激光焊接技術(shù)及其在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

        激光焊接自上世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，激光以其相干性好、能量密度高、準(zhǔn)直性好等優(yōu)異特性，在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。在材料加工領(lǐng)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(biāo)、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細(xì)加工等等。利用激光來(lái)焊接金屬材料有很多優(yōu)越性：方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域小，對(duì)原材料性質(zhì)和形態(tài)的改變均很小；易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控，可以焊接外形特殊的工件；激光能量集中、作用時(shí)間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)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(yīng)用越來(lái)越普遍，正逐步從特種加工轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)加工工藝。

1  激光焊接的原理和技術(shù)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(shù)應(yīng)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(yōu)良焊接接頭的工藝過(guò)程。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過(guò)程屬于熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)使工件熔化，形成特定的熔池。

1.2激光焊接的技術(shù)可行性

激光最基本的特點(diǎn)就是：?jiǎn)紊?、方向性、相關(guān)性。這些獨(dú)特性質(zhì)加上由此而來(lái)的超高亮度、超短脈沖等性質(zhì)使它已經(jīng)牢牢地和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)結(jié)合在一起，這些特性非常適合焊接加工。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器。激光器一般按產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)不同來(lái)分類，主要有半導(dǎo)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(diào)諧染料等)激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器等。目前廣泛應(yīng)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(zhì)，產(chǎn)生均勻?yàn)?0.6μm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2～5kw之問(wèn)。它是目前種類最多，激勵(lì)方式最多樣化，激光波長(zhǎng)分布區(qū)域最寬，輕易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，應(yīng)用最廣泛的一類激光器。另一類是固體激光器，將產(chǎn)生激光的粒子摻于同體基質(zhì)，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(jī)構(gòu)緊湊、牢固耐用等特點(diǎn)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)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(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用穩(wěn)步增長(zhǎng)，由脈沖到連續(xù)，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡(jiǎn)單單縫到復(fù)雜外形，激光焊接在不斷的演化過(guò)程中已經(jīng)逐步成為一種成熟的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)。激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接，在連續(xù)焊接中又可分為熱傳導(dǎo)焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的進(jìn)步，特別是高功率CO2激光器的出現(xiàn)，激光深穿透技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展，最大的焊接深寬比已經(jīng)達(dá)到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發(fā)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(dá)到了每分鐘幾十米。激光焊接技術(shù)日益成熟，并大量應(yīng)用到生產(chǎn)線上，在汽車生產(chǎn)線上如齒輪焊接、汽車底板及結(jié)構(gòu)件(包括車門車身)的高速拼焊中已取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2  激光焊接的工藝參數(shù)和工藝方法

2.1激光焊接的工藝參數(shù)

2.1.1功率密度

功率密度是激光加工中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。采用較高的功率密度，在微秒時(shí)問(wèn)范圍內(nèi)，表層即可加熱至沸點(diǎn)，汽化。因此，高功率密度對(duì)于材料往除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對(duì)于較低功率密度，表層溫度達(dá)到沸點(diǎn)需要經(jīng)歷數(shù)毫秒，在表層汽化前，底層達(dá)到熔點(diǎn)，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導(dǎo)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(gè)重要題目，尤其對(duì)于薄片焊接更為重要。當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)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(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，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(shù)之一，它既是區(qū)別于材料往除和材料熔化的重要參數(shù)，也是決定加工設(shè)備造價(jià)及體積的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.4離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

激光焊接通常需要一定的離焦量，由于激光焦點(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，輕易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。按照幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上功率密度近似相同，但實(shí)際上所獲得的熔池外形不同。負(fù)離焦時(shí)，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過(guò)程有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，激光加熱50～200μs材料開(kāi)始熔化，形成液相金屬并出現(xiàn)部分汽化，形成高壓蒸汽，并以極高的速度噴射，發(fā)出刺眼的白光。與此同時(shí)，高濃度汽體使液相金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊沿，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦時(shí)，材料內(nèi)部功率密度比表面還高，易形成更強(qiáng)的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)要求熔深較大時(shí)，采用負(fù)離焦；焊接薄材料時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)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(yīng)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(shù)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(diǎn)

激光焊接有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

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(shí)，深寬比可達(dá)5:1，最高可達(dá)12:1。由于熔深大，可以獲得良好的焊接接頭，同時(shí)焊接邊沿坡口角度小，小體積焊縫節(jié)省了填充材料。

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

3.3激光焊接能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高反射率、高導(dǎo)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(jìn)行焊接，焊接裝置簡(jiǎn)單。例如，激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能穿過(guò)玻璃或光束透明的材料進(jìn)行焊接。

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

3.6激光束易實(shí)現(xiàn)按時(shí)問(wèn)與空間分光，能進(jìn)行多光束同時(shí)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(xiàn)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(shí)要在焊縫中加進(jìn)填充金屬材料，如若工件裝備精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很輕易造成焊接缺陷。

(2)激光器及相關(guān)系統(tǒng)的本錢較高，一次性投資較大。目前，我同在激光焊接沒(méi)備的研制方面技術(shù)還不是很成熟，生產(chǎn)本錢很高，主要是引進(jìn)美國(guó)和西歐國(guó)家的激光器以及配套設(shè)施。

4  激光焊接在汽車行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展遠(yuǎn)景

高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開(kāi)辟了激光焊接的新領(lǐng)域。以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車、鋼鐵等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。占有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在歐美發(fā)達(dá)產(chǎn)業(yè)國(guó)家中，有50％～70％的汽車零部件是用激光加工來(lái)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(chǎn)業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行沖壓，這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)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(jìn)程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強(qiáng)部件，還可以壓縮車身結(jié)構(gòu)件本身的體積。僅此一項(xiàng)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(dòng)轉(zhuǎn)換器蓋板的焊接，由CNC控制，其循環(huán)時(shí)間約為16s，實(shí)際焊接時(shí)間僅為3s，一天可連續(xù)運(yùn)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(dòng)化控制并且易于回并到一個(gè)靈活的制造系統(tǒng)中，激光束改進(jìn)了廠家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)投產(chǎn)周期，降低了成品的廢品率。美國(guó)事最早將高功率激光器引進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)家，在美國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)中心底特律地區(qū)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(jí)的激光加工機(jī)器人系統(tǒng)固然需要幾十萬(wàn)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(jī)率僅2％，防護(hù)措施也極為可靠。激光焊接時(shí)需要工件接觸面緊密吻合，這在工藝上是不輕易實(shí)現(xiàn)的，但目前先進(jìn)的夾持方法和適合激光焊接的凸緣設(shè)計(jì)使這一題目得到了解決。激光焊接技術(shù)的逐漸成熟使得各大汽車廠商無(wú)一例外的將激光焊接應(yīng)用到了汽車生產(chǎn)線上。美國(guó)通用汽車公司已經(jīng)采用22條激光加工生產(chǎn)線，美國(guó)福特汽車公司采用Nd：YAG激光器結(jié)合產(chǎn)業(yè)機(jī)器人焊接轎車車體，極大地降低了制造本錢。2000年美國(guó)三大汽車公司已經(jīng)有50％的電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)線被激光焊生產(chǎn)線所取代。在日本，激光焊接在生產(chǎn)線上成功的應(yīng)用為世界所矚目，如在汽車車體制造中采用將薄鋼板實(shí)施激光焊接后沖壓成形的新方法，現(xiàn)在已為世界上大多數(shù)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(chǎn)線：Thyssen鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產(chǎn)線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)線，奔馳汽車廠的18個(gè)廠房里有8個(gè)廠房安裝了激光加工設(shè)備。

激光焊接在汽車產(chǎn)業(yè)中最主要就是應(yīng)用在汽車車身的焊接和拼接坯板焊接上。為滿足市場(chǎng)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(jià)值約占汽車總價(jià)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(jìn)步汽車的品質(zhì)。激光焊接由于采用計(jì)算機(jī)控制，所以具有較強(qiáng)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，可以對(duì)外形特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件進(jìn)行焊接，也可以完成車頂和側(cè)圍、發(fā)動(dòng)機(jī)架和散熱器架等部件的裝配。假如加上光纖傳輸系統(tǒng)和機(jī)械手，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的汽車裝配生產(chǎn)線。使用3kw左右的光纖傳輸?shù)腘D：YAG連續(xù)激光器，配合點(diǎn)焊系統(tǒng)，和生產(chǎn)線上的夾具相配合，就可以達(dá)到自動(dòng)化焊接的目的。通用、奔馳等都采用了這一系統(tǒng)應(yīng)用在最新車型的生產(chǎn)線上，激光焊接系統(tǒng)幾乎可以達(dá)到完美加工的要求，在效率、經(jīng)濟(jì)、安全、強(qiáng)度、抗腐蝕性上都有優(yōu)秀表現(xiàn)。

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(hào)、種類、等級(jí)的材料焊接在一起，制成各種外形的零件，大大進(jìn)步汽車設(shè)計(jì)的靈活性。拼接坯板就是在充分分析車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化部件設(shè)計(jì)，使之可以南少數(shù)的幾種典型坯板焊接而成。這樣大大降低了模具數(shù)目，增加了材料利用率，而且可以在強(qiáng)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(jìn)步了精度，還使得抗腐蝕性和安全性能都有大幅度進(jìn)步，車身結(jié)構(gòu)也大大簡(jiǎn)化。豐田公司的側(cè)圍生產(chǎn)線采用了拼接坯板焊接技術(shù)，使得模具的數(shù)目下降，材料利用率達(dá)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(chǎn)商的效益。

激光焊接技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來(lái)了沖擊性的影響，各大汽車公司對(duì)此都抱有十分積極的態(tài)度。采用新技術(shù)就意味著更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，特別是競(jìng)爭(zhēng)殘酷的汽車產(chǎn)業(yè)。激光焊接技術(shù)在焊接鋁材時(shí)，用焊接件代替鑄件以及全車身構(gòu)架結(jié)構(gòu)焊接的應(yīng)用前途最大。激光器生產(chǎn)廠家應(yīng)該捉住商機(jī)，在激光器的可移動(dòng)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(chǎn)線的需要。國(guó)內(nèi)一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識(shí)到這一點(diǎn)。比如湖北光通光電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的脈沖Nd：YAG激光焊接機(jī)利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以闊別焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)，也可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)傳輸系統(tǒng)。激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機(jī)多用途，特別適用于激光加工車間和自動(dòng)化生產(chǎn)線。

21世紀(jì)汽車產(chǎn)業(yè)正在步進(jìn)能按照用戶要求進(jìn)行柔性模塊式生產(chǎn)的方式，傳統(tǒng)加工工藝不能滿足新生產(chǎn)方式的需要，這給激光焊接技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了一個(gè)機(jī)遇，激光焊接技術(shù)及其激光加工技術(shù)在汽車領(lǐng)域中一定會(huì)有更大的發(fā)展，成為汽車產(chǎn)業(yè)中重要的加工方法。