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激光焊接技术在汽车座椅制造中的应用

发表时间：2021/9/10 来源：《时代建筑》2021年8期4月下作者：陈卓彬

[导读] 汽车工业在持续发展的过程中，对加工和测试提出了更高的要求。舒适性、节能性、环保性和安全性成为推动汽车工业发展的重要指标。在现代汽车生产中，激光技术作为主要的一种加工技术，因此激光技术的发展也紧紧围绕着汽车生产这一主题。

丰田纺织（广州）汽车部件有限公司 4401111987103****1 陈卓彬广东省广州市 510000

摘要：汽车工业在持续发展的过程中，对加工和测试提出了更高的要求。舒适性、节能性、环保性和安全性成为推动汽车工业发展的重要指标。在现代汽车生产中，激光技术作为主要的一种加工技术，因此激光技术的发展也紧紧围绕着汽车生产这一主题。基于此，本文主要以汽车座椅制造为切入点，探究激光焊接技术在汽车制造领域的应用。
关键词：激光焊接；汽车制造；座椅制造
        引言：在传统的汽车座椅制造中，所采用的传统焊接工艺主要以弧焊、电焊为主。以电焊为例，其具有速度慢、易变形等缺点，在汽车工业现代化进程中已经无法满足汽车座椅制造的需求。而激光焊接技术的出现，有效解决了传统焊接工艺中存在的一系列问题，因此在汽车制造领域得到了广泛的应用。
        一、激光焊接技术原理分析
        激光焊接主要将激光当成焊接热源，使用光学振荡器利用化学能、电能等原始能量将部分不同形态的介质激发，产生相位近乎相同且波长一致的光束，这些光束具有波长单一、相位相等的特点，所以差异角非常小，在这样的情况下光束就可以传播很长的距离，所以可以通过对光束进行高度集中的方式形成激光，并应用到各大领域当中。在激光束功率密度达到一定标准的情况下，照射到金属表面的激光束会迅速升温，并在极短的时间内达到金属沸点温度，使得金属汽化，起到切断、熔断金属的效果。在金属蒸汽以相应速度离开金属熔池表面的时候，会产生一个附加应力反作用于融化的金属，使得金属向下凹陷，同时会有一个小凹坑产生。在继续加热的过程中会有一个细长的小孔形成，而在逐渐移动激光束的情况下，小孔前端融化的金属会绕过小孔并向小孔后方流去，而融化的金属在凝固之后会形成焊缝[1]。在通常情况下，使用激光焊接技术，焊缝的深度与激光功率密度有密切的关系，比如在激光功率密度较低的情况下，焊缝深度较浅，宽度也比较小。而在激光功率密度较高的情况下，所形成的熔深较大。在这样的情况下更容易形成穿透性焊缝；所以在目前的汽车座椅制造中，多使用激光焊接技术这一焊接工艺。
        二、与普通焊接技术相比激光焊接技术的优势
        与弧焊、电阻焊等普通焊接技术相比，激光焊接技术的优势有以下几种：（1）激光焊接的速度更快，最快的时候可以达到20m/min；（2）因为激光光速的光斑较小，大小在0.1mm~0.3mm左右，同时可跳接激光功率密度，进一步缩小的加热范围，同时因为激光焊接技术是一种非接触的焊接技术，所以其焊接变形以及残余应力更小，可以更好的保证焊接质量；（3）因为激光焊接具有非常小的热变形，而且不会对临近的金属产生机械扭曲作用，所以产品的强度可以得到更好的保障；（4）应用激光焊接技术能够极大缩减预留的焊接边缘，可以降低搭接宽度，也可以避免使用一些用于加强的部件，所以可以节省大量材料；（5）激光束容易聚集，光的走向能够通过光线或反射镜发生改变，也能够在工件周边进行再引导，所以该技术的具有更好的可达性，在普通焊接技术难以接近工件部位的情况下也可以利用激光光束进行焊接；（6）激光焊接技术具有的非接触性特征，可以降低对易损件的维护、更换次数，如电极杆、电缆等，在提高焊接效率、保障焊接质量的情况下，还可以节省大量成本；（7）激光焊接技术的应用，还具有净化金属熔池的功能，能够实现对焊缝金属的净化。在实际焊接的过程中，在激光光束的作用下，焊接位置的金属会融化，部分金属会汽化，因为杂质具有较高的吸光率，所以金属内部的杂质会首先汽化排出，这样就可以有效降低焊缝内的杂质含量，使得焊接质量得到了进一步保障[2]。
        三、汽车座椅激光焊接工作站的构成
        在汽车座椅制造中，激光焊接工作站的构成主要有安全房、激光器、光导和聚焦系统、焊接机器人、搬运机器人等部分。设置的安全房与其他类型的焊接工作站作用类似，都是为了保证焊接生产的安全性。
        （一）激光器
        激光器主要以输出光束为主，市面上目前的激光器有两种，分别是固体激光器和气体激光器。

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从输出光束的功率和质量来看，气体激光器与固体激光器相比更具有优势，尤其是自高功率模块化气体激光器出现后，大功率气体激光器的工作稳定性得到了进一步保障，所以在汽车座椅制造中气体激光器的应用范围更广。但是，近年来国外正加大对大功率固体激光器的研究力度，并取得了实质性成果，其最大功率高达5kw，在市场上受到了很多人的青睐。同时因为固体激光器的波长只有气体激光器的1/10左右，更有利于金属表面吸收，并且可以利用光纤进行传输，使得光导系统进一步得到了简化，因此固体激光器当前已经成为了气体激光器的主要竞争对手[3]。除了这两种激光器外，还有半导体激光器。该类型的激光器具有重量轻、转换效率高、运行成本低、使用寿命长等特点，在激光器未来发展中将会是重点研究的对象。不过半导体激光器的应用也存在一定的局限性，如光斑大、光束模式差等，所以该激光器的功率密度较低，这也是未来发展过程中需要重点解决的问题。
        （二）光导和聚焦系统
        光导和聚焦系统主要由反射镜、光纤、聚焦镜、扩束镜等部分构成，可以改变激光光束的方向和偏振状态，同时还具有聚焦光束和传输光束的效果。激光焊接质量与这些光学零件的情况有非常密切的联系，在大功率激光的作用下，各类光学部件特别是透镜性能会逐渐劣化，最终会影响激光光束的透过率。而在光导和聚焦系统表面污染的情况下，在光束进行传播的过程中会加大损耗，会对光束聚焦的质量和距离造成严重影响，最终会影响激光焊接的效果。所以光导部件的质量，直接影响着激光焊接的最终效果[4]。所以定期对光导等部件进行点检维修更换就非常重要，会直接影响生产产品的品质质量。
        （三）焊接机器人和搬送机器人
        焊接机器人的作用主要是为了实现工件和激光光束之间的相对运动，以完成激光焊接为目的。因为机器人具有六个自由度，所以能够进行多角度的柔性焊接。搬送机器人的介入，大大提高了生产的自动化程度和生产的安全性，加快生产节拍效率的同时降低人工劳动成本。
        （四）产品的焊接夹具
        在制造汽车座椅的过程中，焊接夹具主要是为了确保汽车座椅连接部位的精准性，可以避免或矫正焊接变形的问题。激光焊接夹具的设计与传统焊接夹具的设计存在一定差异。与传统焊接夹具相比，激光焊接夹具的强度更大。传统焊接受到焊接枪可达性的影响，使得其局部定位也受到了限制，最终增大了控制焊接变形的难度。而使用了激光焊接夹具之后，几乎不用考虑焊接技术的变形问题，并且可以更加均匀的对构件进行支撑，而对于那些不方便使用弧焊或电焊技术进行定位焊接，即便能焊也难以对变形部位进行控制的部位，在这个时候就充分体现出了激光焊接技术的优势。
        （五）监控系统和焊道检测系统
        在应用激光焊接技术的过程中，监测与控制是非常重要的一个环节。针对激光焊接的监控系统主要由摄像头、显示器等部分构成。可以充分利用工作站内的高速摄像机，通过外置悬臂上端的显示器，可以密切观察到焊接机器人的运行情况，从而实现对激光焊接全过程的实时监控。而焊道检测系统可快速扫描每道焊道品质状况，保证焊道达到强度要求；并且系统能储存一定数量的焊道数据，可用于后续品质调查追溯。通常为了实现多角度的焊道检测，可以将检测摄像机安装在机器人上，从而达到高自由度检测焊道品质的效果。
        结语：综上所述，与传统焊接技术相比，激光焊接技术在未来有非常广阔的应用空间，尤其是在汽车工业领域中有良好的应用。在激光焊接技术不断发展的过程中，激光焊接标准化问题也逐渐突显，这些问题主要集中在设备连接通信、不同焊接设备零部件的通用协同等方面。因此需要充分结合和吸收普通焊接技术，明确激光焊接技术的原理和优势，了解汽车座椅激光焊接工作站的主要构成和现存的优缺点，不断完善和解决座椅激光焊接工作站的残留课题，在今后的汽车座椅生产制造过程中充分将激光焊接技术的优势发挥出来。
参考文献
[1]段东磊.激光焊接技术在汽车制造中的应用现状及发展趋势[J].世界制造技术与装备市场,2019,{4}(05):38-44.
[2]孔茗,傅戈雁.塑料激光焊接技术在汽车制造中的应用[J].塑料科技,2018,46(12):68-71.
[3]谢剑和,李晶.激光焊接技术在汽车制造中的应用分析[J].科技展望,2016,26(23):146.
[4]田文卿.激光焊接技术在汽车制造中的应用价值[J].科技创新与应用,2016,{4}(05):93.