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1、华工激光在光博会：白车身顶盖激光自动焊接系统顶(0)2013-03-21 09:03:02 文章来源：OFweek 激光网华工科技公司是华中科技大学的校办企业，此前下属子公司高达 25 个，07 年实现营收仅 10 亿元，盈利能力非常有限；近年来公司通过逐步剥离医药、软件等方面业务，形成了激光装备制造产业、激光全息防伪和物联科技产业、敏感电子元器件和传感器技术产业、光通信及无源器件产业等四大板块，分别通过下属企业华工激光、华工图像、华工新高理、华工正源进行布局。华工科技 2011 年实现营业收入 22.02 亿元，同比增幅9%； 2012 年上半年即实现营收超过 9 亿元。武汉华工激光工程有限
2、责任公司是中国最大的激光设备制造商之一，是华工科技产业股份有限公司旗下的核心子公司。华工激光始终致力于为工业制造领域提供广泛而全面的激光制 造加工解决方案，制造和研发各类激光加工成套设备。“华工激光”主导产品涵盖全功率系列的激光切割系统、激光焊接系统、激光打标系列、激光毛化成套设备、激光热处理系统、激光打孔机、激光精密微细加工系统，以及固体和气体激光器及器件等，广泛应用在钢铁冶金、有色金属、汽车及零部件、航天航空、军工电子、精密仪器仪表、机械制造、模具、五金工具、集成电路半导体制造、太阳能、教育、通讯与测量、包装、鞋材皮革、 塑料橡胶、珠宝首饰、工艺礼品等行业。由“激光加工国家工程研究中心 ”
3、转制而来的“华工激光”，依托华中科技大学多学科交叉整体优势，并以设在该校的激光技术国家重点实验室的研究成果为基础，秉承“代表国家竞争力，具有国际竞争力”的企业目标，致力于以先进的激光技术改造传统产业，为我国的工业制造行业提供先进、优质、完善的激光加工成套装备。2013 年慕尼黑上海光博会（LASER World of PHOTONICS CHINA 2013）于 2013 年 3 月 19 日正式开始，本次展会在上海新国际博览中心 W1、W2、W3 举办，集中展示了激光加工与生产技术、激光器与光电子、光学与光学制造、成像与检测等方面的内容。在本次展会国外知名激光企业如 TRUMPF、Rofin
4、 、IPG 、相干、Nlight、Dilas、美国理波、美国 PRC 激光公司、GSI 等悉数到场，同时国内激光企业如：大族激光、华工激光、北京凯普林、西安炬光科技、武汉楚天激光、金运激光、安扬激光、飞虹激光、国科激光、华日精密等也纷纷展出了最新的激光产品。多年来，华工科技旗下的华工激光一直致力于激光技术在汽车行业的应用。在汽车制造过程的激光应用中，汽车白车身焊接难度最大，所以在全球领域，该项目一直被欧美企业垄断多年。而这项技术的成功应用，仅靠激光设备商是无法完成的，需要靠汽车厂家、激光设备企业、研究院所协同努力才能实现。生产车间参观汽车白车身焊接系统2009 年初，华工激光其旗下核心品牌 F
5、ARLEYLASERLAB 与神龙公司强强联手合作，自主研发研发汽车白车身焊接系统。在 2011 年，该系统在神龙的高端车型东风标致 508 中正式投入使用。该系统的正式投产，这意味着在汽车白车身激光焊接领域首次打破了德系的垄断，填补了国内空白。该套系统也作为国家重大科技专项，通过相关部门科技鉴定。闵大勇表示，汽车白车身激光焊接先进制造技术成功应用于神龙公司高端车型-“标致 508”仅仅是一个成功的开始，该技术若要在汽车行业得到更广泛的应用，则需汽车厂家、激光设备企业、研究院等协同合作，为振兴民族激光产业和民族汽车产业画上一笔浓彩。本文小编将简要介绍华工激光在光博会上展示的 FARLEY-LA
6、SERLAB：汽车白车身顶盖激光自动焊接系统（国家支撑计划）。慕尼黑光博会华工激光展台汽车白车身激光自动焊接系统汽车白车身激光自动焊接系统汽车白车身激光自动焊接系统参数宣传册汽车白车身是由所有结构件和大部分覆盖件焊接在一起形成的一个焊接总成，是汽车的主要部分，其质量对汽车整体功能有很大的影响，一般可将其分为 20 个大总成。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积，从而减少车身重量。激光焊接用于车顶外壳与框架焊接，传动转换器盖板的焊接，由 CNC 控制，其循环时间约为 16 秒，实际焊接时间仅为 3 秒，一天可连续运行 24 小时。在线白车身焊接主要用于车身
7、框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，可以提高产品设计的灵活性，降低制造成本，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，增加产品的竞争力。激光焊接可以实现钢材分子层面的结合，令两块钢板结合成一整块钢板，从而增加了结合强度，消除了板件之间的空隙，避免了摩擦。激光焊接还具有连续性，传统的点焊由多个焊点组成，会产生漏点，而激光焊接形成的焊缝牢固而连续，没有漏点。尤其可以提高白车身的刚度和焊点疲劳，主要应用部位分为顶盖与侧围、底板与侧围以及门框等处。传统的点焊存在车顶焊缝雨天漏水的问题，需要加装橡胶密封条
8、来解决漏水问题，而采用激光焊接技术则省去了橡胶密封条，同时省去了因装配质量不佳带来的漏水问题。从制造商方面考虑，传统的点焊需要将焊接的两块部件互相搭接，无形中增加了钢材的消耗量。另外，点焊存在不连续性，板件的结合面积显然没有连续焊接的激光焊接多，从而降低了车体的刚度（相对于激光焊接）。激光焊接的其它好处是可以减少材料用量、提高尺寸精度与降低成本等。采用激光焊接工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时使车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高。如今，华工激光法利莱研制成功的汽车白车身车顶盖激光焊接成型系统已经投入应
9、用到神龙汽车公司，焊接质量稳定，生产线满足在线生产的需要。现在焊接速度超过 4.8 米/分钟，将白车身快速定位、激光钎焊、焊接与搬运工业机器人应用等技术融为一体，解决了轿车车身激光焊接的工艺、工装，实现焊接质量控制，完成系统集成及焊接匹配性等，并最终在神龙汽车公司实现产品在线自动化生产。半导体激光钎焊在白车身的应用历程过去二十年里，激光被广泛引入白车身生产线。虽然沃尔沃和宝马是最早付诸行动的品牌，但大众汽车很快迎头赶上，不久就跻身于前沿，在德国沃尔夫斯堡以及世界各地的工厂安装了数百个灯泵浦 Nd:YAG 激光器。首个激光接缝是隐形焊接，主要用于缩小凸缘尺寸和减轻车身重量，并通过使用液压成形的立
10、柱使得车身结构更为结实。这些结构性焊接一直沿用至今。但是，激光接缝的优点在激光钎焊镀锌钢板时，或是对A 级表面使用填充焊丝进行激光焊接 铝板时，最为明显。对于这些表面来说，一条已准备好接受油漆喷涂、几乎无需后期处理的低度弯曲、结实的接缝，使这一加工过程变得独一无二。对镀锌钢板的 A 级激光钎焊于 1997 年被奥迪 TT 引进使用。将 C 柱连接至后围侧板，就可以将 C 柱既用于敞篷车又用于轿跑车，而在大众汽车宝来的行李箱盖上，必须冲压在两部分之上，然后予以接合。设备因素正常运行比率是汽车工厂现场设备的首要考虑因素。通常，正常运行比率要求大于99.5%，最长不超过 30 分钟的设备启动和重启时
11、长。虽然这和电信设备相差甚远（如可靠性），但对于业界激光系统来说，这是一个很大的挑战，也是初期遇到的主要问题之一。通常通过一个双管齐下的方法来解决：一套可靠的激光器，加上一个可行的备用策略。很多工厂采用所谓的“激光器农场 ”，所有用于同一条生产线的激光器都被放置在中央的环境控制地点，通常是放在楼房的夹层。现场使用的激光器通常散布在工厂各处，需要很长的光纤并通过工厂网络进行高级控制，作为光束传输解决方案。当灯泵浦 Nd:YAG 激光器还是唯一可利用的工业激光器时，这是最好的解决方案。这些系统体积庞大，效率低下，且需要频繁进行计划内和计划外的维修。最新一代工业激光器光纤耦合半导体激光器、光纤激光器
12、或碟片激光器都基于二极管，并且具备较好的固有可靠性。在新设施中，半导体激光器通常安置在激光设备附近（见图 1）。备用策略通常是基于额外的光纤和光束转换器，允许分时使用最多 6 根光纤（以牺牲周期时间为代价），在多个激光设备或车身两侧工作，以免系统运行中断。备用设备安装在连铸机上，当一个激光器出现故障，就可以快速地将备用的激光器移到激光设备旁，从而解决了在生产车间维修故障激光器的时间问题。几千瓦激光器安装在连铸机上，解决了汽车业的另一需求。只有提高了电光转换效率才可能设计出比美国家用冰箱更小的激光器。碟片激光器和光纤激光器的电光转换效率分别是 25%和 30%，而用于钎焊的光纤耦合半导体激光器，
13、其电光转换效率能够超过 40%。这缩小了激光器内的辅助部件（如电源供应和冷却系统）的尺寸，因此缩小了整体体积。这也意味着可以将冷却装置放置在内部或邻近激光发生器；和灯泵浦系统相比，大大降低了对外部冷却的需求。钎焊速度的提高半导体激光器首次作为钎焊工具是应用在生产奥迪 A3 的后挡板。通常的加工速度是 2.4 米/分钟。为了提高生产量，大众汽车制定了在不影响质量的前提下提高钎焊速度的目标。在大众汽车位于沃尔夫斯堡的途安汽车生产线，对于 Nd:YAG 激光器和光纤耦合半导体激光器的加工过程做比较。现有的 YAG 激光器使用散焦光束，而新型半导体激光器用的是聚焦光束，焦点直径为 3.2 毫米。半导体
14、激光器的使用提高了钎焊速度和接缝质量。在均匀分布的激光束焦点内工作，就能够在接缝部件范围内取得更好的功率密度分布。通过使用 6 千瓦半导体激光器，能够减少 75%的边缘切口，最大处理速度能够增加到每分钟 4.4 米。大众决定将途安汽车钎焊应用中使用的所有 YAG 激光器换成半导体激光器。铝表面利用同样的加工方法，使用填充焊丝焊接铝制白车身结构是很多汽车公司在解决接缝铝板问题时必然采取的步骤。接缝模式几乎完全一样，也使用同样的加工头。图 2 显示了用于行李箱盖应用的试验装置，试验中使用了光纤耦合半导体激光器，并带有一个触觉加工头。半导体激光器在焊接铝材接缝时具有独特的优势：二极管激光器的波长范围
15、是 900-1060 纳米，非常接近于铝的吸收峰值，而碟片激光器的波长是 1030 纳米，光纤激光器的波长范围是 1070-1080 纳米。经过多年的发展计划，奥迪决定使用带有光纤（400微米）的 4 千瓦半导体激光器来焊接 Q5 汽车的后挡板，并且正在其生产平台上运行这套系统。Kuka 北美公司已经根据不同的接缝要求，成功使用 4 千瓦/400 微米激光器和 6 千瓦/1000 微米激光器。通常的焊接速度是每分钟 3 到 4 米。1000 微米的光纤激光器对于边搭焊尤为实用，边搭焊要求极小的焊接强度，甚至背面不需要焊接（见图 3）。Laserline 公司位于德国的应用实验室已经开展了广泛的多缝试验，证明了焦点位置和焊接角度有些许变化对半导体激光焊接工艺影响不大。试验还显示了光纤耦合半导体激光器对于背向反射的耐用性。为了满足汽车制造厂的高可靠性要求，一项近红外激光器的新成果正在为汽车车身的设计带来新的机会。半导体激光钎焊零件能够满足可视化接缝光学质量的最高技术规范，而无需额外的后期处理。光纤耦合半导体激光器凭借其工艺，以极其稳定、速度快、可靠性高以及成本优势等特点，为许多新的白车身应用所采用。
