錢志剛

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，激光技術(shù)得到充足的完善。由于激光焊接工藝具備高質(zhì)量、高精度、低變形等特性，現(xiàn)階段汽車工業(yè)柔性、模塊化生產(chǎn)方式的基本需求，激光焊接工藝在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

關(guān)鍵詞：激光焊接；工藝；汽車工業(yè)；汽車座椅

中圖分類號(hào)： U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)于汽車座椅的安全性和舒適性的要求也隨之提高。另外，座椅的調(diào)節(jié)又影響著乘客乘坐的舒適度，可根據(jù)不同乘客需求適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。以往汽車座椅采取的焊接工藝大都是點(diǎn)焊、弧焊技術(shù)，其中點(diǎn)焊技術(shù)存在顯著缺陷，比較容易變形、一般情況下，點(diǎn)焊預(yù)留空間都會(huì)比較大，而且焊接速度過(guò)于緩慢，由此可見(jiàn)，以往的傳統(tǒng)焊接方式根本無(wú)法契合現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的實(shí)際應(yīng)用需求。反觀現(xiàn)在興起的激光焊接技術(shù)則完全不存在以上缺陷。所以這個(gè)激光焊接被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域。

1 激光焊接的原理

激光焊接主要是通過(guò)激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源焊接，通過(guò)使用光學(xué)振蕩設(shè)備以及利用包括電能、化學(xué)能在內(nèi)的原始能量進(jìn)而激發(fā)出固態(tài)、業(yè)態(tài)、氣態(tài)等不同介質(zhì)，在此之后會(huì)形成相位相同、波長(zhǎng)集中的光束，正是由于這些光束具備以上特性，所以差異角都顯得特別小，傳播距離則顯得較長(zhǎng)，這樣的光速可實(shí)現(xiàn)高度集中利用。激光束的功率與金屬表面是否可以發(fā)生汽化密切相關(guān)，當(dāng)其密度較大時(shí)，如果將激光束照射在金屬表面上，金屬表面溫度就會(huì)迅速增高，在較短的時(shí)間就可以使其溫度達(dá)到沸點(diǎn)后發(fā)生汽化。金屬蒸汽在其速度達(dá)到特定程度時(shí)，就可離開金屬熔池表面，此時(shí)會(huì)更加不利于金屬融化。金屬會(huì)出現(xiàn)向下凹陷的情況，形成一個(gè)小凹坑。隨著溫度上升，金屬表面凹陷處會(huì)逐漸成為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的小孔。隨著激光束的移動(dòng)變化，小孔前方融化的金屬會(huì)繞開小孔流向后方，然后凝固成焊縫。焊縫是深是淺與激光功率密度高低密切相關(guān)，如果所采用的激光功率密度比較低，那么熔深會(huì)比較淺、深寬卻比較小。焊接熔深是指在焊接接頭橫截面上，母材或者是焊道焊縫融化的實(shí)際深度。激光功率密度比較高時(shí)熔深也會(huì)加大，深寬也會(huì)加大，此時(shí)易形成穿透性焊縫?，F(xiàn)階段，包括汽車座椅在內(nèi)的很多焊接工藝皆是采用這種激光焊接技術(shù)。

2 激光焊接的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

2.1 激光焊接的基本特征

進(jìn)行激光焊接的工件變形極小，幾乎不存在連接間隙，而且激光焊接的深度和寬度比普通焊接都要高。利用激光技術(shù)主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)激光焊接過(guò)程與質(zhì)量控制來(lái)保證激光焊接的質(zhì)量，激光技術(shù)利用領(lǐng)域主要涉及電感、電容、聲波、光電等各種傳感器的利用。并利用計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理，根據(jù)不同焊接對(duì)象自身特點(diǎn)和要求，完成焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫質(zhì)量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際反饋信息適當(dāng)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激光焊接。在激光焊接中，光束焦點(diǎn)是控制工藝參數(shù)的關(guān)鍵因素之一，在激光功率和焊接速度一定的情況下，焦點(diǎn)位置決定熔深的大小和焊接形狀的好壞。在激光焊接的實(shí)踐過(guò)程中，為保持焦點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定，可通過(guò)專業(yè)設(shè)備技術(shù)來(lái)減少或避免影響其穩(wěn)定性的因素，由此可見(jiàn)，設(shè)備精確度與激光焊接質(zhì)量是相互影響作用的。

2.2 激光焊接的優(yōu)勢(shì)

2.2.1 激光焊接相對(duì)普通焊接的優(yōu)勢(shì)

與普通焊接工藝相比，激光焊接有以下優(yōu)勢(shì)。一是焊接速度快。激光焊接比傳統(tǒng)焊接技術(shù)要快得多，焊接速度最高可達(dá)20m/min；二是激光束光斑小。功率密度大，加熱范圍小，所以焊接速度較快。同時(shí)激光焊接是非接觸性的，因此它的殘余應(yīng)力比較小，焊接變形程度也較小，這方面因素直接影響焊接質(zhì)量；三是焊接強(qiáng)度高。比普通焊接要高得多。而且激光焊接熱變性較小，相鄰的金屬不具備機(jī)械扭曲功能；四是縮小預(yù)留焊接邊緣，減少搭接寬度和加強(qiáng)焊接時(shí)可能用到的部件，因此可有效節(jié)約材料用量，優(yōu)化完善設(shè)計(jì)，座椅設(shè)計(jì)可變得更加柔性化；五是激光束易聚焦，主要通過(guò)反射鏡或光纖等工具改變光的走向，它的激光束可達(dá)性較強(qiáng)，其他焊接不容易接觸的工件部位它可以完成焊接；六是激光焊接實(shí)際操作時(shí)的非接觸性有效降低了易損件的更換率和維護(hù)次數(shù)，不但在很大程度上減少了成本浪費(fèi)，而且優(yōu)化焊接效率；七是激光焊接具有熔池凈化功能，這種功能可以凈化焊縫金屬。這樣焊縫雜質(zhì)含量減少，可有效提升焊接質(zhì)量。

2.2.2 汽車座椅激光焊接的優(yōu)勢(shì)

激光焊接工藝經(jīng)常用于汽車座椅的第二排靠背上，汽車座椅的第二排靠背傳統(tǒng)焊接工藝基本集中在金屬板材周圍分布，促使背板與加強(qiáng)梁焊接后可承受18kN外力的沖撞測(cè)試。傳統(tǒng)座椅焊接受其工藝要求及工藝參數(shù)限制，機(jī)器人大概需要2.6s左右的時(shí)間焊接一個(gè)點(diǎn)。座椅的第二排靠背大概有60～90個(gè)焊點(diǎn)，單件制造時(shí)間較長(zhǎng)。而激光焊接工藝可以大幅度縮短焊接時(shí)間。為滿足當(dāng)前高產(chǎn)能需求，傳統(tǒng)焊接基本需要投入多個(gè)機(jī)器人電子點(diǎn)焊站，而現(xiàn)代激光焊接只需要構(gòu)建一個(gè)機(jī)器人焊接單元就可以實(shí)現(xiàn)，有效節(jié)約廠房占地面積和減少機(jī)器人電阻點(diǎn)焊工作站所耗用的人力資源。此外，激光焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯要比傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要好得多。

3 汽車座椅激光焊接工作站的組成部分

3.1 安全房

安全房與焊接工作站類似，可以促使焊接減少環(huán)境污染、焊接環(huán)境更加安全。

3.2 激光器

當(dāng)前激光器主要分為兩大類：一類是固體激光器，另一類是氣體激光器。綜合輸出光束的質(zhì)量和功率考慮，氣體激光器比固體激光器更具有優(yōu)勢(shì)。而國(guó)外在大功率固體激光器研制生產(chǎn)上取得了較大進(jìn)展，最大功率達(dá)到 5kW并迅速投進(jìn)了市場(chǎng)。固體激光焊接不僅促進(jìn)金屬表面吸收，同時(shí)還能使用光纖傳輸，把導(dǎo)光系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，因此固體激光器與氣體激光器相比更具優(yōu)勢(shì)。

3.3 光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)

光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)主要是由圓偏振鏡、反射鏡或聚焦鏡等部分組成，它們與激光焊接質(zhì)量密切相關(guān)。激光功率較大時(shí)，受其影響光學(xué)部件會(huì)逐漸劣化，甚至導(dǎo)致激光束透過(guò)率降低；同時(shí)光學(xué)部件表面污染將增加傳輸中能源損耗，最終導(dǎo)致聚焦距離發(fā)生變化，直接影響焊接的質(zhì)量和效果。由此可見(jiàn)，要想保證優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量，必須要嚴(yán)格把控光導(dǎo)部件的質(zhì)量，以及做好焊接過(guò)程中維護(hù)和監(jiān)測(cè)工作。

3.4 焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人就是實(shí)現(xiàn)光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成激光焊接。因?yàn)楹附訖C(jī)器人有6個(gè)自由度，因此可對(duì)多個(gè)角度進(jìn)行柔性焊接。

3.5 焊接夾具

焊接夾具可以促使座椅連接件的位置更加精確，還可以有效地防止和矯正部分焊接變形。以往焊接模式模塊較多，強(qiáng)度大，但由于焊槍具備可達(dá)性的特性，導(dǎo)致局部定位極為受限，進(jìn)而導(dǎo)致焊后變形難以掌控。激光焊接夾具不用考慮預(yù)留較大的焊接空間，可均勻支撐壓緊工件，以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)焊接無(wú)法定位焊接的地方，此時(shí)激光焊接存在顯著優(yōu)勢(shì)。

3.6 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)全部選用PLC控制，在懸臂上外置觸摸屏，人機(jī)交互性好。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)

激光焊接領(lǐng)域研究過(guò)程中，其研究重點(diǎn)就是對(duì)激光焊接整個(gè)過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制工作的研究。其監(jiān)控系統(tǒng)主要是由攝像頭、顯示器和控制系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成的。再利用工作站內(nèi)的高速攝像機(jī)及外圍放置在懸臂上的顯示器來(lái)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制觀察，進(jìn)而監(jiān)控整個(gè)激光焊接過(guò)程。

3.8 輔助系統(tǒng)

激光焊接工作站的輔助系統(tǒng)包括排塵裝置、PFO固定臺(tái)和編程工作臺(tái)等。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光焊接工藝的產(chǎn)生完美地取代了傳統(tǒng)點(diǎn)焊、弧焊工藝，促使座椅各部件的焊接工藝得到了很大的提升，隨著激光焊接工藝的不斷發(fā)展及工業(yè)自動(dòng)化程度的逐漸提高，在不久的未來(lái)，激光焊接技術(shù)會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

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