激光焊接汽车保险杠

图1、远程焊接系统(A)，扫描系统(B)        相对于使用更传统的光纤传输激光/机器人系统来说，采用装备高功率CO₂激光器和扫描头的远 程焊接系统（RWS）增加了焊接的循环时间。因为CO₂激光远程焊接系统到工件之间的光束焦距超过800mm，完全可能降低焊接循环时间，原因是扫描系统的镜片移动速度可超过700米/分钟（见图1）。而且，RWS的传感器能自动测量和工件之间的焦距，使得改变并检查焊接模式及定位数据变得简便。
        然而，采用RWS后，保护气体的应用成为了问题——通常在CO₂激光束功率超过3kW时必须使用保护气体，而且应用保护气系统变得很困难。因此，在一项近期的研究中，对800Mpa级高强度钢板进行RWS焊接，我们对影响焊珠外形和穿透的因素进行观察，从而相应决定是否使用保护气。同样被研究的还有那些对汽车零部件强度产生影响的参数。
        
        研究最优的状况
        在该项研究当中，将进行SPFC 780 1.2mm厚度的钢板的焊接。采用的激光功率在3～4.8kW，移动速度为2.4、2.8和3.2米/分钟，以观测熔化区域在有/无保护气体的情况下受等离子体影响程度。产生的缝焊长22mm，氦气流速为25升/分钟。如图2所示，这种气体由一个循环喷气孔传输。 图2、保护气体(氦)以20°倾
角被注入50mm的区域。

        应用的功率越高，熔化区域越难成形，这取决于是否存在保护气体。由于不采用保护气体时过程变得不稳定，更高光束能量的穿透也更少。有趣的现象是焊接宽度会随着焊接速度的增加而增加，穿透率提高。表1显示了有/无保护气体的情况下采用4.8kW激光得到的焊珠外形和穿透率情况。

图3、有/无保护气的情况下，
穿透率和焊接宽度的变化。

        在该过程中，RWS相比其他种类的激光系统更容易受到环境的影响，因为CO₂激光具有长焦距，因此每部分计算出的区域需要通过观察以获得熔化外形的精确数据（见图4）。当对每个部分进行分析时，整个过程的穿透率和焊接宽度存在不同。因此，我们发现保护气体对于穿透率和焊接宽度能产生影响，原因是它能起到稳定流程的作用。

图4、纵向截面(A）,横向截面(B）.工
作状况：3.6kW,2.8米/分钟,无保护气.

        总体来说，观察到的应力峰值在2.8米/分钟，除了一些例外情况；我们的结论是重复焊接带来的应力同穿透率之间并无太大联系。因为更低的焊接速度，通常能获得更好的穿透效果。应力载荷可能不会直接和穿透焊接宽度成比例关系（见图5）。为了得到更精确的数据，需要对熔化区面积而非焊接宽度进行比较。应力载荷所带来的好处在于能增加焊接宽度。nextpage

图5、应力载荷与熔化区面积之间的关系

        尽管无保护气体会造成应力载荷值的略微升高，但保护气体在4.8kW的焊接过程中是必须的。在该情况下，除非使用保护气体，否则该过程将变得不稳定，穿透值也会太低（见图6）。
        这里所描述的RWS焊接工艺从2006年开始就被用于焊接汽车保险杠（见图7）。通常保险杠是采用电阻点焊、CO₂电弧焊或冷金属过渡焊来完成的。选用激光是因为它降低了循环时间，减少了材料成本，并提高了应力载荷值。我们计划研究RWS在其他汽车零部件加工中的应用。

图6、RWS焊接设置使我们能够找到
高速生产保险杠所需的最佳焊接条件。
远程焊接系统的焊接现场(A),焊接结果
的焊珠及纵截面(B)，汽车保险杠(C)。

        研究结论
        通过这项研究，我们可以得到一些结论。首先，保护气体对于光束功率大于4.8kW的保险杠焊接工艺来说是必不可少的。在缺少保护气体的情况下，该工艺会变得不稳定，并会出现焊珠缺陷。当对钢板（SPFC 780 1.2t）进行叠焊时，熔化的外形在不同截面各不相同。因此，为了得到更加可靠的数据，计算熔化区域面积是很有必要的。

        除了以上提到的这些，应力载荷值在中速焊接时通常是很高的。所以穿透率不会影响到重叠处的质量。而当采用保护气时，高功率激光束的焊接工艺非常稳定。因此为了得到完全穿透效果和稳定的焊接质量，保护气体非常关键。

图7、从2006年开始，远程焊接
系统被用于焊接汽车保险杠。

        本文作者M. J. Song（dkfltm3@naver.com），B. H. Jung（jeongbh@swhitech.co.kr）和M. Y. Lee（mylee@swhitech.co.kr）都来自韩国釜山Sungwoo Hitech公司的技术研究所；J. Suh（jsuh@kimm.re.kr）来自韩国机械与材料研究院。
        
        Using a remote welding system (RWS) with a high-power CO₂ laser and scanner increases welding cycle time over using a more conventional fiber-delivered laser / robot system. Because the CO₂ laser RWS has a beam focal length in excess of 800 mm from the workpiece, it is possible to reduce the welding cycle time because the mirrors of the scanner system allow positioning speeds in excess of 700 m/min. Also, the RWS has a sensor to automatically measure focal length from the workpiece, making it easy to change and check welding patterns and positioning data.
        However, with a RWS, there is no provision for applying shielding gas, which is normally required when CO₂ laser beam powers exceed 3 kW, and implementation of such a shield gas system becomes difficult. So, in a recent study, 800-Mpa class high-tensile steel sheets were welded by RWS to observe the factors influencing bead shape and penetration in response to using or not using shielding gas. Also studied were the parameters that have an effect on tensile load on auto components.