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为何汽车制造需要激光钎焊工艺?

                           发表日期:2022-9-2

现今的汽车加工领域,激光焊接是必不可少的一项工艺。激光焊接以其光束能量密度极高、加热范围小、焊缝及热影响区域窄、焊接速度快、深宽比大和焊接变形小等优点,在白车身制造领域得到广泛应用。
激光钎焊是激光焊接技术中的一种,是一种以激光为热源加热钎料融化的钎焊技术。由于激光能量密度大,可以作为热源,将焊丝材料熔化形成高温液态金属。激光光束在经过聚焦后照射到焊丝表面,在机器人的牵引下,将熔化了的焊丝材料浸润到被焊接的工业零件上。在适当的外部条件下,使已经被激光熔化的焊丝填充到要焊接的生产工件之间,使生产工件间得到很好的结合,完成激光焊接工艺。

为何汽车制造需要激光钎焊工艺?
武汉新耐视激光钎焊头

激光钎焊发展历程

从20世纪80年代开始,激光技术开始运用于汽车车身制造领域,而激光钎焊技术则在上个世纪 90 年代初首先在德国得到开发。
德国爱尔兰根大学在激光填丝钎焊工艺和过程控制方面做了大量的工作,激光器常选用光束传输和调节方便的光纤激光器和半导体激光器,钎料根据母材常选用 Cu 基钎料,主要接头形式包括对接、卷对接、搭接、卷搭接等。其最初的出发点是为了解决火焰钎焊热输入过大的问题,连接的工件主要为搭接或卷搭接形式的钢板。
激光钎焊作为激光焊接技术的一种,较之熔焊,钎焊时母材不熔化,仅钎料熔化,可以获得光滑的焊缝表面,这不仅使产品更加美观,还提高了密封性,而且显著提高了焊接区域的强度,大大地提升了整车的安全性能。目前,在国内外的汽车制造业,激光钎焊主要应用在可视的外围接合件上,如顶盖与左右侧围的连接、行李箱上下两部分的连接及流水槽等。

激光钎焊特点及分类

激光钎焊的主要特点是利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热完成钎焊过程,其关键点在于合理的控制激光功率分配。激光束汇聚在钎料上,钎料温度过高导致融化过快,而母材温度不足使钎料不能很好润湿母材,影响填充效果,钎缝成形变差。激光束汇聚在母材上,钎料温度有可能过低,导致钎料流动性或活跃性降低,母材可能过热融化,导致钎料直接进入熔池形成熔化焊,形成的脆性相也影响钎缝性能。
在激光钎焊工艺中,整个焊接系统的速度很快,而且焊缝比较狭窄,对外观也有很高的要求,焊接系统对焊接参数要求精确,同时对送丝速度,平稳性方面的要求也很高。钎料的选择也很重要。节约成本当然不用讲,还要符合设计要求,结合母材的性能,达到激光钎焊的加热条件。这就要求所选用的钎料要有合适的熔点,成分要均匀,稳定性好,与母材结合的要牢固。

根据加热温度的不同,激光钎焊分为软钎焊和硬钎焊。
钎料液相线温度低于450℃的称为软钎焊。主要用于印刷电路板电子元器件的连接。采用激光辐射加热集成电路引线,通过钎剂或预置钎料向基板传递热量。当温度达到钎焊温度时,钎剂和钎料融化,基板和引线润湿形成连接。激光软钎焊集成电路多采用YAG激光器。
钎料液相线温度高于450℃的称为硬钎焊,主要用于结构钢和镀锌钢板的连接等。激光硬钎焊在有色金属的连接上也有优势。大多数有色金属对激光的反射率较高,材料的热导率较高,激光熔化焊需要较高的功率。激光硬钎焊银、铜、镍、金、铝等有色金属有良好的效果,钎缝组织细小,接头性能良好。

激光钎焊优缺点及工艺参数

激光钎焊的优点:

  • 进行激光钎焊的母体材料本身并不熔化,仅仅是使钎料熔化。这样的好处就是生产工件的外形比较美观,密封性也很好,安全性也不错。
  • 局部加热,不易产生热损伤,热影响较小
  • 加工过程钎料无飞溅,焊缝质量高,操作工程不需要经常更换焊炬和喷嘴,节约加工成本。
  • 激光热源能量密度大,对于热输入可以控制和调节,焊接效率高,容易实现自动化。

激光钎焊的缺点:

  • 虽然理论上激光钎焊很好,但在实际生产中,工件间的焊缝质量缺陷依然会出现。
  • 激光钎焊容易出现气孔。例如母材表面不够清洁,钎焊丝与激光束交点相对位置发生改变的时候,焊缝表面都容易出现气孔
  • 有时会出现熔焊型焊缝和焊缝单边焊,或者是钎料没有填满焊缝或钎料伸出焊缝表面,以及容易出现熔焊与钎焊共存的现象。不过这几个缺陷其实不能算激光钎焊的缺点,它们都只是技术性问题。
  • 整套激光设备非常昂贵,如果投资到销量非常好的车型上去成本分摊到每辆车还不算太贵,但如果销量不好,单车成本就太高了。

激光钎焊的主要工艺参数有以下几点:

  • 激光功率。CO2激光器和YAG激光器都可以用于激光钎焊,钎焊时他们各自的特点与激光熔化焊相同。
  • 光斑直径。激光钎焊通常采用散焦光斑,光斑大小取决于钎缝宽度。
  • 钎焊速度。根据实际钎焊的要求确定,取决于激光功率,激光功率越大,钎焊速度越快。
  • 送丝速度。送丝速度大小主要考虑钎缝填充和良好成形,送丝速度与钎焊速度应匹配,提高钎焊速度的同时应提高送丝速度。

国外钎焊设备价格昂贵,而新耐视自主研发的FT3钎焊头可配置触觉跟踪系统和光学跟踪系统,能准确的跟踪焊缝位置,自动的补偿焊缝的偏差,焊接过程精确可靠,保证焊接质量。

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