激光焊接及其安全防護(hù)淺析

耿 勇 黃岳泉

（上汽大眾汽車有限公司 儀征分公司，揚(yáng)州 225000）

焊接是一種金屬加工工藝，它通過加熱的方式將兩塊或多塊金屬材料連接起來，使其形成一個整體。焊接技術(shù)可分為熔焊、壓焊、釬焊等。計算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展也推動了焊接技術(shù)的不斷革新。隨著我國工業(yè)化進(jìn)入4.0階段，焊接技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛，航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器等領(lǐng)域都離不開焊接技術(shù)。目前，汽車行業(yè)所用的主要焊接方法包括以電阻點(diǎn)焊為代表的傳統(tǒng)焊接技術(shù)和以激光焊接為代表的新型焊接技術(shù)。

1 激光焊接系統(tǒng)組成

電阻點(diǎn)焊簡稱點(diǎn)焊，是指焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱來熔化母材料金屬，形成焊點(diǎn)。電阻焊方法適用于焊接可搭接、接頭無需氣密、厚度小于3mm的沖壓和軋制的薄板構(gòu)件。激光焊接是利用激光器受激產(chǎn)生的激光束，通過聚焦系統(tǒng)調(diào)焦到焊件接頭處，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，使金屬熔化形成接頭，它是一種高速、非接觸、變形極小的焊接方式，非常適合大量而連續(xù)的在線加工。這種技術(shù)主要應(yīng)用于汽車基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)制造及航空領(lǐng)域等。激光焊接系統(tǒng)主要包括：激光源、送絲機(jī)構(gòu)、機(jī)器人、加工鏡組等，如圖1所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)組成

激光焊接的質(zhì)量，受到以下因素的影響：激光設(shè)備參數(shù)、釬焊絲參數(shù)、焊接材料屬性、機(jī)器人控制精度等。其中，影響焊接質(zhì)量的激光設(shè)備參數(shù)包括：激光器功率、聚焦位置、焦點(diǎn)大小、加工速度；釬焊絲特有的參數(shù)：釬焊絲進(jìn)給速度、釬焊絲預(yù)熱電流、沖角大小、焊絲預(yù)應(yīng)力；焊接材料屬性包括：焊接材料種類、焊接板材之間的間隙、板材的表面質(zhì)量等。因此，對于特定的焊接件而言，對焊接過程進(jìn)行有效控制是提高焊接質(zhì)量的主要方法之一。

2 激光焊接的優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)，激光焊接技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）能量密度高。激光焊接技術(shù)的功率密度高，可以達(dá)到106～108W/cm2，而且熔接區(qū)域深寬比可達(dá)10∶1。

（2）激光焊接速度快、熔深大。由于激光焊接能量密度大，在焊接的過程中能量沿深度方向傳導(dǎo)，而在寬度方向傳導(dǎo)較少，因此焊縫深度較大，速度較快。

（3）激光焊接的熱影響區(qū)小，焊接變形小。激光焊縫力學(xué)性能以及焊接表面質(zhì)量均較好，焊縫的強(qiáng)度高，焊縫窄且表面質(zhì)量高。

（4）能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，如真空等焊接環(huán)境。可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點(diǎn)金屬、陶瓷等。

（5）激光焊接配合遠(yuǎn)距離控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式遠(yuǎn)程焊接，而且無需更換焊接工具。激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，無加工噪聲，對環(huán)境無污染。

（6）焊接系統(tǒng)具有高度的柔性化。激光焊接技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)以及CAD/CAM自動化加工等技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)焊接加工的高度自動化與智能化。

3 激光焊接安全防護(hù)

3.1 激光危害

激光焊接對操作人員是存在危害的，其危害主要來自三個方面：激光束危害、非激光束危害和污染物危害。

人體對特定的激光輸出是脆弱的，在特定的環(huán)境里，暴露在激光面前會導(dǎo)致眼睛和皮膚的損傷，尤其是眼睛。最嚴(yán)重的情況是，激光光束直射或通過鏡面反射進(jìn)入眼睛。該準(zhǔn)直光束進(jìn)入眼睛后照射在視網(wǎng)膜上會以100000倍聚焦。也就是說，一束可見的1mW/cm2的激光能量將會造成100W/cm2照射到視網(wǎng)膜上，這就達(dá)到足以引起損傷的功率密度。

除了激光束本身對眼睛和皮膚的直接危害以外，激光應(yīng)用過程中的一些非光束因素也會造成危害，如噪音、X線輻射、觸電、火災(zāi)和等離子輻射等。

用激光對金屬材料進(jìn)行加工，會釋放出懸浮顆粒及有害氣體。當(dāng)激光焊接時，焊接煙塵形成，主要包含鐵和氧化鐵，其粒子尺寸小于1μm。有害的氣體和顆粒可能進(jìn)入呼吸管道造成危害，因此，吸塵過濾系統(tǒng)是必需的，可在吸收有害物質(zhì)的同時，給工作區(qū)域供應(yīng)足夠的潔凈空氣。

3.2 激光安全防護(hù)

在激光焊接加工中，人們應(yīng)注意加強(qiáng)對激光焊接的安全防護(hù)。安全防護(hù)措施根據(jù)激光輻射危害性等級進(jìn)行設(shè)置，危害等級可根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所（ANSI）的Z136.1（2014）激光安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。激光安全防護(hù)措施主要包括以下幾點(diǎn)。

3.2.1 設(shè)定激光視覺危險區(qū)域

在不同的項目中，人們可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定激光視覺危險區(qū)域（NOHA），利用密閉的圍墻來限制人員的進(jìn)入（它的最主要功能）。同時，人們可以使用入侵檢查裝置來中斷激光風(fēng)險，防止人員突然闖入NOHA。

3.2.2 工作安全門

工作安全門用于讓人進(jìn)入工位，到達(dá)設(shè)備位置以便檢查或維修。每個門都是用安全開關(guān)控制。安全開關(guān)位于關(guān)閉位置，直接連接到安全繼電器上，一旦觸發(fā)這個信號，會馬上停止機(jī)器運(yùn)動，包括機(jī)器人運(yùn)行、激光輻射。安全回路和安全限位開關(guān)按照標(biāo)準(zhǔn)EN954-1中的3類安全裝置選擇。

3.2.3 升降門和滑動門

升降門和滑動門被設(shè)置在操作人員和運(yùn)行機(jī)器之間進(jìn)行隔離。這些防護(hù)門由金屬材料制成，當(dāng)安全防護(hù)門關(guān)閉時，加工區(qū)域與操作人員就完全隔離。輔助的保護(hù)措施由光柵提供。光柵保證非授權(quán)人員不能進(jìn)入危險區(qū)域。

3.2.4 安全回路

所有的關(guān)鍵安全設(shè)備都通過接線直接連接到安全繼電器上。安全繼電器具有雙通道安全監(jiān)控回路，使用重復(fù)、冗余的安全回路設(shè)計。電源故障、內(nèi)部模塊失效或是外部干擾都不會導(dǎo)致危險狀況。接線形式采用雙通道模式來監(jiān)控觸點(diǎn)故障。其中一個輸出需要閉合，另一個需要打開，這樣才能激活繼電器。如果一個或兩個輸入信號改變狀態(tài)就會產(chǎn)生一個停止信號。兩個輸入必須改變狀態(tài)，為了啟用雙通道停止功能，在停止后允許重新啟動。

3.2.5 緊停按鈕

緊停按鈕被用來在緊急情況下停止機(jī)器。緊停按鈕有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計，工作站裝備有紅色蘑菇按鈕形式的緊停按鈕，緊停按鈕被安裝在下列位置，其中包括工作區(qū)域和激光設(shè)備上：人機(jī)界面操作面板、機(jī)器人控制器上、機(jī)器人示教器、靠近工作區(qū)域的地點(diǎn)、激光設(shè)備的前部、激光控制盒。

3.2.6 光幕

光幕用來阻止非授權(quán)人員進(jìn)入危險區(qū)域。光幕通過單個或多個光束來確認(rèn)是否有物體進(jìn)入保護(hù)區(qū)域，當(dāng)光幕被遮擋，保護(hù)區(qū)域的設(shè)備運(yùn)行就會被停止。

3.2.7 警示標(biāo)志

有關(guān)安全的標(biāo)簽和警告標(biāo)識必須粘貼在激光器和加工區(qū)域。作為激光設(shè)備的使用者，有義務(wù)在激光加工區(qū)域粘貼相應(yīng)的警示標(biāo)志，以便這些標(biāo)志能被在這一區(qū)域內(nèi)的人員清楚地看到。

3.2.8 帶火花收集器的吸塵裝置和滅火器

焊接過程會產(chǎn)生有害的煙塵，所以在焊接的區(qū)域內(nèi)需要是密閉的，并連接相應(yīng)的除塵系統(tǒng)。在靠近除塵系統(tǒng)和電控箱附近安放滅火器。

3.2.9 過程監(jiān)控系統(tǒng)和個人防護(hù)設(shè)備

包括工位內(nèi)的攝像機(jī)，相應(yīng)的外部的監(jiān)視器，以便于操作人員能監(jiān)控焊接過程，及早發(fā)現(xiàn)異常情況。操作維修人員在激光加工區(qū)域必須根據(jù)當(dāng)前工廠的標(biāo)準(zhǔn)來使用個人的安全裝備，來降低風(fēng)險，如橡膠手套、激光防護(hù)眼鏡等。

[1]黎愛瓊，阮小進(jìn).汽車白車身激光焊接生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)研究[J].輕工科技，2016，（4）：36-37.

[2]程隆雙，馮薇.影響激光焊接加工的幾個主要參數(shù)[J].機(jī)電技術(shù)，2008，31（1）：58-61.