高效、快速的激光焊接技術(shù)

如今，激光焊接應(yīng)用于汽車白車身成為一種發(fā)展趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、進步車身的裝配精度，同時還能大大加強車身的強度，在用戶享受舒適的同時，為其提供更高的安全保障。

20世紀(jì)80年代中期，激光焊接技術(shù)開始被應(yīng)用到汽車領(lǐng)域。自1993年大眾汽車首次在車頂蓋焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已經(jīng)作為一種成熟、應(yīng)用廣泛的技術(shù)被越來越多的汽車生產(chǎn)廠家所采用。

激光焊接中高強度的激光經(jīng)過特殊的光學(xué)透鏡聚焦，匯聚于一點，從而產(chǎn)生高能量密度的光束，并作用于加工工件表面，使金屬在瞬間熔化甚至蒸發(fā)，被熔化的金屬在原子層面上進行重新接合，焊接后的強度等同于甚至強于一整塊金屬板的強度，從而達到焊接的目的。

產(chǎn)業(yè)上的激光焊接多采用發(fā)光介質(zhì)為Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）的固體激光發(fā)生器，由于其發(fā)出的激光波長為1 064nm，金屬（特別是鐵）對它的吸收率接近40%，因而被大范圍的應(yīng)用。

激光焊接的種類

應(yīng)用于車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行焊接；另一種為填充焊，即通常所說的釬焊，主要應(yīng)用于汽車頂蓋的焊接。

根據(jù)激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導(dǎo)焊和穿透焊。

圖2   伸縮臂自身可以在垂直方向移動

由于激光匯聚于一點時會產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度（與能量密度大小有關(guān)），當(dāng)溫度達到1 490℃時鋼鐵就會熔化，利用此種熱效應(yīng)進行焊接的方式為熱傳導(dǎo)焊。其過程為：首先通過激光將工件表面加熱到熔點，金屬熔化后會形成一個半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當(dāng)吸收的激光能量與熔池向四周擴散的熱量達到平衡時，熔池便不再擴大。沿預(yù)定軌跡移動激光光束，熔池也隨之移動，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(dǎo)焊的優(yōu)點體現(xiàn)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。綜上特點，此焊接方式多用于平板拼焊。

在汽車白車身上，由于焊接鋼板有2～4層，厚度可達4mm，所以對焊縫的深度有更高的要求，此時熱傳導(dǎo)焊無法滿足工藝的要求，我們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，它對激光能量密度的要求遠(yuǎn)高于熱傳導(dǎo)焊。當(dāng)激光作用于工件表面時，金屬迅速汽化（在2 590℃鋼鐵就會汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴散出熔池，并形成一個蒸汽通道，激光在通道內(nèi)進行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%，我們稱之為“小孔效應(yīng)”，當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴散出熔池時，熔池便不再加深，形成一個穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。熔池經(jīng)過的位置，在蒸汽通道四周形成金屬熔液活動，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(dǎo)焊相比，穿透焊的上風(fēng)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；而其缺點在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺輕易損傷工件及加工設(shè)備。

圖3   焊接工作站示意圖

區(qū)別于熔焊的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(yīng)熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個工件之間，其優(yōu)點在于焊縫美觀，產(chǎn)生的熱變形小，汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。下面結(jié)合實例來具體說明上述焊接方式。

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應(yīng)用于車身加工的激光工藝，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(cè)圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進行密封。激光源采用YAG連續(xù)型激光發(fā)生器，最高輸出可達4kW，由于焊絲的熔點相對鋼板要低，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，保證頂蓋和側(cè)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，避免設(shè)備受到損傷。根據(jù)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(diào)整為1.2mm，使激光最大限度地作用于焊絲上。焊接過程中由機器人帶動自適應(yīng)式焊接鏡頭（見圖1），轉(zhuǎn)動軸帶動伸縮臂在水平方向上轉(zhuǎn)動，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動（見圖2）。

由于焊絲具有一定的強度，可以在焊接過程中作為導(dǎo)向指針，整個伸縮臂由焊絲導(dǎo)向運動軌跡，這樣就彌補了理論編程與實際焊縫上的位置偏差。

圖4   焊接后頂蓋的一部分

焊接工作站如圖3所示，整個系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）編程控制，機器人帶動鏡頭移動至焊接起始點，使焊絲切進焊縫，壓縮空氣打開，此時機器人控制器向激光發(fā)生器與送絲機發(fā)出指令，保證激光發(fā)射與送絲同步進行。焊絲被熔化后填進縫隙，經(jīng)冷卻形成光滑平整的焊縫，焊接速度可達2m/min。焊接過程中使用保護氣體（氬氣或氮氣），可避免焊縫周邊工件被氧化，使焊縫視覺效果更加美觀。圖4為焊接后頂蓋的一部分。

穿透焊的過程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進行穿透焊接，無焊絲填充，機器人帶動鏡頭按照預(yù)先編定的軌跡直接焊接，無需導(dǎo)向裝置。穿透焊采用激光功率為4kW，遠(yuǎn)高于釬焊。由于焊接中需要熔化工件，所以在焊縫的兩端需要設(shè)置功率斜坡，即在焊接起始時，功率在30ms內(nèi)從1kW線性增加至4kW，結(jié)束時功率在30ms內(nèi)從4kW降到1kW。這樣做的優(yōu)點在于避免在起弧和收弧時將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質(zhì)量。圖5中，車身B柱采用穿透焊，焊接厚度達到4mm。

為了防止銹蝕，大眾汽車的白車身均采用雙面鍍鋅鋼板。由于鋅的沸點（907℃）遠(yuǎn)比鋼鐵（2 590℃）的沸點低，因此在焊接時，表面的鋅會首先汽化。假如兩層鋼板貼得非常緊密，汽化后的鋅蒸汽無法排出，冷卻后將存留在焊縫中，這樣會大大降低焊縫的強度，影響焊接質(zhì)量。因此，焊接前應(yīng)先將工件沖出高度為0.3～0.5mm的小坑，以保證工件之間有足夠的縫隙排出鋅蒸汽。由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙，但是強度比普通點焊要強得多。

如今，激光焊接應(yīng)用于汽車白車身已經(jīng)成為一種趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、進步車身的裝配精度，同時還能大大加強車身的強度，在用戶享受舒適的同時，為其提供更高的安全保障。