激光焊接技術及其在汽車產業中的應用

        激光焊接自上世紀60年代問世以來，激光以其相干性好、能量密度高、準直性好等優異特性，在現代產業的各個方面得到了廣泛的應用。在材料加工領域，激光可用于金屬材料的切割、焊接、表面相變硬化、合金化、熔覆、打孔、打標、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細加工等等。利用激光來焊接金屬材料有很多優越性：方便快捷、焊縫小、焊接影響區域小，對原材料性質和形態的改變均很小；易于實現數控，可以焊接外形特殊的工件；激光能量集中、作用時間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統焊接工藝難以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受熱敏感的材料等等。激光焊接在金屬材料加工中的應用越來越普遍，正逐步從特種加工轉變為常規加工工藝。

1  激光焊接的原理和技術可行性

1.1激光焊接的原理

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。它是采用高能激光束使材料熔融連接，形成優良焊接接頭的工藝過程。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬于熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數使工件熔化，形成特定的熔池。

1.2激光焊接的技術可行性

激光最基本的特點就是：單色性、方向性、相關性。這些獨特性質加上由此而來的超高亮度、超短脈沖等性質使它已經牢牢地和現代產業結合在一起，這些特性非常適合焊接加工。激光焊接設備的關鍵是大功率激光器。激光器一般按產生激光的工作物質不同來分類，主要有半導體(GaAs，InP等)激光器、固體(Nd：YAG等)激光器、氣體(CO2、He-Ne等)激光器、液體(可調諧染料等)激光器、化學激光器、自由電子激光器等。目前廣泛應用的是其中的兩大類：一類是氣體激光器，氣體激光器以氣體或金屬蒸汽作為工作介質，產生均勻為10.6μm的紅外激光，可以連續工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5kw之問。它是目前種類最多，激勵方式最多樣化，激光波長分布區域最寬，輕易實現大功率連續輸出，應用最廣泛的一類激光器。另一類是固體激光器，將產生激光的粒子摻于同體基質，其濃度比氣體大，因而可以獲得比較大的激光能量輸出。具有能量大、峰值功率高、機構緊湊、牢固耐用等特點，適用于柔性制造系統或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。

激光焊接技術在制造領域的應用穩步增長，由脈沖到連續，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡單單縫到復雜外形，激光焊接在不斷的演化過程中已經逐步成為一種成熟的現代加工工藝技術。激光焊接分為脈沖激光焊接和連續激光焊接，在連續焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的進步，特別是高功率CO2激光器的出現，激光深穿透技術在國內外都得到了迅速發展，最大的焊接深寬比已經達到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發展到了鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料，激光焊接速度已達到了每分鐘幾十米。激光焊接技術日益成熟，并大量應用到生產線上，在汽車生產線上如齒輪焊接、汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊中已取得巨大的經濟效益和社會效益。

2  激光焊接的工藝參數和工藝方法

2.1激光焊接的工藝參數

2.1.1功率密度

功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。采用較高的功率密度，在微秒時問范圍內，表層即可加熱至沸點，汽化。因此，高功率密度對于材料往除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對于較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經歷數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度范圍在104～106W／cm2。

2.1.2激光脈沖波形

激光脈沖波形在激光焊接中是一個重要題目，尤其對于薄片焊接更為重要。當高強度激光束射至材料表面，金屬表面將會有60％～98％的激光能量反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。在一個激光脈沖作用期間內，金屬反射率的變化很大。

2.1.3激光脈沖寬度

脈寬是脈沖激光焊接的重要參數之一，它既是區別于材料往除和材料熔化的重要參數，也是決定加工設備造價及體積的關鍵參數。

2.1.4離焦量對焊接質量的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，由于激光焦點處光斑中心的功率密度過高，輕易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按照幾何光學理論，當正負離焦量相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池外形不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50～200μs材料開始熔化，形成液相金屬并出現部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發出刺眼的白光。與此同時，高濃度汽體使液相金屬運動至熔池邊沿，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。

2.2激光焊接的工藝方法

2.2.1片與片間的焊接

包括對焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4種工藝方法。

2.2.2絲與絲的焊接

包括絲與絲對焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4種工藝方法。

2.2.3金屬絲與塊狀元件的焊接

采用激光焊接可以成功地實現金屬絲與塊狀元件的連接，塊狀元件的尺寸可以任意。在焊接中應留意絲狀元件的幾何尺寸。

2.2.4不同金屬的焊接

焊接不同類型的金屬要解決可焊性與可焊參數范圍。不同材料之間的激光焊接只有某些特定的材料組合才有可能。

3  激光焊接的特點

激光焊接有以下主要優點：

3.1速度快、深寬比大、變形小。激光聚焦后，功率密度高，焊接時，深寬比可達5:1，最高可達12:1。由于熔深大，可以獲得良好的焊接接頭，同時焊接邊沿坡口角度小，小體積焊縫節省了填充材料。

3.2激光焊接技術具有熔池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料問的焊接。

3.3激光焊接能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。

3.4能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接裝置簡單。例如，激光在真空、空氣及某種氣體環境中均能施焊，并能穿過玻璃或光束透明的材料進行焊接。

3.5可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠間隔焊接，具有很大的靈活性，尤其是近年來，南于采用了光纖技術，激光焊接技術的應用獲得更為廣泛的發展。

3.6激光束易實現按時問與空間分光，能進行多光束同時多工位加工，為更精密、微型的焊接提供了條件。

但是，激光焊接也存在著一定的局限性，主要體現在以下兩方面：

(1)要求焊件裝備精度高，且要求光束在工件上的位置不能有明顯偏移。這是由于激光聚焦后光斑尺寸小、焊縫窄，焊接時要在焊縫中加進填充金屬材料，如若工件裝備精度或光束定位精度達不到要求，很輕易造成焊接缺陷。

(2)激光器及相關系統的本錢較高，一次性投資較大。目前，我同在激光焊接沒備的研制方面技術還不是很成熟，生產本錢很高，主要是引進美國和西歐國家的激光器以及配套設施。

4  激光焊接在汽車行業中的應用與發展遠景

高功率CO2及高功率YAG激光器的出現，開辟了激光焊接的新領域。以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等產業領域獲得了日益廣泛的應用。占有關資料統計，在歐美發達產業國家中，有50％～70％的汽車零部件是用激光加工來完成的。其中主要以激光焊接和切割為主，激光焊接在汽車產業中已成為標準工藝。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進行沖壓，這樣制成的面板結構能達到最公道的金屬組合。激光焊接的速度約為4.5m/min，而且很少變形，省往了二次加工。激光焊接加速了用沖壓零件代替鑄造零件的進程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強部件，還可以壓縮車身結構件本身的體積。僅此一項車身的重量就可減少56kg。激光焊接用于車頂外殼與框架的焊接、傳動轉換器蓋板的焊接，由CNC控制，其循環時間約為16s，實際焊接時間僅為3s，一天可連續運行24h。用于焊接小轎車的變速箱總成和底盤，激光束的焊接速度快，易于自動化控制并且易于回并到一個靈活的制造系統中，激光束改進了廠家的產品設計投產周期，降低了成品的廢品率。美國事最早將高功率激光器引進汽車產業的國家，在美國汽車產業中心底特律地區有40余家激光加工站，用于汽車金屬件的切割和齒輪的焊接，使汽車的改型從5年縮短到2年。

目前，一套千瓦級的激光加工機器人系統固然需要幾十萬美元，但新型激光器的安全性和可靠性得到了保證，其故障停機率僅2％，防護措施也極為可靠。激光焊接時需要工件接觸面緊密吻合，這在工藝上是不輕易實現的，但目前先進的夾持方法和適合激光焊接的凸緣設計使這一題目得到了解決。激光焊接技術的逐漸成熟使得各大汽車廠商無一例外的將激光焊接應用到了汽車生產線上。美國通用汽車公司已經采用22條激光加工生產線，美國福特汽車公司采用Nd：YAG激光器結合產業機器人焊接轎車車體，極大地降低了制造本錢。2000年美國三大汽車公司已經有50％的電阻點焊生產線被激光焊生產線所取代。在日本，激光焊接在生產線上成功的應用為世界所矚目，如在汽車車體制造中采用將薄鋼板實施激光焊接后沖壓成形的新方法，現在已為世界上大多數汽車廠家所仿效。世界上很多著名汽車公司都建有專門的激光焊接專用生產線：Thyssen鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產線，奔馳汽車廠的18個廠房里有8個廠房安裝了激光加工設備。

激光焊接在汽車產業中最主要就是應用在汽車車身的焊接和拼接坯板焊接上。為滿足市場和客戶的需求，改善車身和制造工藝是十分必要的，而汽車的車身價值約占汽車總價值的1/5，采用激光焊接工藝使車身的抗沖擊性和抗疲憊性都可以得到明顯改善，進步汽車的品質。激光焊接由于采用計算機控制，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對外形特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件進行焊接，也可以完成車頂和側圍、發動機架和散熱器架等部件的裝配。假如加上光纖傳輸系統和機械手，就可以實現自動化的汽車裝配生產線。使用3kw左右的光纖傳輸的ND：YAG連續激光器，配合點焊系統，和生產線上的夾具相配合，就可以達到自動化焊接的目的。通用、奔馳等都采用了這一系統應用在最新車型的生產線上，激光焊接系統幾乎可以達到完美加工的要求，在效率、經濟、安全、強度、抗腐蝕性上都有優秀表現。

一輛汽車的車身和底盤由300種以上的零件組成，采用激光焊接幾乎可以把所有不分厚度、牌號、種類、等級的材料焊接在一起，制成各種外形的零件，大大進步汽車設計的靈活性。拼接坯板就是在充分分析車身結構的基礎上優化部件設計，使之可以南少數的幾種典型坯板焊接而成。這樣大大降低了模具數目，增加了材料利用率，而且可以在強度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次沖壓成形，減輕了重量，進步了精度，還使得抗腐蝕性和安全性能都有大幅度進步，車身結構也大大簡化。豐田公司的側圍生產線采用了拼接坯板焊接技術，使得模具的數目下降，材料利用率達到65％，加上其它的部件，使得每輛車的本錢下降30多美元，大大增加汽車生產商的效益。

激光焊接技術對傳統的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態度。采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車產業。激光焊接技術在焊接鋁材時，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大。激光器生產廠家應該捉住商機，在激光器的可移動性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產線的需要。國內一些激光產品生產廠家已經逐漸意識到這一點。比如湖北光通光電系統有限公司生產的脈沖Nd：YAG激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以闊別焊接區，激光器性能穩定可靠，壽命長，也可以使用傳統的光學傳輸系統。激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動化生產線。

21世紀汽車產業正在步進能按照用戶要求進行柔性模塊式生產的方式，傳統加工工藝不能滿足新生產方式的需要，這給激光焊接技術的大規模應用提供了一個機遇，激光焊接技術及其激光加工技術在汽車領域中一定會有更大的發展，成為汽車產業中重要的加工方法。