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資訊頻道 1 激光焊的概述
目前汽車車身焊接主要有電阻點焊、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，受激而使電子運動軌道發(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，同時提高光的方向性。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，也能實現(xiàn)連續(xù)發(fā)振。YAG晶體是寶石釔鋁石榴石的簡稱，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、頻率)；（2）方向性—激光傳播時基本不向外擴(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)機器人作為運動系統(tǒng)（如圖1所示）。激光熱源的優(yōu)勢在于，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，可實現(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，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，尤其是透鏡性能會劣化，使透過率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，同時表面污染也會增加傳輸損耗。
（3）焊接機器人：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(qū)別于常規(guī)機器人的絞臂式焊接機器人，通常設(shè)計焊縫自動跟蹤矯正系統(tǒng)。
（4）焊接夾具：可以保證激光焊接時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)、機器人的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和矯正系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)等。對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)、焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和運行軌跡矯正.
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，通常情況下包括激光波長、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)的特點給激光焊接帶來豐富多彩的焊接結(jié)果，同時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。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對其它參數(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，對各種因素要求相對較低，穩(wěn)定性也較高，但是過慢的焊接速度容易對焊接區(qū)域產(chǎn)生較大的熱形變，對長時間衡功率激光輸出，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(dá)到1490℃時，鋼板就會熔化，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，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(kuò)散的熱量達(dá)到平衡時，熔池便不再擴(kuò)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。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， 因為焊接鋼板有2 ～ 4 層， 厚度可達(dá)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，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，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2590℃鋼板就會汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴(kuò)散出熔池，并形成一個蒸汽通道，激光在通道內(nèi)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，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，在蒸汽通道周圍形成金屬熔液流動，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(dá)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。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。因為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。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，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。一般車身的激光焊縫長達(dá)42m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強度和剛性。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)點焊工藝的車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現(xiàn)自動化；
非接觸加工，不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理；
焊點小、能量密度高、適合于高速加工；
短時間焊接，既對外界無熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合加工高熔點、高硬度、特種材料；
無加工噪音，對環(huán)境無污染；
可通過光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時或分時焊接；
很容易改變激光輸出焦距及焊點位置；
很容易搭載到自動機、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，但是強度比普通點焊要強得多。
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，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。
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)場人員管理和項目實施進(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)場管理及調(diào)試部機器人應(yīng)用經(jīng)理，碩士，主要負(fù)責(zé)焊裝事業(yè)部現(xiàn)場機器人工程師的管理以及機器人調(diào)試進(jìn)度控制。
摘自《自動化博覽》2012年第三期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號