淺議激光焊接工藝的質量控制

孫偉

[摘 要]激光是輻射的受激發射光放大的簡稱，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，其在工業加工中的應用十分廣泛，成為未來制造系統共同的加工手段，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行加熱熔化，熔化現象能否產生和產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事業中將會得到廣泛的應用與研究。

[關鍵詞]激光焊接 質量控制 工藝加工

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

1 引言

激光焊接與傳統的焊接方法相比，激光焊接尚存在設備昂貴，一次性投資大，技術要求高的問題，但激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適于大規模生產線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領域中的許多成功應用已經凸現出激光焊接不同于傳統焊接方法的特點和優勢，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設備制造商提供了更為誘人的經濟效益前景。

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換等問題。激光束能量可調，移動速度可調，可以多種焊接加工；

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

（4）激光焊接熱影響區小，材料變形小，無需后續工序處理；

（5）激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件；

（6）激光束易于導向、聚焦，實現各方向變換；

（7）激光焊接與電子束加工相比較，不需要嚴格的真空設備系統，操作方便；

（8）激光焊接生產效率高，加工質量穩定可靠，經濟效益和社會效益好。

1.2 汽車構件及復蓋件的組合

轎車車身都采用金屬構件和復蓋件的分塊組合。將各種預先制好的結構件，例如風窗立柱門立柱、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，主要用于車身構件及車架的焊接。激光打標機，激光打標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，其轉動與零件的移動相互協調，產生連續的焊縫，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，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定的焊接過程和更好的焊縫成形質量，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鍵的控制工藝參數之一，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定性的因素，需要專門的夾緊和設備技術，這種設備的精確程度與激光焊接的質量高低是相輔相成的。

2.2 激光電弧復合焊

激光電弧復合焊是近年激光焊接領域的研究熱點之一。該方法的提出是由于隨著工業生產對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應性差，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-電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優質高效焊接方法，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。

激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光-電弧復合焊方法實現較為簡單，但最大缺點是熱源為非對稱性，焊接質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合熱源，大大提高焊接過程穩定性，并可方便地實現二維和三維焊接。

2.3 激光技術采用偏光鏡反射

激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工仵就會在幾毫秒內熔化和蒸發，這一效應可用于焊接工藝。激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，主要有兩大類，激光打標機，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，晶體結構與紅寶石相似。Nd：YAG激光器波長為1.06μm，主要優點是產生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復雜的光束傳送系統，適用于柔性制造系統或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業常用輸出功率為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，產生平均為10.6μm的紅外激光，可以連續工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2-5千瓦之間。

3 激光焊接過程監測與質量控制

激光焊接過程監測與質量控制一直是激光焊接領域研究和發展的一個重要內容，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，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質量監測等，并通過反饋控制調節焊接工藝參數，從而實現高質量的自動化激光焊接過程。

3.1 激光焊接過程監測

利用各種傳感器對激光焊接過程中產生的等離子體進行檢測是常用和有效的方法。根據檢測信號的不同，激光焊接質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容是對焊接工藝參數控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質量最關鍵而又最難監測和控制的工藝參數之一。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 激光焊接汽車工業應用

汽車工業中，激光技術主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在車身設計制造中，根據車身不同的設計和性能要求，選擇不同規格的鋼板，通過激光截剪和拼裝技術完成車身某一部位的制造。目前用激光焊接技術，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廣泛采用，常見于變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈等。

5 結論

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