彭禮 陸殿春 李德君

（1長(zhǎng)春一汽富維江森自控汽車金屬零部件有限公司，長(zhǎng)春，130033；2沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng)，110168)

0 引言

自1960年世界上第一臺(tái)激光器誕生以來，人們對(duì)其在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)工作就一直在進(jìn)行。經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，尤其是最近10年，激光焊接技術(shù)已經(jīng)在航空航天、造船和海洋工程、核電設(shè)備、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，成為金屬材料加工與制造的重要工藝手段，幾乎涵蓋了所有金屬材料。

激光焊接技術(shù)由于具有能量密度高、熱影響區(qū)窄、工件焊接變形小、可實(shí)現(xiàn)高速焊接、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及與工業(yè)機(jī)器人配合工作、焊接后續(xù)加工量小甚至不用后續(xù)加工等諸多特點(diǎn)，因此成為一種革命性的制造工藝技術(shù)。

激光焊接技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如變速器齒輪、尾氣排放系統(tǒng)（岐管、排氣管和消聲器等）、變速器雙聯(lián)齒輪、減震器儲(chǔ)油缸筒體、濾清器和車門鉸鏈，尤其是在汽車車身、座椅金屬件的制造中，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用最近幾年呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。

作為汽車非常重要的部件，座椅金屬件包括骨架、滑軌、調(diào)角器、升降器、座盆等部件，目前國(guó)內(nèi)的汽車座椅供應(yīng)商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全激光焊接技術(shù)。

圖1、圖2為激光焊接的座椅零部件示例。

圖1 調(diào)角器激光焊接

1 激光焊接系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 主要激光器性能特點(diǎn)

激光器種類繁多，新型激光器也不斷被開發(fā)，目前在激光焊接領(lǐng)域應(yīng)用較廣的是大功率CO2激光器、大功率Nd:YAG激光器、光纖激光器等。

1.1.1 大功率CO2激光器

大功率CO2激光器是一種氣體激光器，可產(chǎn)生波長(zhǎng)10600nm的紅外激光，具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、功率密度大、運(yùn)行成本低、既能連續(xù)輸出又能脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)氣體流動(dòng)方向、放電方向和光軸方向的相互位置不同，大功率CO2激光器主要分為橫向流動(dòng)（簡(jiǎn)稱橫流）CO2激光器和軸向流動(dòng)（簡(jiǎn)稱軸流）CO2激光器兩大類。

與固體激光器比較，氣體激光器的激活離子密度較低，需要較大體積的工作物質(zhì)，因此氣體激光器的體積都比較龐大，不容易做到大能量脈沖輸出。

1.1.2 大功率Nd:YAG激光器

大功率Nd:YAG激光器是一種固體激光器，輸出的激光波長(zhǎng)為1064nm，相當(dāng)于CO2激光波長(zhǎng)的1/10。較小的波長(zhǎng)對(duì)聚焦、光纖傳輸和金屬表面吸收等有利，與金屬的耦合效率較高，加工性能良好。

Nd:YAG激光器可以與光纖耦合，借助時(shí)間分割和功率分割多路系統(tǒng)，可以方便地將一束激光傳輸給多個(gè)工位或遠(yuǎn)距離工位，便于激光加工實(shí)現(xiàn)柔性化。

Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)較為緊湊，LD（半導(dǎo)體）泵浦全固態(tài)激光器是目前YAG激光器的主要研究和發(fā)展方向。

目前，國(guó)外Nd:YAG激光器最大輸出功率達(dá)10kW，而包括汽車在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的則是3kW和4kW的Nd:YAG激光器。最近幾年，半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG激光器制造技術(shù)飛速發(fā)展，最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到和氙燈泵浦Nd:YAG激光器同樣級(jí)別。Trumpf公司生產(chǎn)的氙燈泵浦Nd:YAG激光器的最大輸出功率為5.5kW，而半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG激光器的最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到6kW。

1.1.3 光纖激光器

光纖激光器是以光纖為工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）的中紅外波段激光器，近年來應(yīng)用越來越廣泛。在機(jī)器人激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域，光纖激光器有逐漸替代CO2激光器和YAG激光器的趨勢(shì)。國(guó)外光纖激光器的最大功率已經(jīng)達(dá)到100kW以上。

通過對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率、最大輸出功率、光束質(zhì)量、工作壽命、維護(hù)性等諸多性能進(jìn)行對(duì)比，光纖激光器都顯示出較強(qiáng)的優(yōu)越性，尤其是隨著汽車工業(yè)零部件生產(chǎn)智能化的發(fā)展，其在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的潮流。由于光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)全光路光纖化，因此非常適合與工業(yè)機(jī)器人及遠(yuǎn)程激光焊接頭結(jié)合使用。

表1是光纖激光器與其他三種常見激光器多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比，從表中我們可以看出，光纖激光器是未來激光器發(fā)展的重要方向。

1.2 激光焊接光學(xué)系統(tǒng)

在激光焊接加工過程中，激光器輸出的激光經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)或者勻光系統(tǒng)，照射到被加工工件上，以滿足激光焊接的要求。

1.2.1 光纖導(dǎo)光系統(tǒng)

激光光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)包括：光纖傳輸系統(tǒng)比透鏡、反射鏡、棱鏡等系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔性好、靈活方便，可以加工常規(guī)系統(tǒng)不容易加工到的部位；光纖傳輸系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器輸出，可輪流或者同時(shí)導(dǎo)向多個(gè)焊接工位；采用光纖傳輸系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而且光束不發(fā)散；采用光纖傳輸系統(tǒng)可以顯著改善加工面光束的均勻性，使加工區(qū)域的邊緣更清晰。

光纖便于與機(jī)器人或其他設(shè)備耦合，但由于光纖傳輸存在光纖端面的反射損耗、光纖的吸收損耗、散射損耗等，所以光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸效率約為90%，且僅可以用于波長(zhǎng)為1064nm的Nd:YAG激光器的傳輸，波長(zhǎng)為10600nm的CO2激光器因熱損嚴(yán)重，一般不采用。

1.2.2 激光焊接加工頭

激光焊接加工頭又稱為激光焊接聚焦槍，主要光路由光纖接口、準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)等構(gòu)成。激光器發(fā)生的激光經(jīng)光纖傳導(dǎo)進(jìn)入激光焊接加工頭，經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)后，激光聚焦光斑投射到被焊接材料表面。圖3 為連接到機(jī)器人的激光焊接加工頭。

表1 光纖激光器與其他常用激光器主要指標(biāo)對(duì)比

圖3 激光焊接加工頭

1.2.3 激光焊接掃描器

激光焊接掃描器又稱為激光焊接振鏡，目前最常見的為機(jī)械振動(dòng)式反射鏡，簡(jiǎn)稱振鏡。振鏡掃描一般是采用兩個(gè)帶有長(zhǎng)方形光學(xué)反射鏡片的伺服控制器，在相互垂直的X、Y方向以不同的頻率掃描，光點(diǎn)合成的軌跡類似電學(xué)中的李薩育圖形。激光焊接振鏡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光焊接振鏡結(jié)構(gòu)

該款激光焊接振鏡主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）可以通過多種標(biāo)準(zhǔn)光纖轉(zhuǎn)換接頭與光纖連接；

2）聚焦模塊M=3.0；

3）當(dāng)光纖芯徑為200μm時(shí)，焦點(diǎn)直徑為600μm；

4）工作距離為600mm；

5）加工范圍為200mm×300mm×200mm；

6）集成Z軸，Z軸焦點(diǎn)位置可變，但焦點(diǎn)直徑不變；

7）氣刀的形式及安裝高度選擇非常重要，它可對(duì)激光焊接過程中產(chǎn)生的飛濺和金屬粉塵進(jìn)行強(qiáng)力吹掃，以保護(hù)鏡片和透鏡；

8）CCTV（Closed Circuit Television，閉合回路電視）也稱作錄像監(jiān)控系統(tǒng)；

9）保護(hù)鏡片和過程監(jiān)控系統(tǒng)；

10）引導(dǎo)光，用于調(diào)試過程中焊縫軌跡的檢測(cè)和調(diào)整。

1.3 激光水冷卻系統(tǒng)

激光水冷卻系統(tǒng)，主要是激光器和振鏡的水冷卻。冷卻水的水質(zhì)、溫度設(shè)定等參數(shù)，各設(shè)備廠家均有詳盡的規(guī)定，務(wù)必嚴(yán)格按照說明書執(zhí)行，防止對(duì)設(shè)備造成損傷。尤其是振鏡冷卻水的溫度必須高于相對(duì)于環(huán)境溫度的結(jié)露點(diǎn)溫度，防止在振鏡內(nèi)部光學(xué)鏡片上出現(xiàn)冷凝水。

1.4 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

根據(jù)不同的激光加工頭選用不同負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)6軸工業(yè)機(jī)器人。

如果采用激光焊接頭進(jìn)行激光焊接加工，一般選用第6軸額定負(fù)載20kg的工業(yè)機(jī)器人，所有焊縫軌跡均由工業(yè)機(jī)器人完成，這對(duì)工業(yè)機(jī)器人的軌跡精度及加減速性能要求非常高，尤其是涉及激光加工頭需要變姿態(tài)的小直徑圓弧軌跡焊縫的激光焊接，對(duì)工業(yè)機(jī)器人小圓弧軌跡功能有很高的要求。

如果采用振鏡進(jìn)行激光焊接，根據(jù)常見振鏡的重量，一般選用第6軸額定負(fù)載為50kg的工業(yè)機(jī)器人。振鏡激光焊接又分為兩種方式。

一種方式是機(jī)器人將振鏡移動(dòng)到待焊接區(qū)域后，由振鏡進(jìn)行可達(dá)區(qū)域內(nèi)焊縫的激光焊接，完成焊縫軌跡；焊接時(shí)，機(jī)器人靜止。一區(qū)域焊縫焊接完畢后，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)入下一待焊接區(qū)域。

另外一種方式是飛行焊（Flying Welding），即機(jī)器人以恒定速度按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)振鏡完成焊縫軌跡，進(jìn)行激光焊接。這種方式可有效提高工作效率、增加產(chǎn)量，但需要工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與振鏡系統(tǒng)有完善的算法銜接。

1.5 激光焊接接頭及工裝夾具

由于激光焊接具有密度能量高及焊接變形小的特點(diǎn)，因此激光焊接接頭與工裝夾具相較于弧焊有著其獨(dú)特的設(shè)計(jì)原則。

1.5.1 激光焊接接頭

激光焊接接頭貼合一定要緊密，由于自熔激光焊接接頭間隙控制在0.2mm以內(nèi)，所以必須增加定位和夾緊點(diǎn)，甚至要適度“過定位”，以保證焊接接頭材料的可靠貼合，獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊縫，提高焊接成品率。

1.5.2 激光焊接工裝夾具

與弧焊工裝夾具比較，激光焊接工裝夾具焊縫可達(dá)性的設(shè)計(jì)要求不高，焊縫附近空間只要保證激光能夠照射到即可，但要充分考慮激光照射角度，避免在激光光路上產(chǎn)生遮擋現(xiàn)象。由于激光焊接工件在大多數(shù)情況下要求焊接節(jié)拍很快，因此工裝夾具的設(shè)計(jì)要以提高自動(dòng)化水平為原則，對(duì)氣缸和傳感器的使用較多。

1.6 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)

電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要有PLC系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、人工交互系統(tǒng)、信息傳送系統(tǒng)等組成。MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)接口的預(yù)留及軟件開發(fā)和儲(chǔ)備，是汽車座椅機(jī)器人激光焊接工作站的發(fā)展趨勢(shì)。

1.7 生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)

激光焊接由于危險(xiǎn)性高，所以均是在封閉空間內(nèi)進(jìn)行，一般在工作站內(nèi)部安裝攝像監(jiān)控設(shè)備，并將圖像傳送到激光焊接工作站外的顯示器上，便于操作、維護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人激光焊接工作站內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并及時(shí)處理問題。

1.8 激光焊接監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制系統(tǒng)

激光焊接過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究的一個(gè)重要內(nèi)容，其利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法，針對(duì)不同的激光焊接過程和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量檢測(cè)等，并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過程。

激光焊接監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制系統(tǒng)分為：焊前監(jiān)測(cè)、焊接過程監(jiān)測(cè)、焊后監(jiān)測(cè)。

激光焊接過程監(jiān)測(cè)主要是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、等離子、背景反射光（back reflection）、熔池形狀（melt pool geometry），并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，確定激光焊接的熔透狀態(tài)及可能缺陷。激光焊接過程監(jiān)測(cè)從早期采用1-2個(gè)傳感器采集激光焊接過程中的相應(yīng)信息，近年來發(fā)展到采用多傳感器獲取激光焊接過程中的焊接質(zhì)量信息，如使用四種傳感器對(duì)激光焊接過程中的等離子體、反色光、激光功率、熔池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性都得到大幅提高。

2 激光焊接工藝

2.1 激光焊接原理

2.1.1 激光熱傳導(dǎo)焊接（Conduction Welding）

激光熱傳導(dǎo)焊接原理是通過激光輻射能量作用于材料表面并轉(zhuǎn)化為熱能，表面熱能通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使材料熔化，在兩材料的鏈接區(qū)部分形成熔池，熔池隨著激光束向前移動(dòng)，熔池中的熔融金屬隨之凝固，形成鏈接兩材料的焊縫。如圖5所示。

圖5 激光熱傳導(dǎo)焊接原理

激光熱傳導(dǎo)焊接特點(diǎn)是熔深淺、焊縫截面輪廓近似球形，激光功率密度一般在105W/cm2以下，較適合板厚1mm以下的鋼板焊接。

2.1.2 激光深熔焊接（Deep penetration welding）

激光深熔焊接原理：當(dāng)照射到焊縫激光功率密度達(dá)到106～107W/cm2以上時(shí)，激光功率輸入速度遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射散熱的速率，材料表面會(huì)發(fā)生熔化和氣化而形成匙孔（Keyhole），如圖6所示。匙孔內(nèi)金屬蒸氣壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動(dòng)態(tài)平衡，激光可以通過匙孔直射到孔底，產(chǎn)生匙孔效應(yīng)（Keyhole Effect）。匙孔能將射入的激光能量完全吸收，從而能量被母材吸收。隨著激光光束向前移動(dòng)，匙孔始終處于穩(wěn)定移動(dòng)狀態(tài)，母材在熔池前端熔化，并繞著匙孔流動(dòng)到熔池后方凝固，形成焊縫。

圖6 激光深熔焊接原理

2.2 激光焊接主要工藝參數(shù)

2.2.1 激光波長(zhǎng)

激光焊接能否順利進(jìn)行，取決于激光束能量與材料的耦合效率，不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收率不同。汽車座椅金屬件多為低碳鋼和低合金鋼，現(xiàn)在多選用激光波長(zhǎng)為1064nm的光纖激光器。

2.2.2 激光器額定功率及激光功率密度

現(xiàn)代汽車制造業(yè)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍要求越來越高，以相對(duì)小的投資獲得盡可能快的生產(chǎn)節(jié)拍，是所有汽車零部件制造商追求的目標(biāo)。激光器額定功率和激光功率密度對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍影響重大，我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)備選擇的時(shí)候應(yīng)全面考慮，進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，具體應(yīng)從3方面進(jìn)行綜合分析選擇：生產(chǎn)節(jié)拍綱領(lǐng)；待焊接工件的板厚及接頭形式和焊接熔深要求；設(shè)備生產(chǎn)工件的擴(kuò)展性。

綜合分析，座椅金屬件激光焊接用激光器多選擇性價(jià)比較高的6kW光纖激光器。

2.2.3 光束直徑和模式

為了在焊接接頭表面獲得很高的能量密度和較快的焊接速度，一方面要求激光聚焦到很小的光束直徑，另一方面要求光束有較長(zhǎng)的焦深，有利于深熔焊接。而光束直徑與光纖芯徑和激光焊接頭的綜合選擇有關(guān)，尤其要考慮到工件接頭的制備精度及間隙情況，以及工藝要求的焊縫寬度等綜合因素。

2.2.4 焊接速度

激光焊接速度越快，焊縫熔深越淺，同時(shí)焊縫寬度變窄。因此，要特別注意由于焊接速度的加快和冷卻速度過快導(dǎo)致的焊縫金屬的脆化傾向。

由于汽車工業(yè)具有生產(chǎn)節(jié)拍極快的特點(diǎn)，使用者往往希望以盡可能快的速度進(jìn)行激光焊接，而過快的焊接速度，對(duì)激光焊接其他參數(shù)的精確調(diào)整要求也越來越高，容易造成焊接質(zhì)量的下降，所以，盡量使用能在節(jié)拍與焊接質(zhì)量穩(wěn)定性獲得最佳平衡的焊接速度下進(jìn)行焊接。

使用激光聚焦槍時(shí)，由工業(yè)機(jī)器人完成預(yù)定焊縫形狀軌跡，這對(duì)工業(yè)機(jī)器人的軌跡精度和速度精度要求非常高。在焊接過程中，機(jī)器人直線或者圓弧軌跡均需在高速下完成，因此對(duì)工藝調(diào)試的技巧和水平要求非常嚴(yán)格。

2.2.5 焦點(diǎn)位置

激光最小光斑處為激光束焦平面位置，是激光束功率密度最大的區(qū)域。焦平面與工件表面的距離稱為離焦量。如圖7所示，焦平面深入工件內(nèi)部為負(fù)離焦，焦點(diǎn)平面在工件上方稱為正離焦。

圖7 焦平面示意圖

在焦點(diǎn)平面處激光光斑最小，獲得的焊縫最窄。但激光焦點(diǎn)處光斑中心功率密度過高，往往超過激光焊接所需要的功率密度，容易造成金屬蒸發(fā)氣化，出現(xiàn)熔渣飛濺或是打孔現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行激光焊接時(shí)一般采用正離焦焊接，這種方法激光功率密度適合，使得焊縫金屬充分熔化，但不至于氣化，而且焊接過程中等離子體火焰大小適中，沒有火花飛濺和過多的氣化。如果希望熔深較大時(shí)，則采用負(fù)離焦；如果對(duì)熔深要求不高，最好用正離焦，這樣可以獲得牢固美觀的焊縫。

在進(jìn)行實(shí)際激光焊接工藝調(diào)試過程中，一般在激光焊接其他工藝參數(shù)設(shè)置完成后，再通過微調(diào)離焦量，以獲得最佳的焊接效果。

2.2.6 保護(hù)氣

在乘用車座椅金屬件激光焊接應(yīng)用中，一般不需要加保護(hù)氣。如果作為一個(gè)課題進(jìn)行這方面的研究，主要是考慮在大功率、高焊接速度下造成的飛濺加大等問題，進(jìn)行外加保護(hù)氣試驗(yàn)，抑制等離子氣體的產(chǎn)生或者降低其不利影響，減少飛濺和改善焊縫成型。

2.3 激光填絲焊接

在汽車座椅金屬件中的滑軌激光焊接生產(chǎn)中，由于滑軌沖壓件精度問題，一直存在焊接接頭間隙大等問題，而在激光自熔焊接過程中，則容易出現(xiàn)焊穿等缺陷。使用激光填絲焊接工藝，一方面可以改善激光焊接對(duì)坡口間隙要求過高的問題，另一方面可以改善焊縫金屬性能，提高滑軌激光焊接質(zhì)量和成品率。激光填絲焊接裝置的原理圖如圖8所示。

圖8 激光填絲焊接原理

3 展望

汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，在經(jīng)歷前些年的高速發(fā)展后，現(xiàn)在處于穩(wěn)健上升期。機(jī)器人激光焊接技術(shù)在汽車座椅金屬件制造中的應(yīng)用發(fā)展較快，可以預(yù)見，其未來的發(fā)展趨勢(shì)有以下特點(diǎn)。

1）大功率光纖激光器、光纖傳輸技術(shù)趨于成熟和普及，以適應(yīng)極快生產(chǎn)節(jié)拍的高速、超高速激光焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展。

2）工業(yè)機(jī)器人激光焊接技術(shù)發(fā)展日趨信息化、智能化，機(jī)器人本體技術(shù)呈現(xiàn)大負(fù)載、高剛性等特點(diǎn)，隨著高速運(yùn)行軌跡精度、速度精度的日趨提高，激光焊接系統(tǒng)對(duì)MES技術(shù)的支持，成為機(jī)器人激光焊接技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。