激光焊接在汽车顶盖焊接中的应用

左坚，韦加业，韦巧

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545005）

作为光学与金属学的结合，激光焊接技术的出现无疑是人类焊接领域的一大突破。自20世纪60年代激光产生以来，与激光应用有关的一系列技术便取得了蓬勃的发展，其中，激光焊接技术从20世纪70年代开始运用到工业制造领域中，在汽车车身制造的顶盖焊接中更是取得了越来越广泛的应用。由于激光本身具有较高的能量密度，当它用作焊接所需的光源时可以用较快的速度进行焊接和切割。此外，激光焊接只需很小的加热范围和很窄的焊缝，用激光进行焊接时，材料仅需发生很小的形变，可以保持更为完整的形状。随着激光焊接技术的不断更新和进步，相关设备与工艺的成本有了显著下降，而激光焊接的水平得到了不断提升，汽车制造的各个环节都开始广泛采用激光焊接技术，而在汽车顶盖焊接中，激光焊接更是凭借一系列技术优势逐渐成为汽车顶盖焊接领域的主流技术。

1 激光焊接概述

1.1 激光焊接的原理

所谓激光，指的是受刺激后辐射放大，具体而言是当利用强光对相应的激光发生介质进行照射时，激光发生介质内部原子的电子会得到能量，电子的能量一旦积累到一定程度，就会由之前的低能态转变成高能态，继而能量就会促使电子发生跃迁，即转移到另外的运动轨道中。当原子处于高能的激发状态时，一旦外界对其辐射，原子感应到辐射后就会使激发状态的原子转变为低能态，并发射出一束受激辐射光。受激辐射光与入射光具有同样的相位、偏振、频率和方向等。

1.2 激光焊接的相关参数

激光焊接具有诸多参数，包括激光加工参数和工件参数等。如激光波长、激光功率、焊接速度、焊丝直径与成分、填丝方向与速度等。众多的参数使得对激光焊接的研究包含大量可变因素。汽车顶盖焊接因其大批量生产的需要以及精准的工艺要求，势必要具备可靠稳定的生产工艺。因而需要在众多参数中筛选出最为重要的参数保证焊接过程的顺利进行，并且经过多次调试才能获得最理想的一套焊接参数。

1.3 激光焊接的优势与局限性

激光焊接有着诸多优势，首先激光焊接的速度快，效率高，如在汽车顶盖的焊接中，对于长度为1700mm的车顶，利用传统电焊需要35个焊点，每个焊点需要3s的焊接时间，采用一台机器人进行焊接，整个顶盖所需的焊接时间是35×3=105s。而利用激光焊接时，由于钎焊速度可以实现75mm/s，同样采用一台机器人进行焊接仅需要1700/75=22.7s，由此可见激光钎焊对于效率提升的作用。其次由于激光焊接利用自动化的控制系统，便于精确控制光束，从而可以实现焊接位置的准确和焊缝宽窄的控制。另外，激光焊接具有较小的热量输入，焊接区域很小，工件不会发生大的变形，省去了焊接后的形状矫正工作。对于工件由于结构复杂而难以到达的部位或是需要较远距离操作的情况，通过光纤的传输都能方便的达到，并且可以多路进行焊接工作，或是分时焊接。

尽管激光焊接具备众多优点，但在实际工业制造中也存在一些不足之处。如激光钎焊中若母材表面清洁度不够或是聚焦系统的光学镜片有较大的损耗时，会导致钎焊中气孔的出现，影响焊缝质量。相比其他的焊接工艺，激光焊接技术由于对技术水平的要求更高，需要更大的前期成本投入。此外对于激光光束的操控是一大技术难点，如何精准控制光束使之到达目标焊接点是焊接过程中的一个关键。

2 激光焊接常用工艺介绍

2.1 熔焊

该技术的原理是当对材料进行高功率的激光照射时，材料表面会蒸发而出现小孔，小孔充满蒸汽，温度极高，它几乎可以把入射激光中包含的所有能量吸收。从小孔外壁可以将小孔内部庞大的热量传递出来，高温足可以令小孔外侧的金属熔化。随着激光光束位置的不断前进，处于稳定流动状态的小孔和包围小孔的熔融状态下的金属随之移动，金属熔化后冷凝便成为了焊缝。

2.2 钎焊

激光钎焊是对焊接区域中的焊丝表层进行高密度的激光照射，由于激光光束具备很高的能量，焊丝会被熔化从而成为熔融状态下的金属。当焊丝熔化后便可以对焊接缝隙进行连接，即熔化状态的焊丝可以与材料形成冶金结合体。通过激光钎焊的方式可以保证工件母材不被激光侵蚀而造成损害，因而采用激光钎焊可以保证焊接质量的稳定以及焊缝的美观。在汽车顶盖焊接中，钎焊技术得到了主要应用。图1为激光钎焊原理图。

2.3 复合焊接

该焊接方式的热源不仅包括激光，也包括其他辅助热源。辅助热源的功能是对上层材料直接加热，相比于通常的焊接技术，复合焊接可以保证焊接表面具有更加均匀稳定的温度。

图1 激光钎焊原理

3 汽车顶盖激光钎焊的系统架构

将激光钎焊技术应用到汽车顶盖焊接中需要完善的系统构造。该系统的焊接热源选用的是激光，其运动系统采用工业机器人。系统的具体结构包含以下几方面。

激光发生器（激光源）：指的是能够产生激光，并具有耦合功能，将耦合后的激光以一定波长的激光光束进行输出的设备。激光发生器性能的高低取决于输出光束的质量和输出功率。目前汽车顶盖焊接中普遍采用的激光源有两种，分别是YAG固体激光源和二氧化碳气体激光源。其中由于后者更能提供稳定且优质的激光光束，输出功率也大于YAG固体激光源，因而在目前的工业制造中主要采用的就是二氧化碳气体激光源。通常，激光源的使用需要冷却系统的配合。

光纤及聚焦系统：当激光源发出激光光束后，需要光纤将光束进行传输，使之顺利到达激光焊接头。此外，需要反射镜、聚焦镜等光学部件对光束进行聚焦，改变光束的传输方向、偏振状态等。

焊接机器人：机器人系统的存在是为了保证焊接轨迹的正常行走，并且焊接机器人可以对焊接参数进行调用，并提供准确的电气信号。不同类别的激光焊接技术由于具备各自不同的方法和焊接接头形式，因而对机器人系统的要求也有差别。例如，对于角焊缝的激光钎焊以及搭接焊缝的熔焊技术，普通的焊接机器人就可以满足系统要求。而当激光钎焊或是激光熔焊用于对接焊缝时，对焊接机器人的要求更高，机器人系统需要做到自动跟踪并矫正焊缝，不同于常规机器人，该种情况下通常采用的是绞臂式机器人。

焊接头：焊接头可以对通过光纤传导系统传输来的激光进行一系列的校准、调整等处理，从而使之转变为可以应用到实际加工中的能量光束。

焊接夹具：为了确保焊缝位置的精准以及焊缝间隙的准确，必须利用焊接夹具进行零件尺寸的度量和装配，从而保证焊接的高质量。

自动化控制系统：为了视频监视焊接过程、精准的对焊接机器人进行协调，控制激光源和焊接头等之间的信号交换，并系统的处理电气信号，需要一整套完善的自动化系统对其进行全局的控制。

独立工作间：激光光束含有巨大的能量，并且通过激光源产生的激光功率也极大，为了避免对工作人员造成伤害，需要在封闭的空间进行激光焊接工作。

抽气与通风系统：在焊接的过程中，由于焊接材料表面所镀锌层在遇高温时会发生气化，并伴随着烟雾的产生和有害气体的释放，所以全面的通风对于焊接过程是极为必要的。

4 激光焊接的工艺研究

合理设计并控制工艺是激光焊接中的重要环节，汽车顶盖的不同环节有着不同的工艺要求。其中，在起弧段，工艺重心是要控制送丝和机器人的运动时间。中间段应注意时刻修正焊接轨迹，控制好实际焊缝与设定轨迹的关系。在收弧阶段的重点是避免结束位置焊接点的偏移，并且需要设定一定的延时来关闭激光。

5 结语

激光焊接正日益成为汽车制造中的一种发展潮流，作为一种新兴且实用的技术，在焊接效率、焊接精度、工件外形等诸多方面传统焊接技术都无法与之相提并论。激光焊接技术不仅能实现车身强度的提升，保证汽车零部件装配的高精度，并且在降低车身重量，提升用户舒适度，保障用户安全方面也有重要作用。近年来焊接工艺得到了进一步发展和成熟，焊接设备也日益得到完善，大量的焊接领域的人才更是推动了激光焊接的进步。激光焊接成本的减低和技术本身的诸多优势促使越来越多到的汽车制造企业积极使用和推广激光焊接技术。未来激光焊接技术将得到更深层次的研究，从而更好的服务于工业包括汽车制造在内的诸多工业制造领域中。