激光深熔焊在新能源鋁車身上的應用

孟原　王成文　李盛良

摘 要：鋁合金材料自身的物理化學屬性導致其焊接性能較差，傳統電阻焊以及弧焊設備已經無法滿足鋁合金的連接及應用需求，而新型的激光深熔焊技術具有熱量密度集中、受熱對母材損傷較小、焊縫熔深與焊縫寬度的比值大、熱影響區小等優點，在新能源輕量化鋁車身產業中得到了廣泛應用。

關鍵詞：激光深熔焊 激光器 光導聚焦系統

Application of Laser Deep Penetration Welding on New Energy Aluminum Body

Meng Yuan Wang Chengwen Li Shengliang

Abstract：The physical and chemical properties of aluminum alloy materials lead to poor welding performance. Traditional resistance welding and arc welding equipment can no longer meet the connection and application requirements of aluminum alloys. The new laser deep penetration welding technology has a concentrated heat density and heat resistance. The advantages of less damage to the base material， large ratio of weld penetration to weld width， and small heat-affected zone have been widely used in the new energy lightweight aluminum body industry.

Key words：laser deep penetration welding， laser， light guide focusing system

當今社會越來越多的汽車制造商采用鋁合金材料替代普通碳鋼的車身制造技術路線，奇瑞新能源為提升綠色制造技術水平，滿足大批量純電動汽車定制化需求，采用了大量激光深熔焊技術解決當前純電動鋁車身制造自動化、產品一致性等關鍵問題。

1 激光深熔焊系統構成

激光深熔焊系統主要由激光器、光導聚焦系統、溫度控制單元、機器人控制系統組成，如圖1所示。

1.1 激光器

奇瑞新能源激光深熔焊系統選用了光纖激光器。光纖激光器由激光發生模塊、合束器、傳輸光纖、光纖接頭四部分組成，根據激光輸出功率的要求，由多個激光發生模塊并聯疊加出光，再經過合束器整合形成穩定的激光輸出。它具有激光光束質量好、能量密度高、電光轉換效率高、可加工材料范圍廣等優點，被廣泛應用在激光深熔焊系統。

1.2 光導聚焦系統

光導聚焦系統由安裝支架、聚焦系統、光學防護機構，激光嘴等組成。聚焦系統固定在安裝支架上與機器人第六軸連接，使系統能夠自動調整激光焦距，獲得準確的焊接光斑直徑。光學防護機構安裝在聚焦系統與激光嘴之間，對焊接過程中產生的焊渣飛濺、灰塵等進行隔離，保護聚焦系統安全。光導聚焦系統的狀態直接影響激光焊接質量，應對內部原件的工作狀態、表面污染及熱傳導性能進行動態監測來保證焊接質量。

1.3 溫度控制單元

溫度控制單元由水循環管路、加熱機構、冷卻機構、電控單元等組成。它是激光深熔焊設備中激光器、光導聚焦系統的空調，確保整個系統工作時溫度范圍穩定。

1.4 機器人控制系統

機器人控制系統由機器人、外部軸、控制柜及PLC電控單元等組成。其中機器人是主控部分，實現焊接各種軌跡姿態的控制、激光的正常出光/關光命令，并聯調PLC對接安全保護的動作，機器人的自動運行確保了整個焊接工作精準化。

2 激光深熔焊焊接原理

激光深熔焊鋁合金焊縫形成過程（如圖2所示）：當激光功率密度大于105～107W/cm2時，激光光束連續照射鋁合金焊縫表面，使鋁合金材料熔化，并在激光光束照射點形成一個小孔，產生小孔效應，這個小孔繼續吸收激光光束的能量，使小孔周圍形成一個鋁合金的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，激光功率越大，熔池越深，當激光光束相對于鋁合金焊件移動時，熔池冷卻凝固形成鋁合金焊縫。

3 激光深熔焊的主要工藝參數

3.1 激光器功率

激光器功率是激光焊接中的關鍵參數，它存在一個激光光束能量密度閾值。此閾值與鋁合金焊件的厚度成正比。當焊接材質一定時，激光功率應超過此能量閾值，才能獲得較好熔深的焊縫，反之焊縫熔深波動大質量不穩定。根據新能源鋁合金車身焊接材料厚度的不同，激光器輸出功率一般選擇在500～4000W范圍內。

3.2 激光脈沖參數

由于鋁合金是高反射率材料，激光反射會導致焊接能量損失。根據焊接試驗反饋，鋁合金焊件激光焊接開始時激光反射率高，焊接能量損失較大，當鋁合金焊件達到熔點時，激光反射率較低。應調整激光脈沖參數使激光溫度快速提升至熔點，減少反射導致的焊接能量損失。所以在激光焊接生產中應根據鋁合金表面特性，設置相應的激光脈沖參數減少焊接能量損失。

3.3 激光光斑直徑

激光光斑直徑決定了激光聚焦的能量密度程度。激光深熔焊時，焊縫寬度與光斑直徑、激光功率、焊接速度密切相關。當激光功率和焊接速度不變時，光斑直徑與焊縫寬度成正比，與焊縫熔深成反比。光斑直徑的尺寸可以采用CCD測量系統和等溫剖面法進行測量。

3.4 激光透鏡焦距

激光深熔焊需提前對激光進行聚焦處理，聚焦中心點光束能量密度閾值最高。新能源激光焊系統常選用126～253mm的焦距鏡頭，能夠避免焊接過程中大多數熔池飛濺，還能減少焊接區域的焊頭干涉問題。焦距的變化影響熔池深度，焦距增大熔池變深，一般情況下激光透鏡聚焦中心點設置在焊件的第二層板上，焊接效果較好。

3.5 焊接速度

在汽車生產制造中，為了提高工作效率，激光焊接通常采用較大的焊接速度。但是焊接速度直接影響熔深，速度過快會使焊件熔深變淺，焊接不牢，速度過低會使焊件過度熔化，導致焊件焊穿。所以必須針對鋁合金材料特性，在激光焊接實驗室充分驗證焊接速度、功率、焦距等激光參數，得出精準的參數表，并固化在工藝文件中監督執行才能保證焊接質量。

4 激光深熔焊在鋁車身制造中的應用

4.1 優化鋁合金材料的焊接變形

鋁合金熱導率高，大約是鋼材的2～4倍，同時耐熱性能差，大多數鋁合金均不耐高溫，膨脹系數大，容易產生焊接變形，其中越薄的鋁合金板材越難焊接（容易焊穿）。激光深熔焊技術優化了此項問題。激光深熔焊具有較小的熱輸入：激光深熔焊焊接過程中鋁合金工件熔化過程發生得極快，輸入工件熱量較低，熱變形影響區很小，減少了鋁合金材料的變形及內部的損傷。

4.2 非觸摸式焊接技術在焊接干涉區域的廣泛應用

新能源鋁車身由擠壓成形的鋁型材構成，鋁板件的空間搭接結構特點，導致焊點較多，焊接操作空間被其它零部件、定位夾頭、夾緊氣缸遮擋區域較多，通用的接觸式焊接設備難以滿足現場使用要求。激光深熔焊非觸摸式焊接技術解決了此項難點。根據激光鏡頭焦距的選型，激光焊頭遠離焊件可達228 mm以上，完美解決了此類問題。

4.3 激光深熔焊偏差校正系統在焊接工藝中的應用

汽車零部件組裝過程中，零部件的加工公差、裝配誤差導致生產工序產生微量偏差，隨著工序的順流，這些偏差的積累會使焊件焊縫空間坐標位置產生微量偏差，為了保證激光焊接質量，傳統的軌跡固定式焊接已經無法滿足焊接工藝要求，激光深熔焊焊縫偏差校正系統（目前常用視覺導引和激光測距導引），滿足了焊接前軌跡偏差檢測、反饋、校正，實現了焊縫軌跡偏差自動校正功能，保證了產品焊接質量，提升了生產節拍。如圖3、4所示，激光深熔焊技術已經大量應用在奇瑞新能源鋁合金車身制造工藝中。

5 結語

激光深熔焊對待連接件之間的間隙配合較為敏感，一般情況下，焊接夾具夾頭設計緊密、待連接件之間的間隙越小，對焊接越有利。隨著新能源汽車輕量化水平的不斷提高，汽車車身使用鋁結構件實現減重已經成為汽車技術的前沿和熱點，激光深熔焊技術必將在新能源汽車產業中得到廣泛應用。

參考文獻：

[1]張大文. 鋁合金激光焊接工藝研究[D]. 長春理工大學，2012.

[2]李亞江、李嘉寧、高華兵. 激光焊接/切割/熔覆技術，第3版. 化學工業出版社，2019.

[3]陳武柱.激光焊接與切割質量控制. 機械工業出版社，2010.

[4]曹鳳國. 激光加工. 化學工業出版社，2015.

[5]榮佑民、黃禹. 激光焊接應力變形分析及其抑制.華中科技大學出版社，2020.