如果發生技術漏洞，更換一個合適的模塊非常容易。在這種情況下，由于激光工作的時間比較長，因此也不需要配備一個訓練有素的技術員。 另一種是在一些以電阻螺柱焊接為主的地區介紹的激光焊接方式——“交替龍門焊接”，當焊接時間超過50%的工作時間時，激光焊接裝置更為節? Ｔ謨τ梅矯? 現在正在應用電阻螺柱焊接，解決這個問題的辦法是一種規定有兩個焊接交替配置的激光。當一個配置的焊接正在運行時,另一個配置處處理頭向下一個焊接位置移動，在這以后激光將轉至另一個焊接配置，這項技術已由蒂森克虜伯引進。 然而，除此之外針對汽車制造商也將會出現完全新式的使世界焊接領域發生革命性變化的焊接技術，如摩擦焊接。它的優勢是只需能夠焊接兩個零件必要的低能量輸入即可，而熱量變形較低。由于溫度非常低, 因此，焊縫不會比材料堅硬。但也有不足之處：高強度壓力和快速自轉要求必須要很好地固定住金屬零件。目前，只有幾家公司采用這項技術來焊接鋁。但無論從哪個角度來說，激光拼焊技術將會是未來車身焊接技術的發展方向！ 原載《汽車制造業》