激光焊接汽车保险杠

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。(end)