左堅(jiān)，韋加業(yè)，韋巧

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

作為光學(xué)與金屬學(xué)的結(jié)合，激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)無(wú)疑是人類焊接領(lǐng)域的一大突破。自20世紀(jì)60年代激光產(chǎn)生以來(lái)，與激光應(yīng)用有關(guān)的一系列技術(shù)便取得了蓬勃的發(fā)展，其中，激光焊接技術(shù)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始運(yùn)用到工業(yè)制造領(lǐng)域中，在汽車車身制造的頂蓋焊接中更是取得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于激光本身具有較高的能量密度，當(dāng)它用作焊接所需的光源時(shí)可以用較快的速度進(jìn)行焊接和切割。此外，激光焊接只需很小的加熱范圍和很窄的焊縫，用激光進(jìn)行焊接時(shí)，材料僅需發(fā)生很小的形變，可以保持更為完整的形狀。隨著激光焊接技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，相關(guān)設(shè)備與工藝的成本有了顯著下降，而激光焊接的水平得到了不斷提升，汽車制造的各個(gè)環(huán)節(jié)都開(kāi)始廣泛采用激光焊接技術(shù)，而在汽車頂蓋焊接中，激光焊接更是憑借一系列技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸成為汽車頂蓋焊接領(lǐng)域的主流技術(shù)。

1 激光焊接概述

1.1 激光焊接的原理

所謂激光，指的是受刺激后輻射放大，具體而言是當(dāng)利用強(qiáng)光對(duì)相應(yīng)的激光發(fā)生介質(zhì)進(jìn)行照射時(shí)，激光發(fā)生介質(zhì)內(nèi)部原子的電子會(huì)得到能量，電子的能量一旦積累到一定程度，就會(huì)由之前的低能態(tài)轉(zhuǎn)變成高能態(tài)，繼而能量就會(huì)促使電子發(fā)生躍遷，即轉(zhuǎn)移到另外的運(yùn)動(dòng)軌道中。當(dāng)原子處于高能的激發(fā)狀態(tài)時(shí)，一旦外界對(duì)其輻射，原子感應(yīng)到輻射后就會(huì)使激發(fā)狀態(tài)的原子轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)，并發(fā)射出一束受激輻射光。受激輻射光與入射光具有同樣的相位、偏振、頻率和方向等。

1.2 激光焊接的相關(guān)參數(shù)

激光焊接具有諸多參數(shù)，包括激光加工參數(shù)和工件參數(shù)等。如激光波長(zhǎng)、激光功率、焊接速度、焊絲直徑與成分、填絲方向與速度等。眾多的參數(shù)使得對(duì)激光焊接的研究包含大量可變因素。汽車頂蓋焊接因其大批量生產(chǎn)的需要以及精準(zhǔn)的工藝要求，勢(shì)必要具備可靠穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。因而需要在眾多參數(shù)中篩選出最為重要的參數(shù)保證焊接過(guò)程的順利進(jìn)行，并且經(jīng)過(guò)多次調(diào)試才能獲得最理想的一套焊接參數(shù)。

1.3 激光焊接的優(yōu)勢(shì)與局限性

激光焊接有著諸多優(yōu)勢(shì)，首先激光焊接的速度快，效率高，如在汽車頂蓋的焊接中，對(duì)于長(zhǎng)度為1700mm的車頂，利用傳統(tǒng)電焊需要35個(gè)焊點(diǎn)，每個(gè)焊點(diǎn)需要3s的焊接時(shí)間，采用一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行焊接，整個(gè)頂蓋所需的焊接時(shí)間是35×3=105s。而利用激光焊接時(shí)，由于釬焊速度可以實(shí)現(xiàn)75mm/s，同樣采用一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行焊接僅需要1700/75=22.7s，由此可見(jiàn)激光釬焊對(duì)于效率提升的作用。其次由于激光焊接利用自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，便于精確控制光束，從而可以實(shí)現(xiàn)焊接位置的準(zhǔn)確和焊縫寬窄的控制。另外，激光焊接具有較小的熱量輸入，焊接區(qū)域很小，工件不會(huì)發(fā)生大的變形，省去了焊接后的形狀矯正工作。對(duì)于工件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以到達(dá)的部位或是需要較遠(yuǎn)距離操作的情況，通過(guò)光纖的傳輸都能方便的達(dá)到，并且可以多路進(jìn)行焊接工作，或是分時(shí)焊接。

盡管激光焊接具備眾多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工業(yè)制造中也存在一些不足之處。如激光釬焊中若母材表面清潔度不夠或是聚焦系統(tǒng)的光學(xué)鏡片有較大的損耗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致釬焊中氣孔的出現(xiàn)，影響焊縫質(zhì)量。相比其他的焊接工藝，激光焊接技術(shù)由于對(duì)技術(shù)水平的要求更高，需要更大的前期成本投入。此外對(duì)于激光光束的操控是一大技術(shù)難點(diǎn)，如何精準(zhǔn)控制光束使之到達(dá)目標(biāo)焊接點(diǎn)是焊接過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵。

2 激光焊接常用工藝介紹

2.1 熔焊

該技術(shù)的原理是當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行高功率的激光照射時(shí)，材料表面會(huì)蒸發(fā)而出現(xiàn)小孔，小孔充滿蒸汽，溫度極高，它幾乎可以把入射激光中包含的所有能量吸收。從小孔外壁可以將小孔內(nèi)部龐大的熱量傳遞出來(lái)，高溫足可以令小孔外側(cè)的金屬熔化。隨著激光光束位置的不斷前進(jìn)，處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的小孔和包圍小孔的熔融狀態(tài)下的金屬隨之移動(dòng)，金屬熔化后冷凝便成為了焊縫。

2.2 釬焊

激光釬焊是對(duì)焊接區(qū)域中的焊絲表層進(jìn)行高密度的激光照射，由于激光光束具備很高的能量，焊絲會(huì)被熔化從而成為熔融狀態(tài)下的金屬。當(dāng)焊絲熔化后便可以對(duì)焊接縫隙進(jìn)行連接，即熔化狀態(tài)的焊絲可以與材料形成冶金結(jié)合體。通過(guò)激光釬焊的方式可以保證工件母材不被激光侵蝕而造成損害，因而采用激光釬焊可以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定以及焊縫的美觀。在汽車頂蓋焊接中，釬焊技術(shù)得到了主要應(yīng)用。圖1為激光釬焊原理圖。

2.3 復(fù)合焊接

該焊接方式的熱源不僅包括激光，也包括其他輔助熱源。輔助熱源的功能是對(duì)上層材料直接加熱，相比于通常的焊接技術(shù)，復(fù)合焊接可以保證焊接表面具有更加均勻穩(wěn)定的溫度。

圖1 激光釬焊原理

3 汽車頂蓋激光釬焊的系統(tǒng)架構(gòu)

將激光釬焊技術(shù)應(yīng)用到汽車頂蓋焊接中需要完善的系統(tǒng)構(gòu)造。該系統(tǒng)的焊接熱源選用的是激光，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)包含以下幾方面。

激光發(fā)生器（激光源）：指的是能夠產(chǎn)生激光，并具有耦合功能，將耦合后的激光以一定波長(zhǎng)的激光光束進(jìn)行輸出的設(shè)備。激光發(fā)生器性能的高低取決于輸出光束的質(zhì)量和輸出功率。目前汽車頂蓋焊接中普遍采用的激光源有兩種，分別是YAG固體激光源和二氧化碳?xì)怏w激光源。其中由于后者更能提供穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的激光光束，輸出功率也大于YAG固體激光源，因而在目前的工業(yè)制造中主要采用的就是二氧化碳?xì)怏w激光源。通常，激光源的使用需要冷卻系統(tǒng)的配合。

光纖及聚焦系統(tǒng)：當(dāng)激光源發(fā)出激光光束后，需要光纖將光束進(jìn)行傳輸，使之順利到達(dá)激光焊接頭。此外，需要反射鏡、聚焦鏡等光學(xué)部件對(duì)光束進(jìn)行聚焦，改變光束的傳輸方向、偏振狀態(tài)等。

焊接機(jī)器人：機(jī)器人系統(tǒng)的存在是為了保證焊接軌跡的正常行走，并且焊接機(jī)器人可以對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，并提供準(zhǔn)確的電氣信號(hào)。不同類別的激光焊接技術(shù)由于具備各自不同的方法和焊接接頭形式，因而對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的要求也有差別。例如，對(duì)于角焊縫的激光釬焊以及搭接焊縫的熔焊技術(shù)，普通的焊接機(jī)器人就可以滿足系統(tǒng)要求。而當(dāng)激光釬焊或是激光熔焊用于對(duì)接焊縫時(shí)，對(duì)焊接機(jī)器人的要求更高，機(jī)器人系統(tǒng)需要做到自動(dòng)跟蹤并矯正焊縫，不同于常規(guī)機(jī)器人，該種情況下通常采用的是絞臂式機(jī)器人。

焊接頭：焊接頭可以對(duì)通過(guò)光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)傳輸來(lái)的激光進(jìn)行一系列的校準(zhǔn)、調(diào)整等處理，從而使之轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詰?yīng)用到實(shí)際加工中的能量光束。

焊接夾具：為了確保焊縫位置的精準(zhǔn)以及焊縫間隙的準(zhǔn)確，必須利用焊接夾具進(jìn)行零件尺寸的度量和裝配，從而保證焊接的高質(zhì)量。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)：為了視頻監(jiān)視焊接過(guò)程、精準(zhǔn)的對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)，控制激光源和焊接頭等之間的信號(hào)交換，并系統(tǒng)的處理電氣信號(hào)，需要一整套完善的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行全局的控制。

獨(dú)立工作間：激光光束含有巨大的能量，并且通過(guò)激光源產(chǎn)生的激光功率也極大，為了避免對(duì)工作人員造成傷害，需要在封閉的空間進(jìn)行激光焊接工作。

抽氣與通風(fēng)系統(tǒng)：在焊接的過(guò)程中，由于焊接材料表面所鍍鋅層在遇高溫時(shí)會(huì)發(fā)生氣化，并伴隨著煙霧的產(chǎn)生和有害氣體的釋放，所以全面的通風(fēng)對(duì)于焊接過(guò)程是極為必要的。

4 激光焊接的工藝研究

合理設(shè)計(jì)并控制工藝是激光焊接中的重要環(huán)節(jié)，汽車頂蓋的不同環(huán)節(jié)有著不同的工藝要求。其中，在起弧段，工藝重心是要控制送絲和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。中間段應(yīng)注意時(shí)刻修正焊接軌跡，控制好實(shí)際焊縫與設(shè)定軌跡的關(guān)系。在收弧階段的重點(diǎn)是避免結(jié)束位置焊接點(diǎn)的偏移，并且需要設(shè)定一定的延時(shí)來(lái)關(guān)閉激光。

5 結(jié)語(yǔ)

激光焊接正日益成為汽車制造中的一種發(fā)展潮流，作為一種新興且實(shí)用的技術(shù)，在焊接效率、焊接精度、工件外形等諸多方面?zhèn)鹘y(tǒng)焊接技術(shù)都無(wú)法與之相提并論。激光焊接技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)車身強(qiáng)度的提升，保證汽車零部件裝配的高精度，并且在降低車身重量，提升用戶舒適度，保障用戶安全方面也有重要作用。近年來(lái)焊接工藝得到了進(jìn)一步發(fā)展和成熟，焊接設(shè)備也日益得到完善，大量的焊接領(lǐng)域的人才更是推動(dòng)了激光焊接的進(jìn)步。激光焊接成本的減低和技術(shù)本身的諸多優(yōu)勢(shì)促使越來(lái)越多到的汽車制造企業(yè)積極使用和推廣激光焊接技術(shù)。未來(lái)激光焊接技術(shù)將得到更深層次的研究，從而更好的服務(wù)于工業(yè)包括汽車制造在內(nèi)的諸多工業(yè)制造領(lǐng)域中。