激光拼焊線在汽車上的應(yīng)用

1、激光拼焊線在汽車上的應(yīng)用    摘要：激光拼焊板的應(yīng)用，節(jié)約了原材料，減少了整車質(zhì)量和沖壓工序以及車身零部件數(shù)量，降低了汽車的生產(chǎn)成本；提高了汽車的碰撞性能使整車具有更好的安全性。本文介紹了激光拼焊板在汽車生產(chǎn)上國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，生產(chǎn)激光拼焊板的典型成套設(shè)備-soutrac型全自動(dòng)激光拼焊線的設(shè)備組成及工藝流程，焊接工作原理及質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：激光拼焊；汽車； 監(jiān)測(cè)；控制中圖分類號(hào)：tg4567 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b世界上第一個(gè)激光器的成功演示在4o多年前。在今天。激光技術(shù)蓬勃發(fā)展其作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其發(fā)明初期人們?cè)械念A(yù)想激光技術(shù)的應(yīng)用目前遍及科技、經(jīng)濟(jì)、軍

2、事和社會(huì)的許多領(lǐng)域。汽車工業(yè)是激光加工的重要應(yīng)用領(lǐng)域，約占激光加工的15。激光焊接、激光切割、激光標(biāo)記、激光打孔都有著廣泛的應(yīng)用。本文著重介紹激光拼焊板在汽車車身上的應(yīng)用。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板拼焊在一起然后再把這種毛坯沖壓成車身零件這樣制成的車身結(jié)構(gòu)能達(dá)到最合理的金屬組合。改善車身部件的使用性能，降低汽車質(zhì)量，提高汽車結(jié)構(gòu)可靠性和安全性，并優(yōu)化工藝。激光焊接的速度約為218 mmin，而且變形很小，省略了二次加工。采用激光焊接沒(méi)有搭接寬度和加強(qiáng)部件，還可以壓縮車身結(jié)構(gòu)件本身的體積。僅此一項(xiàng)普通轎車車身的質(zhì)量就可減少5o 左右。1985年德國(guó)蒂森鋼鐵公司

3、與德國(guó)大眾汽車公司合作在audi100車身上成功采用了全球第一塊激光拼焊板。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì) 目前在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家中， 已有5o一7o的汽車零部件是用激光加工完成的。世界汽車制造商對(duì)拼焊板的需求大大促進(jìn)了拼焊板的生產(chǎn)。目前法國(guó)阿賽洛在激光拼焊領(lǐng)域經(jīng)過(guò)十幾年的研究和發(fā)展，現(xiàn)激光拼焊生產(chǎn)線已達(dá)到35條，其產(chǎn)品在歐洲市場(chǎng)占有率超過(guò)5o ，成為當(dāng)今世界規(guī)模最大的鋼鐵巨頭。而且歐洲許多冶金公司也都在生產(chǎn)這種拼焊板。其中，意大利sollak公司也在不斷擴(kuò)大，其子公司solblank公司已經(jīng)投入了14條生產(chǎn)線，而且還準(zhǔn)備在英國(guó)及美國(guó)建立4條激光拼焊線，每條的產(chǎn)能將達(dá)到2萬(wàn)ta。在我國(guó)，眾多汽車廠家引進(jìn)了激光

4、拼焊板的沖壓技術(shù)采用進(jìn)口激光拼焊板毛坯， 在國(guó)內(nèi)沖壓成形。隨著國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，陸續(xù)引進(jìn)了激光拼焊線， 自己生產(chǎn)激光拼焊板。目前奧收稿日期：2007一o524迪、帕薩特、雅閣、別克、馬自達(dá)等中高檔汽車都采用了激光拼焊板。2004年12y。由寶鋼、一汽以及日本住友商事會(huì)社共同投資的一汽寶友公司正式投產(chǎn)。從瑞士引進(jìn)世界一流的激光拼焊板線、開(kāi)卷剪切線和開(kāi)卷落料線。該生產(chǎn)線生產(chǎn)的激光拼焊板完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品 投產(chǎn)初期年產(chǎn)量可達(dá)100萬(wàn)件以上，產(chǎn)品首先用在一汽mazida6等系列車型上。不久前， 中國(guó)重汽卡車公司在h0w0重卡研發(fā)生產(chǎn)中采用蒂森克虜伯公司提供的激光拼焊板。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)、改進(jìn)。成功地解決了大

5、尺寸駕駛室開(kāi)發(fā)用料難題。首創(chuàng)國(guó)內(nèi)重卡車身板材激光拼焊技術(shù)。長(zhǎng)春一汽寶友鋼材加工配送中心，武漢蒂森克虜伯激光拼焊有限公司，上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司，廣州花都寶井激光拼焊板有限公司等都在為周邊地區(qū)的汽車生產(chǎn)廠家提供激光拼焊板。國(guó)內(nèi)的專業(yè)激光拼焊板生產(chǎn)已初具規(guī)模。1 激光拼焊工藝在車身制造中的應(yīng)用汽車車身各結(jié)構(gòu)的形狀、受力不一樣，對(duì)強(qiáng)度、剛度、拉延和塑性變形的要求各有不同，一般要根據(jù)構(gòu)件的形式、要求和使用材料來(lái)選擇沖壓工藝。傳統(tǒng)工藝是先沖壓后焊接，新的工藝方式則將這種順序顛倒過(guò)來(lái)，稱為“拼焊” 將不同厚度和不同性能的鋼板沖裁后拼焊起來(lái)，然后沖壓成形。采用拼焊鋼板可以按照汽車的不同部位對(duì)應(yīng)采用不

6、同的板材更好地發(fā)揮其作用。激光拼焊技術(shù)應(yīng)用于車身側(cè)圍的制造，不再需要任何加強(qiáng)桿、加強(qiáng)筋及附屬的生產(chǎn)工藝，部件質(zhì)量和數(shù)量都會(huì)減少；而高延展性材料的應(yīng)用也會(huì)使抗撞擊能力得到改進(jìn)。例如前后車門內(nèi)板、左右側(cè)圍加強(qiáng)板、左右前縱梁內(nèi)外板、前擋板等用激光焊接技術(shù)，既減輕了板材質(zhì)量又提高了車體的剛度?？稍跍p輕車身質(zhì)量的前提下裝備更多的設(shè)備，進(jìn)而提高汽車的性能。ulsab (tit界輕質(zhì)鋼制車身協(xié)會(huì))的最新研究結(jié)果表明：3o ·工藝與新技術(shù)· 焊接技術(shù) 第36卷第5期2o07年lo月最新型的鋼制車身結(jié)構(gòu)中，50采用了拼焊板。2 設(shè)      

7、備組成及工藝流程以一汽寶友激光拼焊線為例，設(shè)備組成(模型圖、布置及作用)如圖1所示。堆圖1 拼焊線模型圖從圖中可以看出該拼焊線主要包括：上料小車7個(gè)，換料時(shí)可不間斷地生產(chǎn)，將最多5塊板拼成1塊板，左右分別有1個(gè)上料小車準(zhǔn)備后續(xù)片料，使生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行；拆垛機(jī)器人2個(gè)，分別負(fù)責(zé)左右兩邊小車的拆垛； 中轉(zhuǎn)臺(tái)1個(gè)，機(jī)器人將片料放到中轉(zhuǎn)臺(tái)上機(jī)器人抓起的料如果是雙片就放到雙料片臺(tái)上等待處理； 中轉(zhuǎn)機(jī)器人1個(gè)，抓起中轉(zhuǎn)臺(tái)上的料片，擺放到預(yù)定位工作臺(tái)上；預(yù)定位工作臺(tái)1個(gè)，接收中轉(zhuǎn)機(jī)器人運(yùn)來(lái)的料，進(jìn)行預(yù)定位后， 等待luni(精定位上料裝置)拾取料片；luni 1個(gè)抓起經(jīng)過(guò)預(yù)定位的成組料片，按著一定的順序?qū)⒘掀?/p>

8、定位到精定位工作臺(tái)上，準(zhǔn)備焊接；精定位工作臺(tái)1個(gè)，是一種磁性定位工裝，輔助部分有定位塊和氣動(dòng)擋料機(jī)構(gòu)等；激光焊機(jī)1個(gè)是生產(chǎn)線的核心部分，型號(hào)為soudrac3600，有1個(gè)激光焊頭，其前后分別是一個(gè)souvis系統(tǒng)cmos攝像頭，前者負(fù)責(zé)尋找和跟蹤焊縫并可測(cè)量焊縫間隙的大小，反饋給焊絲填充系統(tǒng)?？刂坪附z的進(jìn)給速度；后者負(fù)責(zé)焊縫正面的質(zhì)量檢測(cè)；下料機(jī)器人1個(gè)，將焊完的板料抓起并豎立，待檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)完畢后，將板料放到磁性傳送帶上，然后回到抓料位置；檢測(cè)機(jī)器人1個(gè)，有1個(gè)souvis系統(tǒng)cmos攝像頭，其作用是檢測(cè)焊縫背面的質(zhì)量；磁性傳送帶，接收下料機(jī)器人運(yùn)送過(guò)來(lái)的板料，并運(yùn)送給堆垛機(jī)器人，期間通

9、過(guò)打淺坑裝置，如果需要堆垛用的淺坑，就停下來(lái)打完淺坑后，再運(yùn)送到指定位置；打淺坑裝置是出于碼垛或下道沖壓工序的需要，板料打上淺坑，堆垛時(shí)才能堆齊；翻轉(zhuǎn)裝置，需要翻轉(zhuǎn)的板料，完成翻轉(zhuǎn)后，再進(jìn)行堆垛；堆垛機(jī)器人1個(gè)，從磁性傳送帶上抓起板料，堆放到成品堆垛區(qū)，期間如果有廢品，就會(huì)將廢品堆放到廢品堆垛區(qū)；成品中轉(zhuǎn)臺(tái)，由于廢品的存在，甩出廢品后，剩下的不足一組的料暫時(shí)存放于此；成品堆垛區(qū)，分1號(hào)堆垛區(qū)和2號(hào)堆垛區(qū)，交替使用；檢測(cè)墻，在需要進(jìn)行人工檢測(cè)時(shí)，堆垛機(jī)器人可以將板料放到檢測(cè)墻上，人工將其從線內(nèi)移到線外，在全線不停機(jī)的情況下，進(jìn)行人工抽查；激光發(fā)生器，產(chǎn)生的激光通過(guò)光纜傳輸?shù)郊す夂割^，提供焊接能量

10、；冷卻裝置，對(duì)激光發(fā)生器進(jìn)行冷卻；除塵和過(guò)濾系統(tǒng)，對(duì)焊接時(shí)產(chǎn)生的煙霧和焊渣進(jìn)行清理和過(guò)濾；焊縫填充裝置，根據(jù)焊縫間隙的大小調(diào)節(jié)填充絲的進(jìn)給速度；hmi，人機(jī)界面，是人機(jī)對(duì)話用的可視系統(tǒng)；焊接控制系統(tǒng)，主要控制焊接時(shí)激光焊頭和焊接工裝行走的軌跡及各種焊接參數(shù)。整個(gè)工藝流程如下：拆垛一上料一預(yù)定位一精定位一yag激光拼焊(進(jìn)料、焊接和出料)一下料(焊縫檢測(cè))一打淺坑一堆垛(檢測(cè)墻抽檢)。3 激光焊接的特性激光最基本的特點(diǎn)就是：?jiǎn)紊?、方向性、相關(guān)性，以及由此而產(chǎn)生的超高亮度和超短脈沖等非常適合焊接加工。它的突出優(yōu)點(diǎn)在于適合高熔點(diǎn)金屬或異種金屬的焊接，不僅光斑小，熱形變小，而且可對(duì)透明外殼內(nèi)的部件進(jìn)

11、行焊接，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。激光器一般按產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)不同來(lái)分類，主要有半導(dǎo)體(gaas，inp等)激光器、固體(nd：yag等)激光器、氣體(co ，hene等)激光器、液體(可調(diào)諧染料等)激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器等。其中氣體激光器以氣體或金屬蒸汽為發(fā)光粒子，是目前種類最多，激勵(lì)方式最多樣化激光波長(zhǎng)分布區(qū)域最寬，容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出也是應(yīng)用最廣泛的一類激光器。固體激光器是將產(chǎn)生激光的粒子摻于固體基質(zhì)，其濃度比氣體大， 因而可以獲得更大的激光能量輸出，具有能量大，峰值功率高，機(jī)構(gòu)緊湊，牢固耐用等特點(diǎn)。在激光焊接中主要就采用這2種受激物質(zhì)的激光器。這里采用的就是固體(nd：yag等)

12、激光器。4 激光拼焊的質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制原理由于人工檢查焊縫質(zhì)量缺乏可靠性與穩(wěn)定性，因此，有必要采用可靠性高、效能先進(jìn)的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫質(zhì)量參數(shù)的全程、同步、無(wú)間斷的精確檢測(cè)。為了適應(yīng)這種需求，welding technology vo136 no5 oct2007 ·工藝與新技術(shù)· 31生產(chǎn)線上安裝了soudronic汽車系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的第2代可視激光焊接焊縫質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng) “souvis 5000” (soudronicvision system)。該系統(tǒng)采用新型光學(xué)取像與激光感應(yīng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫三維形面參數(shù)與焊縫表面均勻性參數(shù)進(jìn)行同步檢測(cè)且2種檢測(cè)功能有機(jī)地集成

13、于一個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)裝置里?！皊ouvis 5000” 的硬件平臺(tái)為一臺(tái)功能強(qiáng)大的工業(yè)電腦。內(nèi)置有圖像處理系統(tǒng)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。感應(yīng)頭為一個(gè)cm0s攝像頭，它具有自適應(yīng)反饋特點(diǎn)及特殊的閃光技術(shù)。該系統(tǒng)可集成到tcpip網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換， 也可通過(guò)母線(can，interbus)與plc連接進(jìn)行外部控制，也可與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)控及系統(tǒng)故障自診。系統(tǒng)獲取的標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸為10 mm8 mm。分辨率為1o岬。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，感應(yīng)頭或待檢測(cè)工件需在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中取像，系統(tǒng)的取像觸發(fā)裝置可保證連續(xù)取像的2個(gè)相鄰圖像有一定重疊，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷取像檢測(cè)。受限于攝像頭取像速度及數(shù)據(jù)傳輸速度，系統(tǒng)的檢測(cè)速

14、度為30 mmin。由于系統(tǒng)取像與檢測(cè)速度快，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，影響檢測(cè)速度的瓶頸往往是其他生產(chǎn)裝置，如焊接機(jī)器人、工件穿梭裝置等。激光焊接的焊縫質(zhì)量檢測(cè)主要取決于兩方面的數(shù)據(jù)特征：焊縫幾何形面的絕對(duì)測(cè)量值和焊縫表面的均勻性。焊縫的局部缺陷會(huì)對(duì)焊縫強(qiáng)度及表面美觀產(chǎn)生影響。因此。 “souvis5000” 采用以下3種方式同步探測(cè)焊縫局部缺陷：焊縫形面三維數(shù)據(jù)分析、焊縫組織結(jié)構(gòu)分析和針孔分析。焊縫組織結(jié)構(gòu)一般通過(guò)纖維性結(jié)構(gòu)來(lái)反映，即“魚骨形” 結(jié)構(gòu)。為了對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，系統(tǒng)根據(jù)纖維結(jié)構(gòu)的斜度、方向及多像素方式生成焊縫結(jié)構(gòu)特征。這些結(jié)構(gòu)特征可通過(guò)數(shù)字來(lái)反映焊縫表面質(zhì)量與平滑均勻性等。如果在某

15、個(gè)焊縫區(qū)這些數(shù)據(jù)變化很大則說(shuō)明焊縫出現(xiàn)局部焊接缺陷。比如由于等離子保護(hù)造成的熔深深度不足或者由于工件表面涂層造成的孔隙或焊坑。細(xì)小的焊接缺陷(如針孔)通過(guò)這種方式無(wú)法探測(cè)，因此該系統(tǒng)利用針孔分析算法來(lái)發(fā)現(xiàn)小于幾百 m的細(xì)小焊接缺陷，在激光釬焊焊縫上可探測(cè)出直徑僅為200 m的針孔。5 激光拼焊的局限性在工業(yè)應(yīng)用中，激光焊接的工藝控制非常關(guān)鍵，這主要是因?yàn)椋捍腹ぜ木?、工件焊接組合的重復(fù)定位與夾緊精度有一定限度，焊接前的間隙必須控制在一定精度范圍內(nèi)；對(duì)于有些焊接形面，激光聚焦點(diǎn)跟蹤整個(gè)焊接縫隙軌跡(長(zhǎng)度可達(dá)2 m以上)的精度要求不超出激光光束直徑的10：有時(shí)待焊工件表面會(huì)有金屬涂層(如鍍鋅板)，而金屬涂層常常會(huì)造成焊接氣孔。在汽車工業(yè)中的大批量生產(chǎn)應(yīng)用中，激光焊接多采用“深入焊”或“透焊”工藝。但是，即便對(duì)焊縫間隙控制得再好，也無(wú)法避免出現(xiàn)焊接缺陷。從其表面來(lái)看，焊縫缺陷主要可分為兩大類：焊縫幾何形面缺陷和隨機(jī)缺陷，前者一般通過(guò)對(duì)一段焊縫進(jìn)行觀察即可發(fā)現(xiàn)。后者作為局部缺陷常出現(xiàn)在不可預(yù)知的位置。另外， 由于焊縫部位的硬化，給后續(xù)的沖壓過(guò)程帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。6 結(jié)論不等厚鋼板激光拼焊技術(shù)屬國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，可以降低整車的質(zhì)量和成本，提高整車的碰撞性能。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬新工藝，激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工