汽车行业加速升级,智造生产抢先一步 ——激光焊接智能化系统解决方案

在汽车制造中,采用高功率激光焊接技术可以提高产品设计的灵活性,提高生产效率,增强车身的刚度,提高产品质量和市场竞争力。作为我国基础工业装备及自动化装备的主要供应商,一直以来,大族激光智能装备集团金属激光切割、焊接、焊装、3D 打印、清洗等方面的技术水平在激光行业中遥遥领先,为汽车、工程机械、农业机械、电力、厨卫家具、家电、模具等行业提供助力。高功率激光焊接技术应用于汽车制造中的工艺主要有:高功率激光自熔焊接、高功率激光复合焊接技术、激光焊接焊缝跟踪技术、高功率激光远程焊接技术等。

高功率激光焊接工艺

高功率激光自熔焊接

当激光光斑照射到工件表面上的功率密度达到10 6W/cm 2 以上时,工件在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高到沸点,使金属熔化和汽化。在液态金属中形成一个充满金属蒸汽的细长孔,当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续加深,形成一个深度稳定的小孔,小孔周围就是焊接熔池,小孔随着激光而移动,小孔闭合后便形成焊缝,实现激光自熔焊接。
激光自熔焊接,即焊接的两部分或多个部分自身熔化并最终冷却凝聚成一体,该焊接方式不需要添加辅助的焊剂或填料,完全利用工件自身材料熔接在一起。高功率激光自熔焊接广泛应用于不同的行业,如汽车零部件行业中的安全气囊气体发生器、齿轮、汽车座椅零部件、减振器等多种产品。
高功率激光自熔焊接焊缝成形好,变形小,特别对于中薄板非常适合。而且焊接设备配置简单,工艺相对比较容易掌握,被大量应用。

高功率激光复合焊接技术

激光复合焊接技术结合了激光焊和传统气体保护焊(电弧)两者的优点。这种焊接方法的特点是:⑴激光焊能在较小的热输入量和小的焊接热影响区获得较大的熔深;⑵所附加的气保焊可以大大扩展接头根部间隙的大小,改善表面状态和杂质的允许量;⑶提高焊缝根部间隙填充和成形质量以及加强对焊接冶金的控制。
与纯电弧焊接相比,激光复合焊接技术兼具激光焊接和电弧焊接的优点,适用于铝合金、钛合金、镁合金及高合金钢等材料的焊接。如用纯激光焊接铝合金时,易产生高反及焊缝凹陷等问题,采用激光电弧复合的方法焊接,高反问题可以得到很好的解决。
激光复合焊接技术在汽车、机车、管道等制造工业领域已获得了广泛应用,在国内对激光复合焊接技术进行更为深入的研究时,大族激光智能装备集团已经将该项技术与设备投向市场,案例众多并获得市场认可、好评。

激光焊接焊缝跟踪技术

焊缝跟踪是实现激光焊接自动化的一个重要组成部分。激光焊缝跟踪系统的原理是一个光学焊缝跟踪系统,主要由一个激光条纹传感器、一个分析单元和一到两个线性驱动组成。激光焊缝跟踪系统的优点:⑴非接触式,克服了机械探针式系统所固有的缺陷,如不能处理对接工件以及小间隙和点固焊缝等;⑵应用焊缝跟踪可以保证焊接精度,提高焊接质量和生产率,降低返修率和废品率;⑶同时降低对焊接结构装配件的装配和定位精度要求,从而节约工装夹具成本。
激光焊接焊缝跟踪系统既可以与机器人集成,也可以与数控机床集成。常见跟踪的焊缝接头形式有:对接、角接、搭接、T 形接头、V/Y 形坡口接头等等,广泛应用于汽车及汽车零部件(如车顶激光焊接)、钢材(如激光拼焊板)、航空航天、造船管道等领域,提高了激光焊接质量和自动化程度。

高功率激光远程焊接技术

远程激光焊接技术已成为替代传统电阻点焊的重要焊接方法。与传统激光焊接相比,远程激光焊接技术的主要优势:⑴定位精度高、定位时间短、焊接速度快、效率高;⑵工作距离长,不会与焊装夹具干涉、光学镜片污染少;⑶编程灵活,量身定制焊缝形状、优化结构、提高强度等。
与电阻点焊相比,远程激光焊接技术充分发挥了单侧、非接触式激光焊接的技术和经济优势,并将其与高速扫描振镜的优势相结合,提高了总生产效率,可应用于日益增多的汽车覆盖件及零部件的焊接。
应用领域包括汽车白车身焊装及其零部件的激光连接,如汽车座椅、车门、发动机罩、B 柱、开关柜、保险杠、仪表盘、气阀等等。大族激光智能装备集团“激光技术与自动化应用实验室”配备了先进的高功率远程激光焊接系统,掌握了常见车用材料如镀锌钢板、低碳钢、高强钢等高功率远程激光焊接工艺技术,以及基于远程焊接工艺特征的夹具设计技术。

激光焊接技术在汽车行业的应用

汽车覆盖件及结构件激光焊接系统

汽车车身覆盖件及结构件激光焊接工作站(图1、图2),是集激光焊接、弧焊、涂胶、机器人视觉、离线编程、焊缝跟踪、数控技术、自动化、追溯系统等学科于一体的高新技术产品,具有高精度、高效率、高自动化等特点,具备智能化制造接口,可与工厂MES 系统连接,实现产品数据和质量追溯,轻松实现智能制造。

图1 汽车覆盖件激光焊接工作站

图2 汽车结构件激光焊接生产线

激光焊接主要应用在汽车天窗、A/B 柱、水箱支架、车门、汽车尾箱盖、门槛、底盘车架、前纵梁、侧围、仪表盘支架、前纵梁等方面。其中,铝合金车门激光焊接工作站(图3)采用5 系铝合金作为加工材料,可实现3mm+3mm 叠焊,并且在激光焊接过程中使用了激光摆动焊,焊后铝合金车门变形小,焊缝成形美观、无缺陷。

图3 铝合金车门激光焊接工作站

汽车座椅激光焊接系统

汽车座椅激光焊接工作站(图4)主要应用于汽车座椅前中后靠背、滑轨、高调器及调角器激光焊接,激光焊接相对于传统弧焊工艺具有焊接效率高、变形小、精度高、轻量化等优势。设备配置激光焊接、产品识别防错、条码打印、追溯系统、TRS 管理软件、在线质量检测(LWM)、远程维护系统等功能,已经与佛吉亚、李尔、西德科等国际汽车座椅厂商都有良好合作。

图4 汽车座椅激光焊接工作站

电动汽车核心部件激光焊接系统

新能源汽车核心零部件激光焊接系统主要用于新能源电机及电池托盘激光焊接(图5、图6),焊接系统配备激光摆动焊接头、焊缝跟踪系统、在线检测系统、送丝系统等,解决铜、铝合金等材料焊接工艺。目前主要应用在发卡电机铜端子、电机定子、感应电机转子铜条,以及5 系/6 系铝合金、碳钢、高强钢电池托盘等汽车核心部件。

图5 电机定子激光焊接机

图6 电池托盘激光焊接机

全自动激光拼焊系统

全新智能化全自动激光拼焊板生产线(图7),是集激光焊接、自动上下料、焊缝跟踪、焊缝质量检测、产品数据化管理系统等于一体的高新技术产品。激光拼焊系统采用模块化设计,根据客户需求提供手动、半自动、全自动拼焊系统。可实现多张不同厚度、强度、材质钢板拼焊接成能进行冲压的板材,已成功应用于车身立柱、门内板、侧围、前纵梁、天窗等汽车零部件的焊接。

图7 全自动激光拼焊板生产线

图8 飞轮焊接生产线

汽车传动部件激光焊接工作站(图8),可根据焊接产品进行定制化设计,实现产品多工位快速焊接及不同工件的加工切换。汽车零部件焊接采用高功率激光焊代替其他焊接方法,零件焊接部位变形很小,连接精度高,焊接速度快,连接强度高,而且不需要焊后热处理。主要应用在汽车零部件组焊,与多家汽车主机厂以及汽车零部件厂商都有良好合作,包括一汽、上汽、宝马、霍利韦尔、博格华纳等。
目前大族激光智能装备集团汽车传动部件激光焊接系统已成功应用于齿轮、发动机减振器、涡轮增压器、防撞梁、安全气囊、拨叉发动机油泵、发动机活塞等汽车部件的制造中,拥有着丰富的应用案例及专业技术,极大地为汽车产业轻量化生产助力,具备智能化制造接口和远程维护技术,可与工厂MES系统连接,实现产品数据和质量追溯,轻松实现智能制造。

结束语

大族激光智能装备集团专注于高功率激光焊接技术的研究,多年来在2kW ~20kW 激光焊接领域积累了丰富的应用案例与精湛的工艺技术,激光焊接的高度自动化、高效率、美观外形、焊接变形小、环保无耗材等优势,真正为传统汽车零部件加工提供了全自动化解决方案,助力汽车产业智造升级。

——来源:《锻造与冲压》2021年第8期