1 激光焊的概述

   目前汽車(chē)車(chē)身焊接主要有電阻點(diǎn)焊、激光焊、MIG和MAG焊等方式，其中激光焊接技術(shù)主要用于車(chē)身不等厚板的拼焊和車(chē)身焊接。激光焊接主要用于車(chē)身框架結構的焊接，例如頂蓋與側圍的焊接。激光焊接運用于汽車(chē)，可以降低車(chē)身重量從而達到省油目的；提高車(chē)身的裝配精度，使車(chē)身剛度提升30%，從而提高了車(chē)身安全性；降低汽車(chē)車(chē)身制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本，減少車(chē)身零件的數目，提高車(chē)身一體化程度。從20世紀80年代開(kāi)始，激光焊接技術(shù)開(kāi)始運用于汽車(chē)車(chē)身制造領(lǐng)域，主要是應用于激光焊接車(chē)身。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，使工件在瞬間熔化，從而實(shí)現焊接過(guò)程。激光焊接設備使用的激光器主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是固體激光器，又稱(chēng)Nd∶YAG激光器，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)光纖傳送。汽車(chē)工業(yè)常用輸出功率為3～4kW的Nd∶YAG激光器；另一類(lèi)是CO2激光器，分子氣體做工作介質(zhì)，可以連續工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5kW之間。目前車(chē)身應用的激光源主要品牌有：TRUMPF、IPG、Laserline；激光頭品牌有：Scansonic、Precitec、Highyag。

    2 激光焊的原理

   LASER是什么意思？Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation（通過(guò)誘導放出實(shí)現光能增幅）的英語(yǔ)開(kāi)頭字母。激光即“受激輻射放大”是通過(guò)強光照射激光發(fā)生介質(zhì)，使介質(zhì)內部原子的電子獲得能量，受激而使電子運動(dòng)軌道發(fā)生遷移，由低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子，受外界輻射感應，使處于激發(fā)態(tài)的原子躍遷到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)出一束光；這束光在頻率、相位、傳播方向、偏振等方面和入射光完全一致，此時(shí)的光為受激輻射光。

   為了得到高能量密度、高指向性的激光，必須要有封閉光線(xiàn)的諧振腔，使觀(guān)光束在置于激光發(fā)生介質(zhì)兩側的反射鏡之間往復振蕩，進(jìn)而提高光強，同時(shí)提高光的方向性。含有釹（Nd）的YAG結晶體發(fā)生的激光是一種人眼看不見(jiàn)的波長(cháng)為1.064um的近紅外光。這種光束在微弱的受激發(fā)情況下，也能實(shí)現連續發(fā)振。YAG晶體是寶石釔鋁石榴石的簡(jiǎn)稱(chēng)，具有優(yōu)異的光學(xué)特性，是最佳的激光發(fā)振用結晶體。激光的主要特征：（1）單色性—激光不是由許多不同的光混合而成的，它是最純的單色光(波長(cháng)、頻率)；（2）方向性—激光傳播時(shí)基本不向外擴散；（3）相干性—激光的位相(波峰和波谷)很有規律，相干性好；（4）高輸出功率—用透鏡聚焦激光后，所得到的能量密度是太陽(yáng)光的幾百倍。

    3 激光焊的架構

   激光焊接應用采用激光作為焊接熱源，工業(yè)機器人作為運動(dòng)系統（如圖1所示）。激光熱源的優(yōu)勢在于，它有著(zhù)極高的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的焊接點(diǎn)上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快和焊接變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現薄板的快速連接。
            
                     

                     

                          圖1 以SCANSONIC激光頭為例激光焊接結構  

    （1）激光源：用于激光焊接的激光源主要有CO2氣體激光源和YAG固體激光源兩種。激光源最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方面考慮，CO2激光源比YAG激光源具有更大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光源（如圖2所示）。

   （2）光導和聚焦系統：光導聚焦系統由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖及聚焦鏡等組成（如圖3所示），實(shí)現改變光束偏振狀態(tài)、方向、傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件，尤其是透鏡性能會(huì )劣化，使透過(guò)率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應，同時(shí)表面污染也會(huì )增加傳輸損耗。

   （3）焊接機器人：由于激光熔焊、激光-MIG復合焊接技術(shù)方法的不同以及焊接接頭形式的不同，所以對焊接接頭的裝配精度要求也不同。搭接焊縫的激光熔焊和角焊縫的激光釬焊可以采用普通的焊接機器人。對于對接焊縫的激光釬焊和激光焊必須采用區別于常規機器人的絞臂式焊接機器人，通常設計焊縫自動(dòng)跟蹤矯正系統。

   （4）焊接夾具：可以保證激光焊接時(shí)所連接板材或總成的精確定位，保證焊縫間隙，防止焊接變形，從而提高激光焊接接頭的質(zhì)量。

   （5）激光焊接控制系統：控制系統主要包括焊接過(guò)程的視頻監視系統、機器人的焊縫自動(dòng)跟蹤系統和矯正系統、送絲控制系統等。對于不同的激光焊接方式，控制系統的組成也有所相同。激光熔焊無(wú)需送絲系統、焊縫自動(dòng)跟蹤系統和運行軌跡矯正.
  
                   

                                      圖2 IPG激光源  

   4 激光焊的工藝參數

    眾所周知，激光焊接具有多參數特點(diǎn)，通常情況下包括激光波長(cháng)、激光束模式（或發(fā)散角）、激光功率、激光偏振特性、激光脈沖頻率、聚焦鏡焦距、激光照射角度、焊接速度、離焦量（或稱(chēng)焦點(diǎn)位置）、氣體保護方式、保護氣種類(lèi)及流量、接頭間隙等激光加工參數，另外還包括焊接結構、焊接材料、工件厚度等工件特性和參數。如果是激光填絲焊（或激光硬纖焊），激光焊接參數應包括焊絲直徑、焊絲成分、填絲速度、填絲方向（與焊接方向的關(guān)系）、填絲位置（焊絲熔化端與工件和激光焦點(diǎn)之間的關(guān)系）、填絲角度等相關(guān)參數。
           
                         

                                     圖3 Scansonic激光頭  

    激光焊接多參數的特點(diǎn)給激光焊接帶來(lái)豐富多彩的焊接結果，同時(shí)也給研究激光焊接帶來(lái)很多可變因素和新的課題。無(wú)論在開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制下，激光焊接工藝參數優(yōu)化或最佳工藝參數確定的難度和工作量都有所增加。由于汽車(chē)工業(yè)要求用于大批量生產(chǎn)的各種生產(chǎn)工藝要穩定、可靠且易于控制，因此如何通過(guò)篩選和有效控制最少的激光參數來(lái)達到最大控制激光焊接結果則顯得非常重要。在激光釬焊中，由于焊絲具有一定的強度，可以在焊接過(guò)程中作為導向指針，整個(gè)伸縮臂由焊絲導向運動(dòng)軌跡，這樣就彌補了理論編程與實(shí)際焊縫上的位置偏差。最理想的焊接參數是需要多次調試后，才能得出的，往往可以得出幾套較為理想的參數，但總體來(lái)講，在滿(mǎn)足客戶(hù)焊接工位節拍的前提下，快的焊接速度需要更大的激光功率，但是過(guò)快的焊接速度也會(huì )對其它參數因素要求更高，造成焊接穩定性差。慢的焊接速度可以不用很高的激光功率，對各種因素要求相對較低，穩定性也較高，但是過(guò)慢的焊接速度容易對焊接區域產(chǎn)生較大的熱形變，對長(cháng)時(shí)間衡功率激光輸出，激光設備不利，鏡組也不利。
  
                       
                                             圖4 焊縫跟蹤系統

    5 激光焊的應用

    應用于車(chē)身的激光焊接主要分為兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質(zhì)，激光直接作用在工件表面上進(jìn)行焊接；另一種為填充焊，即通常所說(shuō)的釬焊，主要應用于汽車(chē)頂蓋的焊接。

   5.1 熔焊

    根據激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導焊和穿透焊。

    5.1.1 熱傳導焊

   由于激光匯聚于一點(diǎn)時(shí)會(huì )產(chǎn)生相當高的溫度（與能量密度大小有關(guān)），當溫度達到1490℃時(shí)，鋼板就會(huì )熔化，利用此種熱效應進(jìn)行焊接的方式為熱傳導焊，其過(guò)程為：首先通過(guò)激光將工件表面加熱到熔點(diǎn)，金屬熔化后會(huì )形成一個(gè)半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當吸收的激光能量與熔池向四周擴散的熱量達到平衡時(shí)，熔池便不再擴大。沿預定軌跡移動(dòng)激光光束，熔池也隨之移動(dòng)，熔池前方的金屬不斷熔化，后方的金屬冷卻，從而形成一條焊縫。熱傳導焊的優(yōu)點(diǎn)體現在焊縫光滑且飛濺少，速度為1～3m/min，焊縫深度與寬度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

    5.1.2 穿透焊

   在汽車(chē)白車(chē)身上， 因為焊接鋼板有2 ～ 4 層， 厚度可達4mm，所以對焊縫的深度有更高的要求，此時(shí)熱傳導焊無(wú)法滿(mǎn)足工藝的要求，這就需要另一種焊接方式—穿透焊，穿透焊具有速度快、熔深更深的特點(diǎn)，它對激光能量密度的要求遠高于熱傳導焊。當激光作用于工件表面時(shí)，金屬迅速汽化（在2590℃鋼板就會(huì )汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴散出熔池，并形成一個(gè)蒸汽通道，激光在通道內進(jìn)行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%，在這里稱(chēng)之為“小孔效應”，當產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴散出熔池時(shí)，熔池便不再加深，形成一個(gè)穩定的焊接狀態(tài)。熔池經(jīng)過(guò)的位置，在蒸汽通道周?chē)纬山饘偃垡毫鲃?dòng)，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強度焊縫。與熱傳導焊相比，穿透焊的優(yōu)勢在于其焊接深度更深、速度更快，對于4mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達5m/min；而其缺點(diǎn)在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺容易損傷工件及加工設備。

    5.2 填充焊（釬焊）

    另一種焊接方式為填充焊，此種方式并不熔化工件本身，而是利用激光的熱效應熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個(gè)工件之間，其優(yōu)點(diǎn)在于焊縫美觀(guān)，產(chǎn)生的熱變形小，汽車(chē)頂蓋的焊接多采用此種方式。汽車(chē)頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應用于車(chē)身加工的激光工藝，其原理為利用激光將焊絲（一般為銅硅合金）熔化并填充到頂蓋與側圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進(jìn)行密封。穿透焊的過(guò)程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進(jìn)行穿透焊接，無(wú)焊絲填充，機器人帶動(dòng)鏡頭按照預先編定的軌跡直接焊接，無(wú)需導向裝置。穿透焊采用激光功率為4kW，遠高于釬焊。因為焊接中需要熔化工件，所以在焊縫的兩端需要設置功率斜坡，即在焊接起始時(shí)，功率在30ms內從1kW線(xiàn)性增加至4kW，結束時(shí)功率在30ms內從4kW降到1kW。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于避免在起弧和收弧時(shí)將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質(zhì)量。激光源采用YAG連續型激光發(fā)生器，最高輸出可達4kW，由于焊絲的熔點(diǎn)相對鋼板要低，所以選擇激光的輸出功率范圍為（1.8～2）kW，在熔化焊絲的同時(shí)，保證頂蓋和側圍不產(chǎn)生熱變形。激光采用柔性的光纜傳輸，可以使激光發(fā)生器與焊接工位分開(kāi)，避免設備受到損傷。根據焊絲直徑的大小，在焊接端利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊絲直徑為1.0mm，將激光聚焦的光斑直徑調整為1.2mm，使激光最大限度地作用于焊絲上。焊接過(guò)程中由機器人帶動(dòng)自適應式焊接鏡頭，轉動(dòng)軸帶動(dòng)伸縮臂在水平方向上轉動(dòng)，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)。一般車(chē)身的激光焊縫長(cháng)達42m，保證了其整體尺寸的精確性、車(chē)身強度和剛性。采用激光釬焊的車(chē)頂只有一條細致平滑的焊縫，直接作為外表面以增加車(chē)身的流線(xiàn)視覺(jué)效果，而采用傳統點(diǎn)焊工藝的車(chē)頂則有兩條橡膠密封條。

    6 激光焊的優(yōu)勢

    激光焊接的主要特點(diǎn)如下：

    熱量輸入很小、焊縫深寬比大，熱影響區小導致工件收縮和變形很小，無(wú)需焊后矯形；

   焊縫強度高、焊接速度快、焊縫窄且通常表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作；

   焊接一致性、穩定性好一般不加填充金屬和焊劑，并能實(shí)現部分異種材料焊接；

    光束易于控制，焊接定位精確易于實(shí)現自動(dòng)化；

   非接觸加工，不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理；

   焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速加工；

   短時(shí)間焊接，既對外界無(wú)熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區小，尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料；

   無(wú)加工噪音，對環(huán)境無(wú)污染；

   可通過(guò)光纖實(shí)現遠距離、普通方法難以達到的部位、多路同時(shí)或分時(shí)焊接；

   很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置；

   很容易搭載到自動(dòng)機、機器人裝置上；

   與其它焊接工藝方法比較激光焊接的前期投資較大；

   被焊工件裝配精度高，相對而言對光束操控的精確性也有較高的要求；

   由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙，但是強度比普通點(diǎn)焊要強得多。

    7 結語(yǔ)

   如今激光焊接應用于汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車(chē)身重量、提高車(chē)身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強車(chē)身的強度，在用戶(hù)享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。

   湯旭東男，現任柯馬（上海）工程有限公司焊裝事業(yè)部現場(chǎng)管理及調試部經(jīng)理，碩士，主要負責焊裝事業(yè)部所有現場(chǎng)人員管理和項目實(shí)施進(jìn)度掌控等。

   徐平男，現任柯馬（上海）工程有限公司焊裝事業(yè)部現場(chǎng)管理及調試部機器人應用經(jīng)理，碩士，主要負責焊裝事業(yè)部現場(chǎng)機器人工程師的管理以及機器人調試進(jìn)度控制。   

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期