早在40多年前，激光就已經(jīng)出現(xiàn)，顯示出強大的功能，激勵著世人。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，激光技術(shù)已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在汽車工業(yè)中，激光技術(shù)是獨一無二的。激光焊接、激光鉆孔和激光標(biāo)記被廣泛使用。
1、激光技術(shù)的定義
激光是20世紀(jì)60年代的新光源。具有單色性好、指向性強、亮度高的特點。發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)有上千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外線。激光技術(shù)利用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束，使其集中在聚焦裝置中，產(chǎn)生能量巨大的光束。如果焦點靠近工件，工件會在幾毫秒內(nèi)熔化蒸發(fā)。這種效應(yīng)可用于焊接技術(shù)。
2、激光焊接技術(shù)的可行性
一般來說，激光器是根據(jù)不同的工作材料來分類的，比如半導(dǎo)體(GaAs，InP等。)激光器，固態(tài)(Nd:YAG等。)激光、氣體(二氧化碳、氦-氖等。)激光、液體(可調(diào)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氣為發(fā)光粒子，是應(yīng)用最廣泛、種類最多、激發(fā)方式最多樣化、激光波長分布區(qū)域最廣、易于實現(xiàn)高功率連續(xù)輸出的激光器。固體激光器是將產(chǎn)生激光的粒子混入固體基質(zhì)中，其濃度高于氣體，因此可以獲得比較大的激光能量輸出，具有能量高、峰值功率大、機構(gòu)緊湊、堅固耐用等特點。這兩種受激物質(zhì)的激光主要用于激光焊接。
激光焊接技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用穩(wěn)步增長，從脈沖到連續(xù)，從低功率到高功率，從薄板到厚板，從簡單的單縫到復(fù)雜形狀。激光焊接在不斷進化的過程中逐漸成為一種成熟的現(xiàn)代加工技術(shù)。激光焊接可分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接。在連續(xù)焊接中，可分為熱傳導(dǎo)焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的增加，特別是大功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光深熔技術(shù)在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，最大焊接深寬比達到12: 1。激光焊接材料也從普通低碳鋼發(fā)展到今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板、陶瓷材料，激光焊接速度達到了每分鐘幾十米。激光焊接技術(shù)日益成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線，如汽車生產(chǎn)線。
據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，在發(fā)達的工業(yè)國家美， 歐，50%-70%的汽車零部件都是用激光加工的。其中激光焊接和切割是主要的方法，激光焊接已經(jīng)成為汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工藝。汽車車身覆蓋件激光焊接可以將不同厚度、不同表面涂層的金屬板焊接在一起，然后壓制，使覆蓋件結(jié)構(gòu)達到最合理的金屬組合。激光焊接速度在4.5m/min左右，變形小，省去了二次加工。激光焊接加快了用沖壓零件替換鍛造零件的過程。通過激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強件，還可以壓縮車身結(jié)構(gòu)本身的體積。僅車身重量就能減輕56kg。激光焊接用于焊接車頂外殼和框架，以及傳輸轉(zhuǎn)換器的蓋板。它由數(shù)控系統(tǒng)控制。其循環(huán)時間約為16秒，實際焊接時間只有3秒。可以一天24小時連續(xù)運行。激光束用于焊接汽車變速箱總成和底盤，焊接速度快，易于自動控制，易于集成到柔性制造系統(tǒng)中。激光束改善了制造商的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)周期，降低了成品的廢品率。
3、激光焊接機在汽車工業(yè)中的應(yīng)用
激光焊接機可以給汽車制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，比如汽車車身裝配中的大量點焊。兩個焊頭夾在工件邊緣進行焊接時，法蘭寬度需要16mm，而激光焊接是單邊焊接，只需要5mm。如果采用點焊作為激光焊接機，每輛車可節(jié)約鋼材40kg。兩個0.8mm鋼沖壓件采用傳統(tǒng)點焊焊接，平均20點/分，焊接距離25mm，即速度0.5m/min，激光焊接速度可達5m/min以上。采用激光焊接機技術(shù)不僅降低了成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。目前一套千瓦級激光加工機器人系統(tǒng)只需要幾十萬美元，新型激光器的安全性和可靠性也有保證，其停機率僅為2%，防護措施極其可靠。激光焊接時，工件的接觸面需要緊密配合，在技術(shù)上不容易實現(xiàn)。但目前先進的夾緊方式和適合激光焊接的法蘭設(shè)計解決了這個問題。隨著激光焊接機技術(shù)的逐漸成熟，各大汽車廠商無一例外地將激光焊接應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線。
美國是第一個將高功率激光引入汽車工業(yè)的國家。美國汽車工業(yè)中心底特律，有40多個激光加工站，用于切割汽車金屬零件和焊接齒輪，從而將汽車的改裝從5年縮短到2年。美國汽車公司采用了22條激光加工生產(chǎn)線，美國福特汽車公司采用Nd:YAG激光結(jié)合工業(yè)機器人焊接車身，大大降低了制造成本。2000年，美國三大汽車公司50%的電阻點焊生產(chǎn)線被激光焊接生產(chǎn)線取代。在日本，激光焊接在生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用引起了全世界的關(guān)注。比如汽車車身制造中的激光焊接薄鋼板再沖壓的新方法，世界上大多數(shù)汽車制造商都在沿用。世界上許多著名的汽車公司都建立了專門的激光焊接生產(chǎn)線：蒂森鋼鐵公司的汽車地板拼焊生產(chǎn)線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)線，奔馳汽車廠18個工廠中有8個安裝了激光加工設(shè)備。
激光焊接機在汽車工業(yè)中主要用于汽車車身焊接和拼接毛坯焊接。為了滿足市場和客戶的需求，需要對車身和制造工藝進行改進，車身價值約占汽車總價值的1/5。激光焊接工藝可以顯著提高車身的抗沖擊性能和抗疲勞性能，提高汽車的質(zhì)量。由于激光焊接由計算機控制，具有很強的靈活性和機動性。可以焊接門板、擋板、齒輪、儀表板等特殊形狀的零件。它還可以完成車頂和側(cè)墻、發(fā)動機框架和散熱器框架等的裝配。如果加上光纖傳輸系統(tǒng)和機械手，可以實現(xiàn)自動化的汽車裝配線。利用光纖傳輸約3KW的Nd:YAG連續(xù)激光器、點焊系統(tǒng)和生產(chǎn)線上的夾具可實現(xiàn)自動焊接。通用，奔馳，等。采用了這一系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于最新型號的生產(chǎn)線。激光焊接系統(tǒng)幾乎可以滿足完美加工的要求，并在效率、經(jīng)濟性、安全性、強度和耐腐蝕性方面具有優(yōu)異的性能。
汽車的車身和底盤由300多種零件組成。幾乎所有材料無論厚度、品牌、類型、等級都可以通過激光焊接焊接在一起，制成各種形狀的零件，大大提高了汽車設(shè)計的靈活性。拼坯是在充分分析車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對零部件進行優(yōu)化設(shè)計，使其可以由幾個典型的毛坯焊接而成，大大減少了模具數(shù)量，提高了材料利用率。而且不同厚度的坯料可以用在不同強度要求的零件上，可以一次沖壓成型，減輕了重量，提高了精度，耐腐蝕和安全性能大大提高，車身結(jié)構(gòu)也大大簡化。豐田側(cè)圍生產(chǎn)線采用拼接毛坯焊接技術(shù)，模具數(shù)量減少到4個，材料利用率達到65%。加上其他部件，每輛車的成本降低了30多美元，大大增加了汽車制造商的收益。
目前在國外，德國大眾公司的奧迪A6、高爾夫A4、帕薩特等品牌的車頂都是激光焊接，寶馬、通用公司的車架頂部也是激光焊接。通用、豐田、福特、寶馬、菲亞特、奔馳、大眾公司均采用激光拼焊板技術(shù)，而美國三大汽車公司和奔馳公司在德國采用激光焊接傳動件。大眾公司、通用公司、奔馳公司和日產(chǎn)公司應(yīng)用了激光切割技術(shù)，菲亞特公司和豐田公司應(yīng)用激光涂覆發(fā)動機排氣門，大眾公司應(yīng)用激光表面硬化發(fā)動機凸輪軸。
在中國，來自國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)車輛，如帕薩特， 別克， 奧迪，等。全部采用拼焊板進行激光焊接，國內(nèi)對激光焊接技術(shù)的改造已經(jīng)開始，國內(nèi)率先采用激光焊接技術(shù)(代替激光焊接)。走在前列的是一汽大眾，而一些國內(nèi)汽車制造商正在逐步采用這項技術(shù)。目前一汽應(yīng)用激光技術(shù)大眾， 一汽奧迪A6頂蓋和寶來后蓋采用激光焊接，速騰車身頂蓋和后蓋采用激光焊接，焊接長度超過30米。一汽使用的設(shè)備是德國Hassya G3 KW激光器和Kuka機器人，一汽汽車公司的車身板件是用激光切割的。使用的設(shè)備是德國， Arnold 3kw三維五軸CO2激光加工機一汽底盤零件廠制動蹄片激光硬化，使用的設(shè)備是國產(chǎn)2KWCO2激光加工機，一汽模具中心薄板激光切割，使用的設(shè)備是國產(chǎn)1.5KWCO2激光加工機。隨著激光焊接技術(shù)的成熟和激光焊接機價格的下降，中國的奇瑞汽車也開始采用激光焊接技術(shù)。
4、激光焊接機技術(shù)的前景
激光焊接機技術(shù)對傳統(tǒng)的汽車焊接技術(shù)產(chǎn)生了沖擊，各大汽車公司對此都持非常積極的態(tài)度。采用新技術(shù)意味著更強的競爭力，尤其是在競爭激烈的汽車行業(yè)。激光焊接技術(shù)在焊接鋁材、用焊接件代替鑄件、焊接整體車身框架結(jié)構(gòu)等方面的應(yīng)用前景最大。激光器廠家要抓住商機，在激光器的機動性和體積上下功夫，用光纖傳輸激光，讓激光器更適合汽車生產(chǎn)線的需要。國內(nèi)一些激光產(chǎn)品的廠商也逐漸意識到了這一點。如東莞市創(chuàng)鴻激光智能科技有限公司生產(chǎn)的激光焊接機，采用光纖耦合聚焦，使用方便。激光頭可遠離焊接區(qū)域，激光性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。它也可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)。該激光焊接機可用于激光焊接、激光切割和打孔，一機多用，特別適用于激光加工車間和自動化生產(chǎn)線。
5、總結(jié)
21世紀(jì)汽車工業(yè)正在步入能按照用戶要求進行柔性模塊式生產(chǎn)的方式，傳統(tǒng)加工工藝不能滿足新生產(chǎn)方式的需要，這給激光焊接技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了一個機遇，激光焊接技術(shù)及其他激光加工技術(shù)在汽車領(lǐng)域中一定會有更大的發(fā)展，成為汽車工業(yè)中重要的加工方法。
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