激光焊接在汽車頂蓋焊接中的應用

左堅，韋加業(yè)，韋巧

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

作為光學與金屬學的結(jié)合，激光焊接技術的出現(xiàn)無疑是人類焊接領域的一大突破。自20世紀60年代激光產(chǎn)生以來，與激光應用有關的一系列技術便取得了蓬勃的發(fā)展，其中，激光焊接技術從20世紀70年代開始運用到工業(yè)制造領域中，在汽車車身制造的頂蓋焊接中更是取得了越來越廣泛的應用。由于激光本身具有較高的能量密度，當它用作焊接所需的光源時可以用較快的速度進行焊接和切割。此外，激光焊接只需很小的加熱范圍和很窄的焊縫，用激光進行焊接時，材料僅需發(fā)生很小的形變，可以保持更為完整的形狀。隨著激光焊接技術的不斷更新和進步，相關設備與工藝的成本有了顯著下降，而激光焊接的水平得到了不斷提升，汽車制造的各個環(huán)節(jié)都開始廣泛采用激光焊接技術，而在汽車頂蓋焊接中，激光焊接更是憑借一系列技術優(yōu)勢逐漸成為汽車頂蓋焊接領域的主流技術。

1 激光焊接概述

1.1 激光焊接的原理

所謂激光，指的是受刺激后輻射放大，具體而言是當利用強光對相應的激光發(fā)生介質(zhì)進行照射時，激光發(fā)生介質(zhì)內(nèi)部原子的電子會得到能量，電子的能量一旦積累到一定程度，就會由之前的低能態(tài)轉(zhuǎn)變成高能態(tài)，繼而能量就會促使電子發(fā)生躍遷，即轉(zhuǎn)移到另外的運動軌道中。當原子處于高能的激發(fā)狀態(tài)時，一旦外界對其輻射，原子感應到輻射后就會使激發(fā)狀態(tài)的原子轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)，并發(fā)射出一束受激輻射光。受激輻射光與入射光具有同樣的相位、偏振、頻率和方向等。

1.2 激光焊接的相關參數(shù)

激光焊接具有諸多參數(shù)，包括激光加工參數(shù)和工件參數(shù)等。如激光波長、激光功率、焊接速度、焊絲直徑與成分、填絲方向與速度等。眾多的參數(shù)使得對激光焊接的研究包含大量可變因素。汽車頂蓋焊接因其大批量生產(chǎn)的需要以及精準的工藝要求，勢必要具備可靠穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。因而需要在眾多參數(shù)中篩選出最為重要的參數(shù)保證焊接過程的順利進行，并且經(jīng)過多次調(diào)試才能獲得最理想的一套焊接參數(shù)。

1.3 激光焊接的優(yōu)勢與局限性

激光焊接有著諸多優(yōu)勢，首先激光焊接的速度快，效率高，如在汽車頂蓋的焊接中，對于長度為1700mm的車頂，利用傳統(tǒng)電焊需要35個焊點，每個焊點需要3s的焊接時間，采用一臺機器人進行焊接，整個頂蓋所需的焊接時間是35×3=105s。而利用激光焊接時，由于釬焊速度可以實現(xiàn)75mm/s，同樣采用一臺機器人進行焊接僅需要1700/75=22.7s，由此可見激光釬焊對于效率提升的作用。其次由于激光焊接利用自動化的控制系統(tǒng)，便于精確控制光束，從而可以實現(xiàn)焊接位置的準確和焊縫寬窄的控制。另外，激光焊接具有較小的熱量輸入，焊接區(qū)域很小，工件不會發(fā)生大的變形，省去了焊接后的形狀矯正工作。對于工件由于結(jié)構(gòu)復雜而難以到達的部位或是需要較遠距離操作的情況，通過光纖的傳輸都能方便的達到，并且可以多路進行焊接工作，或是分時焊接。

盡管激光焊接具備眾多優(yōu)點，但在實際工業(yè)制造中也存在一些不足之處。如激光釬焊中若母材表面清潔度不夠或是聚焦系統(tǒng)的光學鏡片有較大的損耗時，會導致釬焊中氣孔的出現(xiàn)，影響焊縫質(zhì)量。相比其他的焊接工藝，激光焊接技術由于對技術水平的要求更高，需要更大的前期成本投入。此外對于激光光束的操控是一大技術難點，如何精準控制光束使之到達目標焊接點是焊接過程中的一個關鍵。

2 激光焊接常用工藝介紹

2.1 熔焊

該技術的原理是當對材料進行高功率的激光照射時，材料表面會蒸發(fā)而出現(xiàn)小孔，小孔充滿蒸汽，溫度極高，它幾乎可以把入射激光中包含的所有能量吸收。從小孔外壁可以將小孔內(nèi)部龐大的熱量傳遞出來，高溫足可以令小孔外側(cè)的金屬熔化。隨著激光光束位置的不斷前進，處于穩(wěn)定流動狀態(tài)的小孔和包圍小孔的熔融狀態(tài)下的金屬隨之移動，金屬熔化后冷凝便成為了焊縫。

2.2 釬焊

激光釬焊是對焊接區(qū)域中的焊絲表層進行高密度的激光照射，由于激光光束具備很高的能量，焊絲會被熔化從而成為熔融狀態(tài)下的金屬。當焊絲熔化后便可以對焊接縫隙進行連接，即熔化狀態(tài)的焊絲可以與材料形成冶金結(jié)合體。通過激光釬焊的方式可以保證工件母材不被激光侵蝕而造成損害，因而采用激光釬焊可以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定以及焊縫的美觀。在汽車頂蓋焊接中，釬焊技術得到了主要應用。圖1為激光釬焊原理圖。

2.3 復合焊接

該焊接方式的熱源不僅包括激光，也包括其他輔助熱源。輔助熱源的功能是對上層材料直接加熱，相比于通常的焊接技術，復合焊接可以保證焊接表面具有更加均勻穩(wěn)定的溫度。

圖1 激光釬焊原理

3 汽車頂蓋激光釬焊的系統(tǒng)架構(gòu)

將激光釬焊技術應用到汽車頂蓋焊接中需要完善的系統(tǒng)構(gòu)造。該系統(tǒng)的焊接熱源選用的是激光，其運動系統(tǒng)采用工業(yè)機器人。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)包含以下幾方面。

激光發(fā)生器（激光源）：指的是能夠產(chǎn)生激光，并具有耦合功能，將耦合后的激光以一定波長的激光光束進行輸出的設備。激光發(fā)生器性能的高低取決于輸出光束的質(zhì)量和輸出功率。目前汽車頂蓋焊接中普遍采用的激光源有兩種，分別是YAG固體激光源和二氧化碳氣體激光源。其中由于后者更能提供穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的激光光束，輸出功率也大于YAG固體激光源，因而在目前的工業(yè)制造中主要采用的就是二氧化碳氣體激光源。通常，激光源的使用需要冷卻系統(tǒng)的配合。

光纖及聚焦系統(tǒng)：當激光源發(fā)出激光光束后，需要光纖將光束進行傳輸，使之順利到達激光焊接頭。此外，需要反射鏡、聚焦鏡等光學部件對光束進行聚焦，改變光束的傳輸方向、偏振狀態(tài)等。

焊接機器人：機器人系統(tǒng)的存在是為了保證焊接軌跡的正常行走，并且焊接機器人可以對焊接參數(shù)進行調(diào)用，并提供準確的電氣信號。不同類別的激光焊接技術由于具備各自不同的方法和焊接接頭形式，因而對機器人系統(tǒng)的要求也有差別。例如，對于角焊縫的激光釬焊以及搭接焊縫的熔焊技術，普通的焊接機器人就可以滿足系統(tǒng)要求。而當激光釬焊或是激光熔焊用于對接焊縫時，對焊接機器人的要求更高，機器人系統(tǒng)需要做到自動跟蹤并矯正焊縫，不同于常規(guī)機器人，該種情況下通常采用的是絞臂式機器人。

焊接頭：焊接頭可以對通過光纖傳導系統(tǒng)傳輸來的激光進行一系列的校準、調(diào)整等處理，從而使之轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詰玫綄嶋H加工中的能量光束。

焊接夾具：為了確保焊縫位置的精準以及焊縫間隙的準確，必須利用焊接夾具進行零件尺寸的度量和裝配，從而保證焊接的高質(zhì)量。

自動化控制系統(tǒng)：為了視頻監(jiān)視焊接過程、精準的對焊接機器人進行協(xié)調(diào)，控制激光源和焊接頭等之間的信號交換，并系統(tǒng)的處理電氣信號，需要一整套完善的自動化系統(tǒng)對其進行全局的控制。

獨立工作間：激光光束含有巨大的能量，并且通過激光源產(chǎn)生的激光功率也極大，為了避免對工作人員造成傷害，需要在封閉的空間進行激光焊接工作。

抽氣與通風系統(tǒng)：在焊接的過程中，由于焊接材料表面所鍍鋅層在遇高溫時會發(fā)生氣化，并伴隨著煙霧的產(chǎn)生和有害氣體的釋放，所以全面的通風對于焊接過程是極為必要的。

4 激光焊接的工藝研究

合理設計并控制工藝是激光焊接中的重要環(huán)節(jié)，汽車頂蓋的不同環(huán)節(jié)有著不同的工藝要求。其中，在起弧段，工藝重心是要控制送絲和機器人的運動時間。中間段應注意時刻修正焊接軌跡，控制好實際焊縫與設定軌跡的關系。在收弧階段的重點是避免結(jié)束位置焊接點的偏移，并且需要設定一定的延時來關閉激光。

5 結(jié)語

激光焊接正日益成為汽車制造中的一種發(fā)展潮流，作為一種新興且實用的技術，在焊接效率、焊接精度、工件外形等諸多方面?zhèn)鹘y(tǒng)焊接技術都無法與之相提并論。激光焊接技術不僅能實現(xiàn)車身強度的提升，保證汽車零部件裝配的高精度，并且在降低車身重量，提升用戶舒適度，保障用戶安全方面也有重要作用。近年來焊接工藝得到了進一步發(fā)展和成熟，焊接設備也日益得到完善，大量的焊接領域的人才更是推動了激光焊接的進步。激光焊接成本的減低和技術本身的諸多優(yōu)勢促使越來越多到的汽車制造企業(yè)積極使用和推廣激光焊接技術。未來激光焊接技術將得到更深層次的研究，從而更好的服務于工業(yè)包括汽車制造在內(nèi)的諸多工業(yè)制造領域中。