【摘要】激光技術(shù)的競爭強(qiáng)化了激光焊接技術(shù)在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用。新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接進(jìn)入了長期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所壟斷的汽車車身的制造領(lǐng)域，使得激光技術(shù)在汽車工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。利用激光混合焊接技術(shù)可大大提高沖壓件縫隙的連接能力，更加充分地利用激光高速焊接時電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。

    目前，激光及其復(fù)合焊接技術(shù)已在許多工業(yè)部門得到應(yīng)用，而汽車是其中最重要的部門，最典型的例子是車身覆蓋件剪裁激光拼焊以及頂蓋與側(cè)圍的焊接。用激光將不同厚度、材質(zhì)及性能的幾塊薄板拼焊起來，再沖壓成形。不但提高了材料利用率，由40 % ～60 %提高到70 %～80 % ，而且減輕了重量，提高了綜合力學(xué)性能。與單一的激光焊接技術(shù)相比，激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點: 更大的熔深、較大縫隙的焊接能力及更好的焊縫韌性，通過焊絲可以影響焊縫組織結(jié)構(gòu)及無焊縫背面下垂現(xiàn)象等。

    一、激光焊原理

    激光焊采用激光作為焊接熱源，機(jī)器人作為運動系統(tǒng)。激光熱源的特殊優(yōu)勢在于，它有著超乎尋常的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的作用點上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點，可實現(xiàn)薄板的快速連接。

    當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大( >106 W/ cm2 )時，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高至沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸氣以一定的速度離開金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個附加應(yīng)力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個小凹坑。隨著加熱過程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個細(xì)長的“小孔”。當(dāng)金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著光束相對于工件而沿著焊接方向前進(jìn)。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方，重新凝固形成的焊縫如圖1 所示。

 

    二、激光焊接設(shè)備

    激光焊接設(shè)備主要由激光器、光導(dǎo)系統(tǒng)、焊接機(jī)和控制系統(tǒng)組成如圖2 所示。

 

    1. 激光器

    用于激光焊接的激光器主要有CO2 氣體激光器和YAG 固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2 激光器比YAG 激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應(yīng)用大多數(shù)還處在6 ～15kW 范圍。YAG 激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微連接。近年來，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG 激光器方面取得了突破性的進(jìn)展，最大功率已達(dá)5kW，并已投人市場。由于其波長短，僅為CO2 激光的1/ 10 ，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，簡化光導(dǎo)系統(tǒng)。因此，大功率YAG 激光焊接技術(shù)在今后一段時間內(nèi)將獲得迅速發(fā)展，成為CO2 激光焊接強(qiáng)有力的競爭對手。

    2. 光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)

    光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡或光纖以及聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)及方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件尤其是透鏡性能會劣化使透過率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，表面污染也會增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量、維護(hù)和工作狀態(tài)監(jiān)測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

    3. 焊接機(jī)器人

    由于激光- MIG 復(fù)合焊接技術(shù)對焊接接頭的裝配精度要求較低，所以可以不必采用激光釬焊機(jī)器人的設(shè)計方式，既區(qū)別于常規(guī)的絞臂式焊接機(jī)器人，也無需設(shè)計焊縫自動跟蹤矯正系統(tǒng)以及激光在線檢測系統(tǒng)，這樣可以大大降低工裝設(shè)備的成本投資，降低工裝設(shè)計的復(fù)雜程度。

    三、激光焊接方法的特點

    激光焊接方法具有如下特點：

    ( 1) 能量密度高、適合于高速焊接。

    ( 2) 焊接時間短、材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合高熔點、高硬度加工。
    ( 3) 無電極、工具等的磨損消耗。
    ( 4) 對環(huán)境無污染。
    ( 5) 可通過光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時或分時焊接。
    ( 6) 很容易改變激光輸出焦距及焊點位置。
    ( 7) 很容易搭載到機(jī)器人裝置上。

    激光復(fù)合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點。對于激光復(fù)合焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在： 無燒穿時焊縫背面下垂的現(xiàn)象，適用范圍更廣；對于激光- MIG 焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度、熔焊深度大、產(chǎn)生的焊接熱少、焊縫的強(qiáng)度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使得整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好及焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，焊接生產(chǎn)工時短、費用低、生產(chǎn)效率高。

    四、激光- 電弧復(fù)合熱源焊接的主要形式

    1. 激光- TIG 復(fù)合焊接

    激光與TIG 復(fù)合焊接的特點是：

    ( 1) 利用電弧增強(qiáng)激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料。
    ( 2) 在焊接薄件時可高速焊接。
    ( 3) 可增加熔深，改善焊縫成形，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。
    ( 4) 可以緩和母材端面接口精度要求。

   例如，當(dāng)CO2 激光功率為0. 8kW，TIG 電弧的電流為90A ，焊接速度2m/ min 時，可相當(dāng)5kW 的CO2 激光焊機(jī)的焊接能力，5kW 的CO2 激光束與300A 的TIG 電弧復(fù)合，焊接速度0. 5 ～5m/ min 時，獲得的熔深是單獨使用5kW 的CO2 激光束焊接時的1. 3 ～1. 6 倍。

    2. 激光- 等離子弧復(fù)合焊接

    激光等離子復(fù)合焊接采用如圖3 所示的同軸方式。等離子弧由環(huán)狀電極產(chǎn)生，激光束從等離子弧的中間穿過，等離子弧主要有兩個功能：一方面為激光焊接提供額外的能量，提高焊接速度，進(jìn)而提高整個焊接過程的效率；另一方面等離子弧環(huán)繞在激光周圍，可以產(chǎn)生熱處理的效果，延長冷卻時間，也就減少了硬化和殘余應(yīng)力的敏感性，改善了焊縫的微觀組織性能。

 

    3. 激光- MIG 復(fù)合焊接

    激光- MIG 復(fù)合焊的基本原理如圖4 所示。除了電弧向焊接區(qū)輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量。激光復(fù)合焊技術(shù)并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時作用于焊接區(qū)。激光和電弧在不同程度和形式上影響復(fù)合焊接的性能。在激光- MIG 復(fù)合焊接時，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。

    MIG 焊的特點在于電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好，電弧穩(wěn)定性好，易于通過填充金屬改善焊縫結(jié)構(gòu)。而激光束焊的特點在于熔深大，焊接速度高，熱輸入低，焊縫窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同時激光復(fù)合焊接的熔池比MIG 焊的要小，工件變形小，大大減少了焊后糾正焊接變形的工作。激光- MIG 復(fù)合焊接，會產(chǎn)生兩個獨立的熔池，而后面的電弧輸入的熱量同時起到了焊后回火處理的作用，降低焊縫硬度( 尤其是焊鋼) 。由于激光復(fù)合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本。

    4. 雙激光束焊接技術(shù)

    在激光焊接過程中，由于激光功率密度大，使得焊接母材被迅速加熱熔化、氣化，生成高溫金屬蒸氣。在高功率密度激光的繼續(xù)作用下，很容易生成等離子體云，不僅減小工件對激光的吸收，而且使焊接過程不穩(wěn)定。如果在較大的深熔小孔形成后，減小繼續(xù)照射的激光功率密度，而已經(jīng)形成的較大深熔小孔對激光的吸收較多，結(jié)果激光對金屬蒸氣的作用減小，等離子體云就能減小或消失。

    因而，用一束峰值功率較高的脈沖激光和一束連續(xù)激光，或者兩束脈沖寬度、重復(fù)頻率和峰值功率有較大差異的脈沖激光對工件進(jìn)行復(fù)合焊接，在焊接過程中,兩束激光共同照射工件，周期地形成較大深熔小孔，然后適時停止一束激光的照射，可使等離子體云很小或消失，改善工件對激光能量的吸收與利用，加大焊接熔深，提高焊接能力，如圖5 所示。

 

    五、激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用

    國內(nèi)關(guān)于激光- 電弧復(fù)合熱源焊接實際應(yīng)用的報道較少，國外尤其是德國對此項技術(shù)的研究較深入。激光- 電弧復(fù)合焊接廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。以德國大眾Phaeton的車門焊接為例( 見圖6)：為了在保證強(qiáng)度的同時又減輕車門的重量，大眾公司采用沖壓、鑄件和擠壓成形的鋁件。車門的焊縫總長4980mm，現(xiàn)工藝是7 條MIG 焊縫( 總長380mm) ，11 條激光焊縫( 總長1030mm) ，48條激光- MIG 復(fù)合焊縫( 總長3570mm) 。

    激光復(fù)合焊同樣用于新型奧迪A8 汽車的生產(chǎn)。在A8 側(cè)頂梁上有各種規(guī)格和形式的接頭，就是采用激光-MIG 復(fù)合焊工藝，焊縫共計4.5m 長。激光復(fù)合焊另一特點就是具有很寬的焊速調(diào)整范圍。例如，復(fù)合焊在焊接Phaeton 車門對接接頭時，焊接速度1.2 ～4.8m/ min 都是可行的。通常焊絲送絲速度為4 ～9m/ min，激光功率為2 ～4kW。最優(yōu)化的焊速是4.2m/ min，送絲速度6.5m/ min，激光功率2.9kW。

    MIG- 激光復(fù)合焊接最大焊接速度可達(dá)9m/ min。近年來，隨著車輛運輸設(shè)備向輕量化發(fā)展，汽車車身結(jié)構(gòu)由空間框架向鋁復(fù)合車體開始發(fā)展。隨著大斷面鋁型材的生產(chǎn)和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋁合金在汽車中的應(yīng)用也不斷增加。目前，汽車鋁車身主要采用激光焊接工藝，由于光束直徑很細(xì)，要求坡口裝配間隙小于0.5mm，跟蹤精度很高，一開始尚未形成熔池時熱效率很低。另外，還存在著設(shè)備成本高、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)格等問題，這些問題可以通過激光- 電弧復(fù)合焊接解決。由于電弧焊的復(fù)合，熔池寬度增加，使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易。由于電弧可以解決初始熔化問題，使鋁合金對激光的反射減少，提高了激光的吸收率，從而可以大大降低激光器的輸出功率，減少使用激光器的功率。同時電弧焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問題，從而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低熱輸入特點仍保持。

    德國大眾汽車工程公司的T . GRAF 等人自主開發(fā)了用于汽車車身制造的激光- MIG 復(fù)合焊接機(jī)頭。該機(jī)頭安裝在弧焊機(jī)器人手臂上，幾何尺寸小，適合任何空間位置焊接，在各方向上的調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.1mm。

    激光復(fù)合焊接技術(shù)由激光與其他熱源的相互作用,焊接速度提高了，焊接周期縮短了，而且達(dá)到同樣焊接目的所需的激光功率降低，這些都能使焊接成本大大降低。另外，這種方法能夠改善像鋁合金、異種材料等的焊接性。因此，激光復(fù)合焊接技術(shù)無論從工藝角度，還是從經(jīng)濟(jì)角度來看都具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

    六、結(jié)語

    激光復(fù)合焊將兩種焊接方法結(jié)合起來，它采用了兩者各自的優(yōu)點，獲得了最佳的焊接效果，更高的焊接速度與良好的焊縫搭橋能力。它是目前最先進(jìn)的焊接方法之一，實現(xiàn)了高焊接速度與良好焊接質(zhì)量的完美結(jié)合。激光復(fù)合焊技術(shù)是汽車工業(yè)中一種全新的焊接技術(shù)，尤其是對于激光束焊無法實現(xiàn)或在經(jīng)濟(jì)上不可行的裝配間隙要求。它具有寬廣的應(yīng)用范圍和高效的特性,同時減少投資成本、縮短生產(chǎn)時間、節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率，具有更強(qiáng)的競爭力。