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汽車制造

新能源汽車激光焊接難點解析

星之球科技 來源:《國際工業(yè)激光造商情》2021-06-07 我要評論(0 )   

隨著全國各地環(huán)保政策的大力推行,新能源汽車行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢。相比技術(shù)成熟的傳統(tǒng)車型,盡管新能源汽車已向市場推出多年,但相關(guān)的制造技術(shù)仍待改進。在...

隨著全國各地環(huán)保政策的大力推行,新能源汽車行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢。相比技術(shù)成熟的傳統(tǒng)車型,盡管新能源汽車已向市場推出多年,但相關(guān)的制造技術(shù)仍待改進。在新能源汽車生產(chǎn)環(huán)節(jié),核心是電池pack制造。針對鋁合金和電機焊接,BINZEL賓采爾根據(jù)行業(yè)技術(shù)難點,結(jié)合不同客戶的實踐反饋,推出了包括填絲焊接頭、激光遠程焊接頭在內(nèi)的焊接設備和激光技術(shù)解決方案,被國內(nèi)頭部新能源車企所采用。

鋁合金焊接缺陷及解決方法
目前,激光焊接鋁合金部件時容易出現(xiàn)兩大工藝缺陷,一是裂紋(熱裂紋),二是氣孔(氫氣孔)。這兩大缺陷是目前鋁合金激光焊接中遇到的常見難題。與普通材料焊接相比,在鋁合金焊接過程中,合金含量的比例是產(chǎn)生熱裂紋的主要誘因。


以6061鋁合金為例,其硅含量是0.4%-0.8%,鎂含量是0.8%-1.2%。從裂紋敏感性圖可以看到,硅含量在0.4%-0.8%范圍內(nèi)是處于高敏感性區(qū)域;同樣,鎂含量在0.8%-1.2%內(nèi)也是處于高敏感性區(qū)域。因此,從合金含量分析的角度看,6系鋁合金容易產(chǎn)生熱裂紋的根源是合金含量(硅、鎂)處于高敏感性區(qū)域。
因為合金元素的存在,使得鋁在凝固時容易形成低熔點共晶,即鋁硅和鎂硅。低熔點共晶的強度比鋁或鋁合金弱也更脆,容易形成熱裂紋。相比6061鋁合金,4047鋁合金就不易形成低熔點共晶,因其硅含量(1.2%)和鎂含量(0.1%)都處于低敏感性區(qū)域。


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激光焊接鋁合金缺陷之熱裂紋


解決低熔點共晶問題,主要方法是通過在高系鋁合金中填充低系金屬,通過填絲改善焊接接頭處的合金含量,從而避免焊縫裂紋。比如在對高系金屬焊接時(6系和6系),加入低系金屬后,讓其鎂硅含量混合后處于低敏感性區(qū)域,大大降低裂紋產(chǎn)生的概率。


改善熱裂紋的另一種方法是使用激光遠程焊。因激光遠程焊的熔池小,熱輸入量小,所以也同樣能起到降低熱裂紋產(chǎn)生的作用。同時,激光遠程焊還可以通過熔池攪拌使晶粒更細致,從而實現(xiàn)增強強度的效果。另外,攪拌還能讓氣體更易溢出,減少氣孔的產(chǎn)生。但在為激光遠程焊加振鏡時,需要選擇一個合適的參數(shù)。如果參數(shù)不合適,焊接產(chǎn)品的不合格率也同樣會高。


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激光焊接鋁合金缺陷之氣孔

說完焊縫裂紋,第二個主要缺陷是氣孔。激光焊接的氣孔來源主要有兩個,一是氫氣孔,二是保護氣體產(chǎn)生的氣孔。因為氫氣很容易混進液體中,如果焊接板材夾雜了水或者其他含氫的物質(zhì),就容易產(chǎn)生氫氣孔。保護氣體產(chǎn)生氣孔是因為焊接速度過快,快速凝固后不易讓熔池底部的氣體溢出,因此也會形成一些微小氣孔。
對于改善氣孔的產(chǎn)生,核心是減少水汽的來源。第一要保證來料的干燥,第二是保證保護器的干燥,第三保證環(huán)境濕度足夠低,這樣就能夠有效減少水分的來源,從而減少氫氣孔的產(chǎn)生。

填絲焊接解決方案
在生產(chǎn)過程中,通過填絲焊可以有效改善裂紋。通常情況下,焊接填絲裝置是由熔焊頭、送絲機,以及跟蹤監(jiān)視需要的視覺識別系統(tǒng)所組成。BINZEL賓采爾與SCANSONIC聯(lián)合開發(fā)推出了ALO4填絲焊接方案,具備了接觸式焊縫跟蹤、TA-motion導絲模塊、Auto-focus自動對焦、重力補償模塊、保護器裝置、Sceye焊接過程監(jiān)控、PGM保護玻璃監(jiān)控、FOM-motion焊絲對中、MF3-laser高速精密送絲機。

接觸式焊縫跟蹤
接觸式焊縫跟蹤與CCD圖像識別不一樣。通常情況下,激光從光路出來后與送絲匯合,激光熔覆熔化焊絲,焊絲熔池鋪在母材上。BINZEL賓采爾解決方案的區(qū)別是多了一個擺臂,擺臂能跟隨機器人的行進沿著焊縫邊緣跟蹤。在跟蹤過程中,電機能實時感應跟蹤力度,始終緊靠焊縫,保證焊接路徑按照程序設定進行。
在托盤和模組焊接中,因其焊縫基本都是直邊,同時還有T型焊縫和角焊縫,采用接觸式焊縫跟蹤可以很好地跟蹤托盤和模組的焊接進程。平面Y方向上的跟蹤范圍是±15mm,力度是±5N。操作人員還可以在跟蹤過程中調(diào)用4個不同的參數(shù),以適應不同的跟蹤情況。


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合金元素與裂紋敏感關(guān)系圖


TA-motion導絲模塊
為解決激光頭容易將鋁焊絲折彎的情況,BINZEL賓采爾開發(fā)了具備TA-motion模塊的焊接頭,可以根據(jù)焊絲的粗細和軟硬度,調(diào)整焊絲跟蹤的力度。如焊絲的材質(zhì)偏軟如鋁材,TA-motion會給出一個反向作用力,抵消鋁焊絲向下的重力,從而能很好地切合在加工平面上。對于材質(zhì)較硬的焊絲,TA-motion同樣也能給出一個下壓力,讓其緊貼加工平面。

Auto-focus自動對焦
對于焊接不同高度的焊縫,BINZEL賓采爾的Autofocus(自動對焦)模塊配合TA-motion,可以在不同高度上確保焦點和光斑一致。遇到焊接平面有高度變化時,TAmotion模塊會上下浮動,Auto-focus模塊則根據(jù)TA-motion模塊浮動,通過準直鏡組保持光斑恒定,因此光斑在不同的高度可以始終保持一致。這對于鋁合金焊接,尤其在轉(zhuǎn)角和直角焊接上十分適用。另外,Auto-focus模塊的另一個強大功能是,操作人員可以通過設定不同的光斑大小,實現(xiàn)不同方向的光斑大小。


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發(fā)卡電機


Sceye焊接過程監(jiān)控
該功能對工藝分析和調(diào)試的幫助很大,其三個功能是表面質(zhì)量監(jiān)控、交互信號監(jiān)控和焊接過程追溯。Sceye功能的本質(zhì)是一個內(nèi)置激光光路的攝像頭。當焊絲跟蹤超出范圍時,激光頭會及時斷光。Sceye軟件還會自動記錄焊絲跟蹤,工程師也可以從軟件中調(diào)出視頻查看。


在前期調(diào)試過程中,工程師通過Sceye軟件能很快找到焊接過程中遇到的問題,通過直觀的視頻記錄分析具體問題,并做出馬上調(diào)整。

FOM-motion焊絲對中
在對模組和托盤焊接時,由于焊接機器人姿態(tài)變化較多,送絲管的位置一直在變,導致絲和光在不同位置時的中心點不重合,如果發(fā)生較大偏差,焊接質(zhì)量就難以保證。引入光絲對中模塊,就能保證無論機器人在何種位置都能確保光絲中心重合,從而保障了產(chǎn)品的良品率。


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RLW-S光路設計原理


近年來,BINZEL賓采爾還開發(fā)了送絲機產(chǎn)品,MF3-laser高速精密送絲機擁有5%以下的送絲誤差,最高速度可達10m/min,適用0.8mm-1.6mm焊絲。除了ALO4標準焊接頭外,BINZEL賓采爾還推出了其特殊型號。如ALO4-L針對焊接空間狹小的場景,ALO4-FLAT適用托盤/模組上的垂直焊縫,ALO4-vario則適合解決對焊縫質(zhì)量要求較高的場景。

激光遠程焊接解決方案
BINZEL賓采爾在激光遠程焊接解決方案上的產(chǎn)品是RLW-A。相比其他廠商的激光遠程焊接,RLW-A的設備結(jié)構(gòu)更復雜,具備了實時跟蹤技術(shù)、振鏡后置技術(shù)、超快振鏡、自動間隙補充,還有Sceye焊接過程監(jiān)控和PGM保護玻璃監(jiān)控。


實時跟蹤技術(shù)基于三角測量原理,RLW-A使用三角測量法的傳感傳感器,一道激光打到被測物體上,同時被旁邊的CCD矩陣接收,通過接收激光能計算出被測物體的位置,同時繪制出被射物體的形狀,并得到6D數(shù)據(jù),包括XYZ三個方向以及6個軸的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。


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RLW-S焊接系統(tǒng)操作界面


在RLW-A上前置了三道線檢測焊縫,后面還有一個激光檢測點。提前測量并后置10mm焊接,就可以在焊接時得到非常好的效果。同時,RLW-A不需要補光燈,可以在0-90度進行焊接。RLW-A的測量精度達到0.1mm,最快測量速度是7m/min,適用于大部分焊接要求。


另外,用戶在RLW-A上還能看到BINZEL賓采爾全新的光路設計。目前,市面上的激光頭大多是基于F-Theta大場鏡的光路原理,先通過震蕩再通過物鏡聚焦,最后使光斑聚焦在工件上。這種聚焦物鏡的優(yōu)點是工作面大,仿造成本低,產(chǎn)業(yè)鏈較成熟。但追求大場鏡的后果是功率密度和準度的降低,從而導致聚焦的光斑容易失真。
RLW-A的光路設計原理,采用了尺寸較小的聚焦物鏡,這樣就能在很小的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)對功率的精確控制。因此,對于焊接要求比較高的鋁合金焊接上,這種光路設計就非常有用。精確的功率控制得到的是穩(wěn)定輸出的焊縫質(zhì)量。


由于大場鏡更換成本較高且耗氣量大,因此對于企業(yè)而言不是一種經(jīng)濟型的解決方案。盡管RLW-A采用的是小場鏡,但結(jié)合上述談到的實時跟蹤技術(shù),就能在一個較大的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)快速的焊接速度和優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。


RLW-A的小場鏡具有均勻的功率分布,同時使用的是一塊超快振鏡,擺動頻率高達1000Hz,振動范圍是±1mm。小場鏡與超快振鏡的組合,可以在振動軌跡上實現(xiàn)功率大小的精確控制,均勻的振動波形也減少了裂紋的產(chǎn)生。


間隙補償功能基于三角測量技術(shù)。三角測量技術(shù)能夠測量出焊縫的6D數(shù)據(jù),所以當焊縫有間隙時就能被測量到。同時,激光頭搭載了內(nèi)置算法,當檢測到焊縫變寬時會自動增加功率和振幅,從而更多地從熔覆上補償間隙。


在實驗演示中,工程師采用了1.5mm的6082鋁合金,補償?shù)淖畲箝g隙可以達到0.6mm。通過多熔覆上板以補償間隙。這種方法對于模組焊接比較適用,因為在裝配過程中多少都會有誤差產(chǎn)生,這時就可以通過激光遠程焊接的方式補償間隙,避免模組報廢。


Sceye功能在激光遠程焊接上與填絲焊相似,但在遠程焊接上還帶有機器算法的功能,因此能自動判定焊縫的好壞。結(jié)合ALO4和RLW-A,對于客戶而言,需要根據(jù)實際需求選擇具體的激光加工方式。如果需要焊接效率高,那么激光遠程焊接比較合適;如果焊接的板材較厚,則推薦使用填絲焊接。


發(fā)卡電機焊接解決方案
發(fā)卡電機是近兩年才興起的一個名詞,英文名叫Hair-pin motor。發(fā)卡電機最先在豐田第四代Pruis、雪弗蘭Volt和特斯拉上應用。相對于傳統(tǒng)電機采用圓形漆包線繞組,發(fā)卡電機用銅條代替,從而獲得更高的效率、功率密度和電機散熱率。


目前發(fā)卡電機之所以沒有普及,主要原因是在自動化程度和生產(chǎn)方面有很高的要求。發(fā)卡電機的焊接難點首當其沖的是材料焊接,因為“發(fā)卡”是由銅組成,如果焊接采用的是1000nm左右的近紅外波段,銅的高反射率導致材料很難吸收激光能量。


對此,有的廠商采用600nm左右波段的綠光焊接銅。由于銅在高溫狀態(tài)下的吸收率較高,所以通常需要使用強激光加工,但這又會帶來飛濺的問題,成為生產(chǎn)中的焊接難點。第二個問題是氣孔,因為銅的流動性較差,液體張力形成熔池的時候會造成內(nèi)部氣孔塌陷。另外,如果焊接速度過高,也會使氣孔不易溢出,形成氣孔。
發(fā)卡電機的第二個焊接難點是絕緣層燒損,這是由于電機自身設計決定的。因為絕緣層就在Hair-pin的下面,而且銅的熱傳導率很高,如果輸入熱量過大就會容易造成絕緣層燒損。如果使用的是小尺寸發(fā)卡電機,那么Hair-pin的尺寸更短,對焊接的挑戰(zhàn)更大。


最后還需要考慮焊接夾具的問題。當焊接200-400個Hair-pin時,焊接時的精準定位也是一大挑戰(zhàn)。此外,發(fā)卡電機對平面和高度的錯位要求特別嚴格,XY方向上的錯位需要控制在0.1mm以內(nèi),Z方向上的錯位需要控制在0.5mm以內(nèi)。


如果Hair-pin組件中的一個模塊出現(xiàn)焊接缺陷,沒有達到工藝要求,整個發(fā)卡電機就要報廢。因此,穩(wěn)定的輸出和識別缺陷技術(shù)對于生產(chǎn)發(fā)卡電機,顯得尤為重要。目前,多數(shù)廠商采用的是普通熔焊頭外接視覺識別系統(tǒng)的組合方式,但這種方法只能捕捉到平面數(shù)據(jù),而不能顯示高度數(shù)據(jù)。如果Z方向上存有誤差,焊縫質(zhì)量難以保證。同時,該方法還十分依賴夾具的定位。


對此,SCANSONIC推出了全新的電機焊接解決方案RLW-S。RLW-S具備增強型圖像識別、高速穩(wěn)定振鏡、智能補償算法、焊后檢測和經(jīng)濟性的特點。增強型圖像識別技術(shù)包含灰度識別和三角測量,三角測量能獲得XYZ方向上的數(shù)據(jù),灰度測量能識別平面的形狀,兩個攝像頭的數(shù)據(jù)結(jié)合能夠得到完整的6D數(shù)據(jù),兩種識別方式互不干擾。


對于材料的焊接問題,其實通過振鏡解決,當焊接速度大于20m/min時不會有飛濺產(chǎn)生,但需要穩(wěn)定的焊接振鏡才能實現(xiàn)。另一個方法是通過智能補償算法解決,與RLW-A的間隙補償功能相似,但卻更智能。對于高度和平面上的不同落差和間隙,智能補償算法都能通過內(nèi)置算法實現(xiàn)精準的補償焊接。


RLW-S除了焊接發(fā)卡電機外,還在Busbar電極焊接上表現(xiàn)優(yōu)異。因為Busbar電極采用的是鋁或者鋁銅合金的材質(zhì),同時也需要焊縫識別。


在RLW-S焊接界面截圖上,焊接件是一個熱交換器,每焊完一處系統(tǒng)會自動算出一個評分,如果焊縫質(zhì)量達不到要求還會自動報警。軟件能實時顯示焊縫的平面數(shù)據(jù)和6D數(shù)據(jù),這也是三角測量的優(yōu)勢。因此,RLW-S正是通過增強型識別、高速穩(wěn)定振鏡、智能補償算法、焊后檢測和經(jīng)濟性,從而保證生產(chǎn)和測量的穩(wěn)定性。



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