汽车座椅激光焊接工艺研究介绍

林中坚(上海理工大学,上海 200093)

汽车座椅激光焊接工艺研究介绍

林中坚
(上海理工大学,上海 200093)

介绍激光焊接工艺在目前汽车座椅骨架制造中的几种运用方式和相关的激光焊接设备。通过普通焊接工艺和激光焊接工艺的对比，阐明了激光焊接的优势。

汽车座椅;激光焊接

0 引言

随着激光技术的迅速发展和激光发生器成本的降低，激光焊接的运用已经越来越普及。从原先只有汽车整车厂关键岗位运用激光焊接技术演变到现在许多汽车零部件厂都在广泛应用。汽车座椅，作为汽车零部件中重要的一部分组件，其制造水平也随着汽车行业制造工艺水平的不断提高而提高。汽车座椅骨架的焊接工艺已经不再满足于传统的点焊、弧焊，激光焊接的引进使汽车座椅骨架的焊接质量及生产能力有了极大的提高。目前汽车座椅骨架上所用的激光焊接形式分成两种：一种是替代传统的电阻点焊工艺的激光搭接焊，另一种就是替代传统弧焊工艺的激光角接焊。激光搭接焊是通过小孔效应把两层叠加的金属板材上层先熔化，逐渐往下层熔化，同时激光光束与工件作相对运动，最终当熔池凝固后形成激光焊缝。激光角接焊是把两个需要焊接的零件按直角放置，激光束以15°入射角射入直角搭接处，通过小孔效应模式把两个零件直角搭接处的金属材质熔化、凝固，形成激光焊缝。这两种激光焊接形式所用的激光焊接工艺都是通常所说的激光深熔焊。激光深溶焊就是材料表面在激光作用下熔化、汽化，所产生的蒸气反冲压力将熔化材料抛出，激光作用处的熔池下陷形成小坑，光束直接作用在小坑底部，使金属进一步熔化和汽化，高压蒸气不断从坑底产生并不断向外喷发，从而使小孔进一步加深，光束也一步步深入[1]。

替代传统电阻点焊工艺的激光搭接焊工艺常用在汽车座椅二排靠背的冲压板材焊接上。传统的汽车第二排座椅靠背用点焊工艺密集地分布在金属板材的周围，使背板与加强梁在焊接后满足座椅冲击测试中18 kN外力的冲撞测试。但是由于传统的电阻点焊工艺要求及工艺参数限制，使得机器人在点焊焊接时一个焊接点的焊接时间在2.6 s左右。在焊接座椅二排靠背冲压板材时一般需要60～90个焊点，一个单件需要很长的制造时间。例如，图1为MODEL Y第二排座椅40%后靠点焊零件，焊接一个零件需59个焊点，共计165 s。激光焊接工艺的应用大大缩短了传统电阻点焊工艺所用的焊接时间，一般的激光薄板焊接速度可达到80～130 mm/s。图2为Delta后排座椅40%后靠激光焊零件，焊接一个零件需54条焊缝，共计30 s。所以，本来为了满足产能需求，需要投入5～6个机器人电阻点焊工作站，如今只需要一个机器人激光焊接单元就能满足。不仅节约了厂房的占地面积，而且节省了5～6个机器人电阻点焊工作站的操作人员。并且通过焊接拉力试验证明：一个点焊焊点平均最大拉剪力为4.5 kN,一条25 mm长的激光焊缝拉剪力为6.7 kN。通过两者的比较可知：激光焊缝的结构强度明显大于电阻点焊焊点的结构强度。

目前，大部分汽车座椅制造厂商为了满足产品设计要求、产能要求及考虑到激光的特殊性及危险性，激光焊接都是在一个相对密闭的空间中由自动化控制单元来控制完成焊接过程的，并且大多数的座椅靠背骨架激光焊接单元设计之初都选用机器人携带激光振镜头或定焦镜头连接4～6 kW大功率激光发生器来完成激光焊接工艺。以下是几种常见的激光焊接单元设备及工艺的简单介绍。

1 激光振镜镜组定点焊及飞行焊

振镜是一种特殊的摆动电机，图3为其内部构造原理。基本原理就是线圈通电，在切割磁场中产生力矩，其转子通过机械或电子的方式加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，故不能像普通电机一样旋转，而只能偏转，偏转角与电流成正比，常简称为扫描振镜。激光振镜镜组的工作原理是用数字信号进行运算来控制马达电机转动角度，激光被两片马达控制的扫描振镜反射后并且通过一片聚焦镜，可在恒定的范围内围绕着X轴、Y轴旋转，达到改变激光光束位置的目的。

目前国内市场上运用较多的激光大功率振镜镜组都是由国外厂商制造的。图4为TRUMPF公司的PFO可编程振镜组，图5为High-Yag公司的RLSK可编程激光镜头振镜组，这两种激光大功率振镜镜组目前在中国市场上被广泛地推广及应用。 随着国内科技的不断进步，许多国内的制造商也通过研究开发出了近似于国外厂商的扫描振镜镜组，但是由于与国外技术还是存在一定的差距，现国内的扫描振镜组多运用于小功率激光扫描打标焊接上。

由于激光振镜镜组自身质量在25 kg左右，一般会选择能承载力大于250 N的抓举机器人，并且由于激光焊接时光斑只有0.6 mm左右，所以会选择重复精度较高的机器人。常用的机器人型号有：图6所示的FANUC公司M-710Ic/50机器人，其承载能力为500 N、重复定位精度为±0.07 mm及图7所示的ABB公司IRB4400/45机器人，其承载能力为450 N、重复定位精度为±(0.07～0.1)mm。

当前两者都选型完成后，最终需要根据焊接工艺及产能要求来选择激光发生器。目前国内的激光发生器发展非常迅猛，但是最高的功率只能达到1～2 kW，无法很好地满足金属零部件的焊接要求。现今，市面上大功率激光发生器主要都由国外供应商供应，并且最高的功率可以达到20 kW。德国的Trumpf公司、Rofin公司及美国的IPG公司是目前在激光发生器领域及大功率激光领域发展较大的制造企业。图8为德国Trumpf公司的Trudisk系列激光发生器，图9为美国IPG公司的YLS系列激光发生器。

常用的激光振镜镜组焊接工艺有定点扫描焊接及飞行焊接两种模式。定点扫描焊接是利用激光振镜镜组快速扫描焊接的特点，让机器人携带激光振镜镜组行走到某一个需要焊接扫描范围的中心后停止，通过执行自身携带编程软件编写好的焊缝位置、焊接功率及焊接速度等实现特定范围内的激光扫描焊接。其优势在于可以使用机器人快速行走到需焊接的范围后扫描焊接，大大节省了空间运行时间。其缺点在于当被焊工件的焊缝是均匀分布而不是密集地集中在几块范围内时，需要很好地规划焊接扫描范围才能避免重复行走路径。例如：用Fanuc公司的M-710机器人携带TRUMPF公司的PFO振镜镜组来焊接Delta第二排座椅靠背60%骨架，图10为Delta后排座椅靠背60%骨架使用激光振镜焊接后的工件，此60%靠背骨架共有93条激光焊缝，零件多为1 mm厚的冲压件与2 mm厚的冲压件。 TRUMPF公司的PFO振镜镜组是可编程激光镜组，它可以在最大320×190的椭圆范围内编程激光焊缝位置，根据已编写好的程序来逐一焊接。并且此振镜镜组的焦距在z方向上有±70 mm的高度可调节[2]。根据图11中的焊缝振镜定点焊接工艺布局，用PFO需要停留12个位置才能完全覆盖93条焊缝。所以如图12所示，用Fanuc机器人携带PFO振镜镜头在被焊工件上方行走焊接。使用机器人编程时，需在激光启焊前在每个覆盖点的中心处停留0.3 s，以保证机器人精确行走到焊接位置，且不会产生抖动。这样在PFO扫描焊缝焊接时不会出现焊缝偏移的情况。当把激光焊接速度设定为100 mm/s后，此后排座椅靠背60%骨架的生产节拍为51 s。

飞行焊接模式是先通过激光振镜镜组自身携带的模拟软件进行被焊工件焊缝位置的标记、机器人行走轨迹的编程、焊接参数的设定及机器人在激光焊接过程的同步参数运行匹配。当软件模拟同步运行参数匹配成功后，把已编辑完成的程序导入激光振镜镜组本体。图13为软件模拟同步运行参数匹配成功后的振镜焊接行走过程。当所有设置参数匹配成功后，再对机器人本身的运行轨迹进行编程，使其与模拟软件中机器人行走轨迹及运行速度一致。最后，再利用激光振镜镜组快速扫描焊接的特点，让机器人携带激光振镜镜组沿着设定好的轨迹路径行走。在机器人行走的同时，激光振镜镜组读取已编辑好的程序，进行同步焊接。在焊接过程中，与机器人相连接的激光振镜镜组从一个工件上方连续地经过。这个“飞行”运动被人们称之为“飞行焊接”。机器人和激光振镜镜组实时地将它们的运动相互同步，使得机器人充分使用了空间运行时间，并真正实现了工件的三维加工。其优势在于：当被焊工件的焊缝均匀分布在机器人规划好的路径范围内时，机器人采用扫描焊接技术，由于激光束的偏移运动速度非常快，机器人几乎没有任何空运行时间，激光振镜镜组可以在机器人轨迹运行时间内进行充分的扫描焊接，激光发生器的利用率也大大提高了。图14是Fanuc机器人携带High-Yag RLSK 激光振镜镜头在工件上进行飞行焊接。

2 定焦镜组远程及近程焊接

激光振镜扫描镜组虽然有高速的扫描焊接速度及简便的焊缝编程优势，但是由于激光振镜扫描镜组极其昂贵，一个激光振镜扫描镜组的价格是普通激光定焦镜组的8～10倍，故当工件产量不是很高且激光焊接工艺不是很复杂的情况下，选用普通的激光定焦镜组。如图15所示，激光定焦镜头是把从激光源发出的光束通过准直镜调整光束、折射镜折射后再经过聚焦镜把激光光束聚焦到一个0.6 mm左右的光斑上进行焊接。图16为Prectic激光定焦镜组工作参数，由于不同聚焦镜片的焦距不同，可以在选择激光焊接工艺时使用不同的焦距长度。

在选定激光焊接定焦镜组后，根据其自身的质量来选择承载的机器人型号。通常的定焦镜头自身质量大多在5～8 kg，所以会选择轴运动最快的机器人来携带定焦镜组。

根据所需要焊接的座椅产品特性，可以把定焦镜头激光焊接工艺分成两种焊接模式：一种是选用长焦距的远程焊接模式，另一种是选用近焦距的近程焊接模式。两种模式通过选用不同焦距的定焦镜头来达到不同效果的激光焊接。长焦距的远程焊接模式通常用在汽车前座椅及后座椅靠背的搭接焊上，此优势在于通过机器人4、5、6轴的小幅摆动，激光光束可以快速移动到焊缝位置。因为使用了长焦距的定焦镜头，焊接时所产生的飞溅很少会粘到激光镜头的保护镜片上，大大减少了生产时激光保护镜片的更换频率，降低了生产成本。然而其缺点在于：由于选用了长焦距的远程焊接模式，即便机器人有微小的重复精度偏差或抖动，通过误差累计放大，最终在焊接工件处的焊缝位置会有较大幅度的偏移，且光束的位置精度无法很好地保证。通过分析远程焊接模式的优劣势，故在工件搭接焊中及焊缝位置精度要求不高的座椅靠背上选用此焊接工艺。图19为ABB 2400的弧焊机器人携带焦距680 mm的远程定焦镜组焊接模式在前座椅靠背焊接上的运用。图20为远程定焦长焦距激光焊接完成后的前排座椅靠背，可以很明显发现远程长焦距激光焊接的激光扫描区域很大。

如图21所示，长焦距的定焦远程焊接模式也可以替代振镜镜组用在二排座椅靠背的激光焊接上。通过摆动旋转速度最快的机器人第6轴及合理的程序编程，使得长焦距的定焦远程焊接模式在激光焊接速度和生产工件的节拍上可以近似于扫描振镜镜组。由于机器人在圆弧及C形的轨迹运动中无法完美地取代扫描振镜镜头双镜片伺服驱动的运动轨迹，故在这两种形状的激光焊接质量中还是存在着一定的缺陷。只有不停地优化机器人运行轨迹才能达到合格的质量。但是基于激光定焦镜组的价格远低于扫描振镜镜组这一特点，会在后排座椅靠背激光焊缝不是很复杂的情况下选用长焦距激光定焦远程扫描焊接模式。通过实验比较发现：传统的扫描振镜镜组定点激光焊接一个工件需要50 s,而图22中使用长焦距的定焦远程激光焊接模式焊接的后排靠背零件通过合理优化机器人运行轨迹后焊接一个工件可达到47 s。

通常在焊接座椅导轨、座椅调角器等精密核心零件上使用如图23所示的近距离定焦镜组的近程焊接模式。此模式的优势在于：可以精确地把激光光斑照射到需要焊接的位置，保证了激光焊接的重复准确性。其缺点在于焊接时所产生的飞溅会大量粘到激光镜组的保护镜片上，加大了生产时使用耗材的更换频率，增加了生产成本。作者利用其准确性、精确度高的优点，常在工件的角焊接中使用此种焊接模式，减少了金属零件厚板冲压时所需的焊接工艺翻边。并且此激光焊接模式相比传统的弧焊角焊接模式大大减少了热影响区域、降低了零件的热变形、节省了填充焊丝等耗材的成本及极大地提高了焊接的速度和生产效率。图24中的座椅导轨如用传统弧焊来焊接，一般的弧焊速度为8～14 mm/s，而采用近程激光焊焊接3 mm薄板时的焊接速度可达到30～50 mm/s。

3 结论

激光焊接技术已经在座椅零部件产品中得到了广泛的应用。座椅金属骨架中，无论是座椅靠背、座椅座盆，还是调角器、滑轨等座椅核心件，都是使用不同工艺方式的激光焊接来制造。激光焊接工艺的产生，很好地代替了传统点焊及弧焊工艺，使得整个座椅零部件焊接工艺有了很大的提升，零件的制造节拍也得到了很好的提高。不久的将来，随着激光焊接技术的不断发展及自动化程度的不断提高，机器人自动化激光焊接技术会在汽车座椅零部件焊接工艺中全面替代原有的焊接工艺技术。

【1】 陈武柱.激光焊接与切割质量控制[M].北京：机械工业出版社，2010.

【2】 Trumpf 公司激光发生器产品说明书[M].

【3】 Highyag公司激光焊接镜组产品说明书[M].

【4】 Fanuc公司机器人产品说明书[M].

【5】 ABB公司机器人产品说明书[M].

【6】 IPG公司激光发生器产品说明书[M].

【7】 Prectic 公司激光焊接镜组产品说明书[M].

【8】 陈根余，顾春影，梅丽芳，等.激光焊接技术在汽车制造中的应用与激光组焊单元设计 [J].电焊机,2010,40(5):32-38.

【9】 陈焕明.焊接工装设计[M].北京：航空工业出版社，2006.

Introduction of Laser Welding Technology for Car Seat

LIN Zhongjian
(University of Shanghai for Science & Technology,Shanghai 200093,China)

Several laser welding technologies and correlative equipments in the car seat frame manufacturing were introduced.Comparing with the ordinary welding process,the advantages of laser welding were illustrated.

Car seat;Laser welding

2013-11-06

林中坚(1983—)，男，在职工程硕士，主要从事机器人激光焊接技术研究。E-mail:jimmylzj@hotmail.com。