孫偉

[摘 要]激光是輻射的受激發(fā)射光放大的簡稱，由于其獨有的高亮度、高方向性、高單色性、高相干性，自誕生以來，其在工業(yè)加工中的應(yīng)用十分廣泛，成為未來制造系統(tǒng)共同的加工手段，其激光焦點的功率密度為104～107W/cm2，加工工件置于激光焦點附近進(jìn)行加熱熔化，熔化現(xiàn)象能否產(chǎn)生和產(chǎn)生的強弱程度主要取決于激光作用材料表面的時間、功率密度和峰值功率。這種焊接工藝在未來工業(yè)事業(yè)中將會得到廣泛的應(yīng)用與研究。

[關(guān)鍵詞]激光焊接 質(zhì)量控制 工藝加工

中圖分類號：TE838 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）21-0385-01

1 引言

激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點和優(yōu)勢，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。

1.1 激光焊接的一般特點

激光焊接是利用激光束作為熱源的一種熱加工工藝，它與電子束等離子束和一般機械加工相比較，有許多優(yōu)點：

（1）激光束激光焦點光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔點、高強度合金材料；

（2）激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。激光束能量可調(diào)，移動速度可調(diào)，可以多種焊接加工；

（3）激光焊接自動化程度高，可以用計算機進(jìn)行控制，焊接速度快，功效高，可方便的進(jìn)行任何復(fù)雜形狀的焊接；

（4）激光焊接熱影響區(qū)小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理；

（5）激光可通過玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件；

（6）激光束易于導(dǎo)向、聚焦，實現(xiàn)各方向變換；

（7）激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴(yán)格的真空設(shè)備系統(tǒng)，操作方便；

（8）激光焊接生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益好。

1.2 汽車構(gòu)件及復(fù)蓋件的組合

轎車車身都采用金屬構(gòu)件和復(fù)蓋件的分塊組合。將各種預(yù)先制好的結(jié)構(gòu)件，例如風(fēng)窗立柱門立柱、門上橫、前后冀子板、前后圍板、頂蓋等零部件通過焊接和鉚接的方式進(jìn)行組合裝配。其中焊接是汽車裝配流水線上不可缺少的工序。車身焊接主要有電阻電焊、縫焊、二氧化碳焊等方式。電阻電焊通過施加在點焊電極上的電流將零件的接觸表面熔化，然后在壓力作用下連接在一起，主要用于車身構(gòu)件及車架的焊接。激光打標(biāo)機，激光打標(biāo)機縫焊用滾輪電極代替電阻電焊的點焊電極，滾輪電極傳遞焊接電流和壓力，其轉(zhuǎn)動與零件的移動相互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生連續(xù)的焊縫，主要用于密封性焊接或縫點焊工件，二氧化碳焊是一種電弧焊，即局部加熱來熔化和連接零件而不需要施壓的一種焊接方法，在電極與工件之間的電弧作為熱源，同時施加二氧化碳遮住電弧和熔化區(qū)，使之與大氣隔開，主要用于車身蒙皮的焊接。

2 激光焊接工藝與方法

2.1 雙、多光束焊接

雙、多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。在激光焊接中，光束焦點位置是最關(guān)鍵的控制工藝參數(shù)之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳位置范圍內(nèi)才能獲得最大熔深和好的焊縫形狀。在實際激光焊接中，為了避免和減少影響焦點位置穩(wěn)定性的因素，需要專門的夾緊和設(shè)備技術(shù)，這種設(shè)備的精確程度與激光焊接的質(zhì)量高低是相輔相成的。

2.2 激光電弧復(fù)合焊

激光電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。而激光-電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法，利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。

激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光-電弧復(fù)合焊方法實現(xiàn)較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實現(xiàn)二維和三維焊接。

2.3 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，如果焦點靠近工件，工仵就會在幾毫秒內(nèi)熔化和蒸發(fā)，這一效應(yīng)可用于焊接工藝。激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類，激光打標(biāo)機，激光焊接機。一類是固體激光器，又稱Nd：YAG激光器。Nd（釹）是一種稀土族元素，YAG代表釔鋁柘榴石，晶體結(jié)構(gòu)與紅寶石相似。Nd：YAG激光器波長為1.06μm，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復(fù)雜的光束傳送系統(tǒng)，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。汽車工業(yè)常用輸出功率為3-4千瓦的Nd：YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6μm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2-5千瓦之間。

3 激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制

激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計算機處理方法，針對不同的激光焊接過程和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測等，并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的自動化激光焊接過程。

3.1 激光焊接過程監(jiān)測

利用各種傳感器對激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測是常用和有效的方法。根據(jù)檢測信號的不同，激光焊接質(zhì)量檢測主要包括以下幾種方式：

（1）光信號檢測。檢測對象為激光焊接過程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測、側(cè)面檢測和背面檢測。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD和高速攝像機，以及光譜分析儀等。

（2）聲音信號檢測。檢測對象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。

（3）等離子體電荷信號。檢測對象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。

利用光電傳感器檢測激光焊接過程中等離子體光輻射強度的變化是激光焊接過程監(jiān)測與控制的重要方法之一。

3.2 激光焊接過程控制

激光焊接過程控制的主要內(nèi)容是對焊接工藝參數(shù)控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳焦點位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。

4 激光焊接汽車工業(yè)應(yīng)用

汽車工業(yè)中，激光技術(shù)主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設(shè)計制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過激光截剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造。目前用激光焊接技術(shù)，工件連接之間的接合面寬度可以減少，既降低了板材使用量也提高了車體的剛度。激光焊接零部件，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理，目前激光焊接零部件已經(jīng)廣泛采用，常見于變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈等。

5 結(jié)論

激光焊接技術(shù)是一種高新技術(shù)，由于其獨有的特點，特別適合在傳感器密封焊中使用，為提高國內(nèi)傳感器整體水平以及發(fā)展民族激光產(chǎn)業(yè)，我國的傳感器生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快采用國產(chǎn)激光焊接機來生產(chǎn)加工傳感器，以增加產(chǎn)品競爭力，開拓國際市場。