淺議激光焊接工藝的質(zhì)量控制

孫偉

[摘 要]激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡稱，由于其獨(dú)有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來，其在工業(yè)加工中的應(yīng)用十分廣泛，成為未來制造系統(tǒng)共同的加工手段，其激光焦點(diǎn)的功率密度為104～107W/cm2，加工工件置于激光焦點(diǎn)附近進(jìn)行加熱熔化，熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強(qiáng)弱程度主要取決于激光作用材料表面的時(shí)間、功率密度和峰值功率。這種焊接工藝在未來工業(yè)事業(yè)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用與研究。

[關(guān)鍵詞]激光焊接 質(zhì)量控制 工藝加工

中圖分類號(hào)：TE838 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）21-0385-01

1 引言

激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。

1.1 激光焊接的一般特點(diǎn)

激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機(jī)械加工相比較，有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）激光束激光焦點(diǎn)光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度合金材料；

（2）激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。激光束能量可調(diào)，移動(dòng)速度可調(diào)，可以多種焊接加工；

（3）激光焊接自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接；

（4）激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理；

（5）激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件；

（6）激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實(shí)現(xiàn)各方向變換；

（7）激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便；

（8）激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。

1.2 汽車構(gòu)件及復(fù)蓋件的組合

轎車車身都采用金屬構(gòu)件和復(fù)蓋件的分塊組合。將各種預(yù)先制好的結(jié)構(gòu)件，例如風(fēng)窗立柱門立柱、門上橫、前后冀子板、前后圍板、頂蓋等零部件通過焊接和鉚接的方式進(jìn)行組合裝配。其中焊接是汽車裝配流水線上不可缺少的工序。車身焊接主要有電阻電焊、縫焊、二氧化碳焊等方式。電阻電焊通過施加在點(diǎn)焊電極上的電流將零件的接觸表面熔化，然后在壓力作用下連接在一起，主要用于車身構(gòu)件及車架的焊接。激光打標(biāo)機(jī)，激光打標(biāo)機(jī)縫焊用滾輪電極代替電阻電焊的點(diǎn)焊電極，滾輪電極傳遞焊接電流和壓力，其轉(zhuǎn)動(dòng)與零件的移動(dòng)相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生連續(xù)的焊縫，主要用于密封性焊接或縫點(diǎn)焊工件，二氧化碳焊是一種電弧焊，即局部加熱來熔化和連接零件而不需要施壓的一種焊接方法，在電極與工件之間的電弧作為熱源，同時(shí)施加二氧化碳遮住電弧和熔化區(qū)，使之與大氣隔開，主要用于車身蒙皮的焊接。

2 激光焊接工藝與方法

2.1 雙、多光束焊接

雙、多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時(shí)將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。在激光焊接中，光束焦點(diǎn)位置是最關(guān)鍵的控制工藝參數(shù)之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。在實(shí)際激光焊接中，為了避免和減少影響焦點(diǎn)位置穩(wěn)定性的因素，需要專門的夾緊和設(shè)備技術(shù)，這種設(shè)備的精確程度與激光焊接的質(zhì)量高低是相輔相成的。

2.2 激光電弧復(fù)合焊

激光電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時(shí)對(duì)焊縫的成分和組織控制困難。而激光-電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法，利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對(duì)焊接特種材料或異種材料有重要意義。

激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光-電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對(duì)稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對(duì)稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。

2.3 激光技術(shù)采用偏光鏡反射

激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，如果焦點(diǎn)靠近工件，工仵就會(huì)在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應(yīng)可用于焊接工藝。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類，激光打標(biāo)機(jī)，激光焊接機(jī)。一類是固體激光器，又稱Nd：YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁柘榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd：YAG激光器波長為1.06μm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3-4千瓦的Nd：YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6μm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2-5千瓦之間。

3 激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制

激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法，針對(duì)不同的激光焊接過程和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過程。

3.1 激光焊接過程監(jiān)測(cè)

利用各種傳感器對(duì)激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測(cè)是常用和有效的方法。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同，激光焊接質(zhì)量檢測(cè)主要包括以下幾種方式：

（1）光信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象為激光焊接過程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測(cè)裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測(cè)、側(cè)面檢測(cè)和背面檢測(cè)。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機(jī)，以及光譜分析儀等。

（2）聲音信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。

（3）等離子體電荷信號(hào)。檢測(cè)對(duì)象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。

利用光電傳感器檢測(cè)激光焊接過程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過程監(jiān)測(cè)與控制的重要方法之一。

3.2 激光焊接過程控制

激光焊接過程控制的主要內(nèi)容是對(duì)焊接工藝參數(shù)控制。在激光焊接時(shí)，光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時(shí)，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。

4 激光焊接汽車工業(yè)應(yīng)用

汽車工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過激光截剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造。目前用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車體的剛度。激光焊接零部件，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理，目前激光焊接零部件已經(jīng)廣泛采用，常見于變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈等。

5 結(jié)論

激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù)，由于其獨(dú)有的特點(diǎn)，特別適合在傳感器密封焊中使用，為提高國內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè)，我國的傳感器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快采用國產(chǎn)激光焊接機(jī)來生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競(jìng)爭力，開拓國際市場(chǎng)。