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    1 激光焊的概述

   目前汽車車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)主要用于車身不等厚板的拼焊和車身焊接。激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)圍的焊接。激光焊接運(yùn)用于汽車，可以降低車身重量從而達(dá)到省油目的；提高車身的裝配精度，使車身剛度提升30%，從而提高了車身安全性；降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數(shù)目，提高車身一體化程度。從20世紀(jì)80年代開始，激光焊接技術(shù)開始運(yùn)用于汽車車身制造領(lǐng)域，主要是應(yīng)用于激光焊接車身。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(xiàn)焊接過程。激光焊接設(shè)備使用的激光器主要有兩大類：一類是固體激光器，又稱Nd∶YAG激光器，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4kW的Nd∶YAG激光器；另一類是CO2激光器，分子氣體做工作介質(zhì)，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之間。目前車身應(yīng)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（通過誘導(dǎo)放出實(shí)現(xiàn)光能增幅）的英語開頭字母。激光即“受激輻射放大”是通過強(qiáng)光照射激光發(fā)生介質(zhì)，使介質(zhì)內(nèi)部原子的電子獲得能量，受激而使電子運(yùn)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(yīng)，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，必須要有封閉光線的諧振腔，使觀光束在置于激光發(fā)生介質(zhì)兩側(cè)的反射鏡之間往復(fù)振蕩，進(jìn)而提高光強(qiáng)，同時(shí)提高光的方向性。含有釹（Nd）的YAG結(jié)晶體發(fā)生的激光是一種人眼看不見的波長(zhǎng)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(xiàn)連續(xù)發(fā)振。YAG晶體是寶石釔鋁石榴石的簡(jiǎn)稱，具有優(yōu)異的光學(xué)特性，是最佳的激光發(fā)振用結(jié)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(zhǎng)、頻率)；（2）方向性—激光傳播時(shí)基本不向外擴(kuò)散；（3）相干性—激光的位相(波峰和波谷)很有規(guī)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光的幾百倍。

    3 激光焊的架構(gòu)

   激光焊接應(yīng)用采用激光作為焊接熱源，工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（如圖1所示）。激光熱源的優(yōu)勢(shì)在于，它有著極高的加熱能力，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(xiàn)薄板的快速連接。
            
                     

                     

                          圖1 以SCANSONIC激光頭為例激光焊接結(jié)構(gòu)  

    （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(shì)，是目前深熔焊接主要采用的激光源（如圖2所示）。

   （2）光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)：光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖及聚焦鏡等組成（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)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(duì)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，使透過率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，同時(shí)表面污染也會(huì)增加傳輸損耗。

   （3）焊接機(jī)器人：由于激光熔焊、激光-MIG復(fù)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(duì)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(jī)器人。對(duì)于對(duì)接焊縫的激光釬焊和激光焊必須采用區(qū)別于常規(guī)機(jī)器人的絞臂式焊接機(jī)器人，通常設(shè)計(jì)焊縫自動(dòng)跟蹤矯正系統(tǒng)。

   （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(tǒng)：控制系統(tǒng)主要包括焊接過程的視頻監(jiān)視系統(tǒng)、機(jī)器人的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和矯正系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)等。對(duì)于不同的激光焊接方式，控制系統(tǒng)的組成也有所相同。激光熔焊無需送絲系統(tǒng)、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和運(yùn)行軌跡矯正.
  
                   

                                      圖2 IPG激光源  

   4 激光焊的工藝參數(shù)

    眾所周知，激光焊接具有多參數(shù)特點(diǎn)，通常情況下包括激光波長(zhǎng)、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（或稱焦點(diǎn)位置）、氣體保護(hù)方式、保護(hù)氣種類及流量、接頭間隙等激光加工參數(shù)，另外還包括焊接結(jié)構(gòu)、焊接材料、工件厚度等工件特性和參數(shù)。如果是激光填絲焊（或激光硬纖焊），激光焊接參數(shù)應(yīng)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(shù)。
           
                         

                                     圖3 Scansonic激光頭  

    激光焊接多參數(shù)的特點(diǎn)給激光焊接帶來豐富多彩的焊接結(jié)果，同時(shí)也給研究激光焊接帶來很多可變因素和新的課題。無論在開環(huán)控制還是閉環(huán)控制下，激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化或最佳工藝參數(shù)確定的難度和工作量都有所增加。由于汽車工業(yè)要求用于大批量生產(chǎn)的各種生產(chǎn)工藝要穩(wěn)定、可靠且易于控制，因此如何通過篩選和有效控制最少的激光參數(shù)來達(dá)到最大控制激光焊接結(jié)果則顯得非常重要。在激光釬焊中，由于焊絲具有一定的強(qiáng)度，可以在焊接過程中作為導(dǎo)向指針，整個(gè)伸縮臂由焊絲導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣就彌補(bǔ)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(shù)是需要多次調(diào)試后，才能得出的，往往可以得出幾套較為理想的參數(shù)，但總體來講，在滿足客戶焊接工位節(jié)拍的前提下，快的焊接速度需要更大的激光功率，但是過快的焊接速度也會(huì)對(duì)其它參數(shù)因素要求更高，造成焊接穩(wěn)定性差。慢的焊接速度可以不用很高的激光功率，對(duì)各種因素要求相對(duì)較低，穩(wěn)定性也較高，但是過慢的焊接速度容易對(duì)焊接區(qū)域產(chǎn)生較大的熱形變，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間衡功率激光輸出，激光設(shè)備不利，鏡組也不利。
  
                       
                                             圖4 焊縫跟蹤系統(tǒng)

    5 激光焊的應(yīng)用

    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(jìn)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。

   5.1 熔焊

    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。

    5.1.1 熱傳導(dǎo)焊

   由于激光匯聚于一點(diǎn)時(shí)會(huì)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(dá)到1490℃時(shí)，鋼板就會(huì)熔化，利用此種熱效應(yīng)進(jìn)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(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(dāng)吸收的激光能量與熔池向四周擴(kuò)散的熱量達(dá)到平衡時(shí)，熔池便不再擴(kuò)大。沿預(yù)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(dǎo)焊的優(yōu)點(diǎn)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。此焊接方式多用于平板拼焊。

    5.1.2 穿透焊

   在汽車白車身上， 因?yàn)楹附愉摪逵? ～ 4 層， 厚度可達(dá)4mm，所以對(duì)焊縫的深度有更高的要求，此時(shí)熱傳導(dǎo)焊無法滿足工藝的要求，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(duì)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(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(kuò)散出熔池，并形成一個(gè)蒸汽通道，激光在通道內(nèi)進(jìn)行多次反射可以使金屬對(duì)激光能量的吸收率增加到75%，在這里稱之為“小孔效應(yīng)”，當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴(kuò)散出熔池時(shí)，熔池便不再加深，形成一個(gè)穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。熔池經(jīng)過的位置，在蒸汽通道周圍形成金屬熔液流動(dòng)，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強(qiáng)度焊縫。與熱傳導(dǎo)焊相比，穿透焊的優(yōu)勢(shì)在于其焊接深度更深、速度更快，對(duì)于4mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達(dá)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(shè)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(yīng)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，產(chǎn)生的熱變形小，汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。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(jìn)行密封。穿透焊的過程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進(jìn)行穿透焊接，無焊絲填充，機(jī)器人帶動(dòng)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。因?yàn)楹附又行枰刍ぜ栽诤缚p的兩端需要設(shè)置功率斜坡，即在焊接起始時(shí)，功率在30ms內(nèi)從1kW線性增加至4kW，結(jié)束時(shí)功率在30ms內(nèi)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(xù)型激光發(fā)生器，最高輸出可達(dá)4kW，由于焊絲的熔點(diǎn)相對(duì)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(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(jī)器人帶動(dòng)自適應(yīng)式焊接鏡頭，轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)伸縮臂在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)。一般車身的激光焊縫長(zhǎng)達(dá)42m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強(qiáng)度和剛性。采用激光釬焊的車頂只有一條細(xì)致平滑的焊縫，直接作為外表面以增加車身的流線視覺效果，而采用傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝的車頂則有兩條橡膠密封條。

    6 激光焊的優(yōu)勢(shì)

    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(qū)小導(dǎo)致工件收縮和變形很小，無需焊后矯形；

   焊縫強(qiáng)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(wěn)定性好一般不加填充金屬和焊劑，并能實(shí)現(xiàn)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(xiàn)自動(dòng)化；

   非接觸加工，不需對(duì)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(duì)外界無熱影響，又對(duì)材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料；

   無加工噪音，對(duì)環(huán)境無污染；

   可通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)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(jī)、機(jī)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(duì)而言對(duì)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(duì)于釬焊更粗糙，但是強(qiáng)度比普通點(diǎn)焊要強(qiáng)得多。

    7 結(jié)語

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

   湯旭東男，現(xiàn)任柯馬（上海）工程有限公司焊裝事業(yè)部現(xiàn)場(chǎng)管理及調(diào)試部經(jīng)理，碩士，主要負(fù)責(zé)焊裝事業(yè)部所有現(xiàn)場(chǎng)人員管理和項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度掌控等。

   徐平男，現(xiàn)任柯馬（上海）工程有限公司焊裝事業(yè)部現(xiàn)場(chǎng)管理及調(diào)試部機(jī)器人應(yīng)用經(jīng)理，碩士，主要負(fù)責(zé)焊裝事業(yè)部現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人工程師的管理以及機(jī)器人調(diào)試進(jìn)度控制。   

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第三期