激光焊接在汽車頂蓋焊接中的應用

左堅，韋加業，韋巧

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

作為光學與金屬學的結合，激光焊接技術的出現無疑是人類焊接領域的一大突破。自20世紀60年代激光產生以來，與激光應用有關的一系列技術便取得了蓬勃的發展，其中，激光焊接技術從20世紀70年代開始運用到工業制造領域中，在汽車車身制造的頂蓋焊接中更是取得了越來越廣泛的應用。由于激光本身具有較高的能量密度，當它用作焊接所需的光源時可以用較快的速度進行焊接和切割。此外，激光焊接只需很小的加熱范圍和很窄的焊縫，用激光進行焊接時，材料僅需發生很小的形變，可以保持更為完整的形狀。隨著激光焊接技術的不斷更新和進步，相關設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，汽車制造的各個環節都開始廣泛采用激光焊接技術，而在汽車頂蓋焊接中，激光焊接更是憑借一系列技術優勢逐漸成為汽車頂蓋焊接領域的主流技術。

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，具體而言是當利用強光對相應的激光發生介質進行照射時，激光發生介質內部原子的電子會得到能量，電子的能量一旦積累到一定程度，就會由之前的低能態轉變成高能態，繼而能量就會促使電子發生躍遷，即轉移到另外的運動軌道中。當原子處于高能的激發狀態時，一旦外界對其輻射，原子感應到輻射后就會使激發狀態的原子轉變為低能態，并發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 激光焊接的相關參數

激光焊接具有諸多參數，包括激光加工參數和工件參數等。如激光波長、激光功率、焊接速度、焊絲直徑與成分、填絲方向與速度等。眾多的參數使得對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的需要以及精準的工藝要求，勢必要具備可靠穩定的生產工藝。因而需要在眾多參數中篩選出最為重要的參數保證焊接過程的順利進行，并且經過多次調試才能獲得最理想的一套焊接參數。

1.3 激光焊接的優勢與局限性

激光焊接有著諸多優勢，首先激光焊接的速度快，效率高，如在汽車頂蓋的焊接中，對于長度為1700mm的車頂，利用傳統電焊需要35個焊點，每個焊點需要3s的焊接時間，采用一臺機器人進行焊接，整個頂蓋所需的焊接時間是35×3=105s。而利用激光焊接時，由于釬焊速度可以實現75mm/s，同樣采用一臺機器人進行焊接僅需要1700/75=22.7s，由此可見激光釬焊對于效率提升的作用。其次由于激光焊接利用自動化的控制系統，便于精確控制光束，從而可以實現焊接位置的準確和焊縫寬窄的控制。另外，激光焊接具有較小的熱量輸入，焊接區域很小，工件不會發生大的變形，省去了焊接后的形狀矯正工作。對于工件由于結構復雜而難以到達的部位或是需要較遠距離操作的情況，通過光纖的傳輸都能方便的達到，并且可以多路進行焊接工作，或是分時焊接。

盡管激光焊接具備眾多優點，但在實際工業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的光學鏡片有較大的損耗時，會導致釬焊中氣孔的出現，影響焊縫質量。相比其他的焊接工藝，激光焊接技術由于對技術水平的要求更高，需要更大的前期成本投入。此外對于激光光束的操控是一大技術難點，如何精準控制光束使之到達目標焊接點是焊接過程中的一個關鍵。

2 激光焊接常用工藝介紹

2.1 熔焊

該技術的原理是當對材料進行高功率的激光照射時，材料表面會蒸發而出現小孔，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部龐大的熱量傳遞出來，高溫足可以令小孔外側的金屬熔化。隨著激光光束位置的不斷前進，處于穩定流動狀態的小孔和包圍小孔的熔融狀態下的金屬隨之移動，金屬熔化后冷凝便成為了焊縫。

2.2 釬焊

激光釬焊是對焊接區域中的焊絲表層進行高密度的激光照射，由于激光光束具備很高的能量，焊絲會被熔化從而成為熔融狀態下的金屬。當焊絲熔化后便可以對焊接縫隙進行連接，即熔化狀態的焊絲可以與材料形成冶金結合體。通過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量的穩定以及焊縫的美觀。在汽車頂蓋焊接中，釬焊技術得到了主要應用。圖1為激光釬焊原理圖。

2.3 復合焊接

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上層材料直接加熱，相比于通常的焊接技術，復合焊接可以保證焊接表面具有更加均勻穩定的溫度。

圖1 激光釬焊原理

3 汽車頂蓋激光釬焊的系統架構

將激光釬焊技術應用到汽車頂蓋焊接中需要完善的系統構造。該系統的焊接熱源選用的是激光，其運動系統采用工業機器人。系統的具體結構包含以下幾方面。

激光發生器（激光源）：指的是能夠產生激光，并具有耦合功能，將耦合后的激光以一定波長的激光光束進行輸出的設備。激光發生器性能的高低取決于輸出光束的質量和輸出功率。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氣體激光源。其中由于后者更能提供穩定且優質的激光光束，輸出功率也大于YAG固體激光源，因而在目前的工業制造中主要采用的就是二氧化碳氣體激光源。通常，激光源的使用需要冷卻系統的配合。

光纖及聚焦系統：當激光源發出激光光束后，需要光纖將光束進行傳輸，使之順利到達激光焊接頭。此外，需要反射鏡、聚焦鏡等光學部件對光束進行聚焦，改變光束的傳輸方向、偏振狀態等。

焊接機器人：機器人系統的存在是為了保證焊接軌跡的正常行走，并且焊接機器人可以對焊接參數進行調用，并提供準確的電氣信號。不同類別的激光焊接技術由于具備各自不同的方法和焊接接頭形式，因而對機器人系統的要求也有差別。例如，對于角焊縫的激光釬焊以及搭接焊縫的熔焊技術，普通的焊接機器人就可以滿足系統要求。而當激光釬焊或是激光熔焊用于對接焊縫時，對焊接機器人的要求更高，機器人系統需要做到自動跟蹤并矯正焊縫，不同于常規機器人，該種情況下通常采用的是絞臂式機器人。

焊接頭：焊接頭可以對通過光纖傳導系統傳輸來的激光進行一系列的校準、調整等處理，從而使之轉變為可以應用到實際加工中的能量光束。

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

自動化控制系統：為了視頻監視焊接過程、精準的對焊接機器人進行協調，控制激光源和焊接頭等之間的信號交換，并系統的處理電氣信號，需要一整套完善的自動化系統對其進行全局的控制。

獨立工作間：激光光束含有巨大的能量，并且通過激光源產生的激光功率也極大，為了避免對工作人員造成傷害，需要在封閉的空間進行激光焊接工作。

抽氣與通風系統：在焊接的過程中，由于焊接材料表面所鍍鋅層在遇高溫時會發生氣化，并伴隨著煙霧的產生和有害氣體的釋放，所以全面的通風對于焊接過程是極為必要的。

4 激光焊接的工藝研究

合理設計并控制工藝是激光焊接中的重要環節，汽車頂蓋的不同環節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器人的運動時間。中間段應注意時刻修正焊接軌跡，控制好實際焊縫與設定軌跡的關系。在收弧階段的重點是避免結束位置焊接點的偏移，并且需要設定一定的延時來關閉激光。

5 結語

激光焊接正日益成為汽車制造中的一種發展潮流，作為一種新興且實用的技術，在焊接效率、焊接精度、工件外形等諸多方面傳統焊接技術都無法與之相提并論。激光焊接技術不僅能實現車身強度的提升，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。近年來焊接工藝得到了進一步發展和成熟，焊接設備也日益得到完善，大量的焊接領域的人才更是推動了激光焊接的進步。激光焊接成本的減低和技術本身的諸多優勢促使越來越多到的汽車制造企業積極使用和推廣激光焊接技術。未來激光焊接技術將得到更深層次的研究，從而更好的服務于工業包括汽車制造在內的諸多工業制造領域中。