激光焊接技术及其在汽车工业中的应用

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 激光焊接自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光可用于金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。

 

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1  激光焊接的原理和技术可行性

1.1激光焊接的原理

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    激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。它是采用高能激光束使材料熔融连接，形成优良焊接接头的工艺过程。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数使工件熔化，形成特定的熔池。

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1.2激光焊接的技术可行性

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    激光最基本的特点就是：单色性、方向性、相关性。这些独特性质加上由此而来的超高亮度、超短脉冲等性质使它已经紧紧地和现代工业结合在一起，这些特性非常适合焊接加工。激光焊接设备的关键是大功率激光器。激光器一般按产生激光的工作物质不同来分类，主要有半导体(GaAs，InP等)激光器、固体(Nd：YAG等)激光器、气体(CO2、He-Ne等)激光器、液体(可调谐染料等)激光器、化学激光器、自由电子激光器等。目前广泛应用的是其中的两大类：一类是气体激光器，气体激光器以气体或金属蒸汽作为工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2～5kw之问。它是目前种类最多，激励方式最多样化，激光波长分布区域最宽，容易实现大功率连续输出，应用最广泛的一类激光器。另一类是固体激光器，将产生激光的粒子掺于同体基质，其浓度比气体大，因而可以获得比较大的激光能量输出。具有能量大、峰值功率高、机构紧凑、牢固耐用等特点，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。

    激光焊接技术在制造领域的应用稳步增长，由脉冲到连续，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由简单单缝到复杂形状，激光焊接在不断的演化过程中已经逐步成为一种成熟的现代加工工艺技术。激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接，在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接。随着激光输出功率的提高，特别是高功率CO2激光器的出现，激光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展，最大的焊接深宽比已经达到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料，激光焊接速度已达到了每分钟几十米。激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生产线上，在汽车生产线上如齿轮焊接、汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊中已取得巨大的经济效益和社会效益。

2  激光焊接的工艺参数和工艺方法

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2.1激光焊接的工艺参数

2.1.1功率密度

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    功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时问范围内，表层即可加热至沸点，汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度范围在104～106W／cm2。

2.1.2激光脉冲波形

    激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60％～98％的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

2.1.3激光脉冲宽度

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    脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

2.1.4离焦量对焊接质量的影响

    激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按照几何光学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50～200μs材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

2.2激光焊接的工艺方法

2.2.1片与片间的焊接

    包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。

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2.2.2丝与丝的焊接

    包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。

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2.2.3金属丝与块状元件的焊接

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    采用激光焊接可以成功地实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。

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2.2.4不同金属的焊接

    焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。

 

3  激光焊接的特点

    激光焊接有以下主要优点：

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    3.1速度快、深宽比大、变形小。激光聚焦后，功率密度高，焊接时，深宽比可达5:1，最高可达12:1。由于熔深大，可以获得良好的焊接接头，同时焊接边缘坡口角度小，小体积焊缝节省了填充材料。

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    3.2激光焊接技术具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料问的焊接。

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    3.3激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。

    3.4能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接装置简单。例如，激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能穿过玻璃或光束透明的材料进行焊接。

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    3.5可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性，尤其是近年来，南于采用了光纤技术，激光焊接技术的应用获得更为广泛的发展。

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    3.6激光束易实现按时问与空间分光，能进行多光束同时多工位加工，为更精密、微型的焊接提供了条件。

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    但是，激光焊接也存在着一定的局限性，主要体现在以下两方面：

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    (1)要求焊件装备精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小、焊缝窄，焊接时要在焊缝中加入填充金属材料，如若工件装备精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。

    (2)激光器及相关系统的成本较高，一次性投资较大。目前，我同在激光焊接没备的研制方面技术还不是很成熟，生产成本很高，主要是引进美国和西欧国家的激光器以及配套设施。

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4  激光焊接在汽车行业中的应用与发展前景

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    高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50％～70％的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和切割为主，激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。激光焊接的速度约为4.5m/min，而且很少变形，省去了二次加工。激光焊接加速了用冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量就可减少56kg。激光焊接用于车顶外壳与框架的焊接、传动转换器盖板的焊接，由CNC控制，其循环时间约为16s，实际焊接时间仅为3s，一天可连续运行24h。用于焊接小轿车的变速箱总成和底盘，激光束的焊接速度快，易于自动化控制并且易于归并到一个灵活的制造系统中，激光束改进了厂家的产品设计投产周期，降低了成品的废品率。美国是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家，在美国汽车工业中心底特律地区有40余家激光加工站，用于汽车金属件的切割和齿轮的焊接，使汽车的改型从5年缩短到2年。

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    目前，一套千瓦级的激光加工机器人系统虽然需要几十万美元，但新型激光器的安全性和可靠性得到了保证，其故障停机率仅2％，防护措施也极为可靠。激光焊接时需要工件接触面紧密吻合，这在工艺上是不容易实现的，但目前先进的夹持方法和适合激光焊接的凸缘设计使这一问题得到了解决。激光焊接技术的逐渐成熟使得各大汽车厂商无一例外的将激光焊接应用到了汽车生产线上。美国通用汽车公司已经采用22条激光加工生产线，美国福特汽车公司采用Nd：YAG激光器结合工业机器人焊接轿车车体，极大地降低了制造成本。2000年美国三大汽车公司已经有50％的电阻点焊生产线被激光焊生产线所取代。在日本，激光焊接在生产线上成功的应用为世界所瞩目，如在汽车车体制造中采用将薄钢板实施激光焊接后冲压成形的新方法，现在已为世界上大多数汽车厂家所仿效。世界上很多著名汽车公司都建有专门的激光焊接专用生产线：Thyssen钢铁公司的轿车底板拼焊生产线，大众汽车厂的齿轮激光加工生产线，奔驰汽车厂的18个厂房里有8个厂房安装了激光加工设备。

    激光焊接在汽车工业中最主要就是应用在汽车车身的焊接和拼接坯板焊接上。为满足市场和客户的需求，改善车身和制造工艺是十分必要的，而汽车的车身价值约占汽车总价值的1/5，采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳性都可以得到显著改善，提高汽车的品质。激光焊接由于采用计算机控制，所以具有较强的灵活性和机动性，可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件进行焊接，也可以完成车顶和侧围、发动机架和散热器架等部件的装配。如果加上光纤传输系统和机械手，就可以实现自动化的汽车装配生产线。使用3kw左右的光纤传输的ND：YAG连续激光器，配合点焊系统，和生产线上的夹具相配合，就可以达到自动化焊接的目的。通用、奔驰等都采用了这一系统应用在最新车型的生产线上，激光焊接系统几乎可以达到完美加工的要求，在效率、经济、安全、强度、抗腐蚀性上都有优秀表现。

    一辆汽车的车身和底盘由300种以上的零件组成，采用激光焊接几乎可以把所有不分厚度、牌号、种类、等级的材料焊接在一起，制成各种形状的零件，大大提高汽车设计的灵活性。拼接坯板就是在充分分析车身结构的基础上优化部件设计，使之可以南少数的几种典型坯板焊接而成。这样大大降低了模具数量，增加了材料利用率，而且可以在强度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次冲压成形，减轻了重量，提高了精度，还使得抗腐蚀性和安全性能都有大幅度提高，车身结构也大大简化。丰田公司的侧围生产线采用了拼接坯板焊接技术，使得模具的数量下降，材料利用率达到65％，加上其它的部件，使得每辆车的成本下降30多美元，大大增加汽车生产商的效益。

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    激光焊接技术对传统的汽车焊接工艺带来了冲击性的影响，各大汽车公司对此都抱有十分积极的态度。采用新技术就意味着更强的竞争力，特别是竞争残酷的汽车工业。激光焊接技术在焊接铝材时，用焊接件代替铸件以及全车身构架结构焊接的应用前途最大。激光器生产厂家应该抓住商机，在激光器的可移动性、体积等方面下功夫，用光纤传输激光，使激光器更适合汽车生产线的需要。国内一些激光产品生产厂家已经逐渐意识到这一点。比如湖北光通光电系统有限公司生产的脉冲Nd：YAG激光焊接机利用光纤耦合聚焦，使用方便，激光头可以远离焊接区，激光器性能稳定可靠，寿命长，也可以使用传统的光学传输系统。激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一机多用途，特别适用于激光加工车间和自动化生产线。

    21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性模块式生产的方式，传统加工工艺不能满足新生产方式的需要，这给激光焊接技术的大规模应用提供了一个机遇，激光焊接技术及其激光加工技术在汽车领域中一定会有更大的发展，成为汽车工业中重要的加工方法。