安徽江淮汽车集团股份有限公司 安徽合肥 230601
摘要：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，在汽车白车身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以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，而激光焊接的水平也得到了不断的提升，在汽车白车身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。下面就对激光焊接展开分析，并就激光焊接在汽车顶盖焊接中的应用展开分析和探讨。
关键词：激光焊接；汽车顶盖焊接；应用
1激光焊接技术
1.1激光产生基本原理
激光是二十世纪的四大发明之一。自美国科学家梅曼发明的第一台红宝石激光器开始，各种不同类型的激光器相继出现，随着激光器功率和输出稳定性的不断提高，促进了激光加工技术的发展。激光加工作为一种先进的制造技术，广泛的应用于工业生产中，对工业技术的发展起到了极其深远的影响。激光束作为一种新型的特种加工热源，必然具有传统热源所不具备的一系列优点：（1）激光束的空间分布与时间特性易于掌控，配合光学介质易于传输来实现自动化焊接。（2）激光束得到聚焦后的光斑作用于材料表面时，其能量密度使得所有材料加热熔化甚至汽化，避免了材料局部区域难以快速且精细加工的问题。（3）经激光加工的材料热影响区和热变形较小。以上激光加工的突出性优势快速地推动了全球制造行业的发展。
根据量子理论可知，原子处于一系列的能级之中，将能量最低的状态称为基态，其它任何比基态能量高的状态称为激发态。在保证热平衡的条件下，能级上任意两个粒子数的分布均服从波尔兹曼统计规律。
（1-1）
公式中n1和n2分别为能级E1和E2的粒子数。若E1<E2，则n1>n2，低能级粒子数在热平衡时恒多于高能级粒子数。如果能依靠外界能量的激励下，可以使得低能级上的粒子吸收能量跃迁到高能级，从而使n2>n1，则该物质就实现了高能级与低能级之间的粒子数反转。激活物质或工作物质即是处于粒子数反转状态下的物质，通过泵浦源来实现粒子数的反转。YAG激光器采用光泵浦，CO2激光器采用电泵浦。
激活物质对于激光束具有放大作用，一束能量激光进入该激活物质时，光在激活物质内将越走越强，光束的放大过程为光束能量的放大过程，即是激光工作物质的输出光大于入射光。实际上工作物质不会太长，一般采用在激活物质两端放置镀有高反射率的两块反射镜，形成光学谐振腔。工作物质、泵浦源和光学谐振腔是绝大多数激光器的三个主要因素。激光束具有的高亮度、单色性、相干性和高度的方向性是常规光源所不具备的特点。
1.2激光焊接原理
激光焊接原理即激光器产生高能量密度的激光束，经过光学系统的传输与聚焦后作用于焊接工件表面，当激光束的能量密度超过105W/cm2时，可以使待焊材料迅速熔化，并且迅速冷却凝固形成永久的焊接接头。
依据作用于焊接材料表面功率密度的大小，激光焊接可以分为热导焊和激光深熔焊两种焊接模式。当作用在工件表面的激光束能量密度在105-106W/cm2之间时，称为激光热导焊。此时工件吸收的能量未能使物质汽化，只能熔化物质，金属熔化是通过热传导的形式进行，所形成的焊接熔深较浅、熔宽较宽，这种焊接形式与传统的电弧焊接相似。当激光束的功率密度达到107-108W/cm2之间时，形成“小孔效应”，称为激光深熔焊。此时功率输入速率远远大于热传导所造成的能量损失速率，材料表面迅速汽化形成焊接“小孔”，小孔内金属汽化所形成的蒸汽压与焊接熔池中液体的表面张力形成动态平衡，从而使得焊接小孔可以在焊接过程中稳定存在。利用焊接“小孔”，激光焊接能够获得深宽比较大的焊接接头，激光焊接的两种模式如图1所示。同时激光焊接还具有作用时间短、焊接效率高、焊接速度快、变形量小、焊接精度高等突出性优点。此外，现已较为成熟的激光焊接工艺来配合计算机成套使用，有利于推进自动化的生产与发展在大规模工业上的应用。
图1热导焊接和深熔焊接示意图
激光焊接过程的实质即为激光与非透明材料的相互作用。此过程是一个极其复杂的物理、化学过程，在微观上表现为原子与光子的相互作用，是量子过程；材料对激光的吸收、反射及材料的加热、熔化、气化等物理现象则体现在宏观层面上。
激光焊接时，当功率密度足够大的激光束作用在工件表面时，短时间内便可达到材料的沸点，焊接材料迅速汽化蒸发，形成焊接“小孔”。小孔是激光深熔焊接的主要特征，它有助于熔池对激光束能量的吸收，“侧壁聚焦效应”对焊接过程的重要意义则体现在典型小孔对能量的吸收机理。当小孔在深熔焊中形成后，孔内侧壁与小孔内部的激光束发生相互作用时，一部分激光被小孔侧壁所吸收，另一部分激光被小孔侧避反射至小孔底部，不断地反射使得激光束重新汇聚于小孔底部，从而使激光能量全部被吸收，以上所描述的现象被称之为小孔侧壁聚焦效应。即使激光束具有一定的发散角，但激光束入射至材料深处时，其发散现象不明显，而是保持较小的光斑尺寸，使小孔未能不断扩大，这是由于激光束通过数次聚焦并反射至小孔底部所造成的，从而增大小孔深度。当激光在孔内每发生一次聚焦和反射时，其能量也就随之减少，当减少至一定值的同时，小孔深度也维持不变，从而得到深而窄的焊缝。
1.3激光焊接特点
激光因其固有的特点，可以作为材料焊接的热源。利用激光进行焊接，主要包括以下几个优点：①因为激光具有光的特征，可以采用非接触的方式实现远距离焊接，甚至可以透过特殊的玻璃材质实现非接触焊接过程；②激光通过聚焦后，在焦点处的能量密度很好，能实现高熔点合金的焊接，例如有国内学者运用激光焊接研究高熵合金。③采用激光焊接，焊接接头的热影响区很窄，金属焊后变形量小，能够取代传统的焊接方式，很好的解决超薄金属的焊接；④激光能够通过光纤传播，利于与机械手臂相结合，满足自动化控制，实现高速精准焊接；⑤激光焊接过程飞溅程度相对低，并且相对比较环保；采用激光焊接，能实现切割焊接一体化，并且能焊透较厚的钢板；⑦在汽车白车身焊接中，激光钎焊可以省略涂胶工序，且抗压强度更高。尤其在碰撞翻车时，更能保证车身变形小。
激光作为焊接热源的也有很多缺点。主要有：①激光聚焦后，激光光斑很小，对应的焊接过程中就要求工件之间的间隙很小，进而对焊接夹具有很高的要求，要始终保证焊缝处与激光光斑相对照，但是这一特点反而为高精密焊接提供可能性；②激光焊接设备功率较大，电能转化成光能的比率较低，Nd-YAG脉冲激光焊接设备的转化率为3%-10%，CO2式激光转化效率在10%-30%；③材料对激光的反射率不同，会影响焊接效果，但是针对高反射率的材料焊接，可以采用Nd-YAG脉冲式激光实施焊接，能够有效克服材料因高反射性而难以焊接的特点。
激光焊接一般有两种不同的方式，一是通过热传导的方式焊接，这时激光功率密度在104-106W/cm2，材料表面熔化，在热传导效应作用下，熔化金属通过对流实现焊接，这种方式比较适合超薄板金属的焊接；另一种是深熔焊，这种方式能够焊透较厚的金属板，这种方式功率密度在106W/cm2以上，这主要是焊接时典型的“小孔”作用，这种方式能够实现较小的焊缝宽深比。
2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。
3汽车顶盖激光焊接应用
3.1激光顶盖钎焊的系统组成
汽车顶盖激光焊接系统的组成如图2所示，其中激光发生器需要在使用的过程中配合冷却系统，其在工作的过程中会产生一定的激光，并经过耦合之后生成具有规定波长的激光束，进而配合焊接。激光焊接头是在传输焊接激光后，使其经过光头校准处理，并使得其成为具有一定加工性能的激光束。焊接系统中的机器人系统主要承担焊接轨迹行走的作用，同时对焊接中的参数进行合理的调节，并给出准确的电气信号。PLC控制台是焊接系统的司令部，其主要对焊接系统中的各个电气进行实时的处理，并对机器人进行协调和处理，同时实现自动化系统的信号交换。
图2汽车顶盖激光焊接系统的组成
3.2顶盖激光钎焊钣金搭接方式
相较于电阻点焊的侧围和车顶分别作翻边用于连接，激光钎焊车顶连接为满足激光钎焊的焊接工艺要求，车顶和侧围连接某一剖面处形成点接触，整个接触区域形成线接触。由于零件制造公差、压紧工装和车顶自重等，导致车顶易下沉。为了克服车顶下沉被周边搭接面顶起，将顶盖和侧围接触面左右形成倒梯形，吸收顶盖下沉的容差，达到造型的光顺、车顶和侧围能有效接触和满足制造工艺需求，同时也获得良好的外观质量。
3.3焊接过程需要做到四点合一
为了使得激光焊接自动化系统的工作更加的安全、稳定、可靠，使得自动化焊接系统中的机器人TCP点、激光焦点、焊丝端点、十字光标中心，四点合一。控制软件和现场视屏显示需四点合一，这样才能提高激光顶盖钎焊的系统的作业效率及焊缝质量。
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。
激光焊接和传统电阻电焊对比具有一下优点：（1）焊接外观方面。激光焊接由于其单面焊接、热影响区小、焊缝美观、速度快的特点能够极大地减少构件变形。而传统电阻电焊则是利用电极，通过较大的电流来熔化电极接触的材料表面，所以在焊接的过程中很容易造成工件出现变形的情况，此外，能够焊接的材料范围也十分有限。（2）柔性方面。传统电阻电焊还需要定期地进行电极维护清理，电极可接触的区域也较激光钎焊小。而激光焊接与传统的焊接相互比较，其更易于实现自动化，因此，焊接的整个生产流程具有非常高的柔性，同时，自动化的焊接使得焊接中的各个技术要点可以得到合理的控制，并具有较高的灵活性。（3）焊接成本控制方面。与传统的焊接相互比较，激光钎焊一次性投入成本较高。但是使用激光钎焊可以取消顶盖胶条，但降低整车零件成本。
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，从而更好的服务于包括汽车制造在内的诸多工业制造领域中。
参考文献：
[1]韦荣发，张莹，蒙世瑛，梁胜斌，麦育智.汽车覆盖件铸铁模具焊接修复工艺研究与应用[J].模具工业，2017，43（11）：64-68.
[2]蒋伟光，熊志明.浅议激光焊接在汽车顶盖的应用[J].时代汽车，2016（12）：58-59.
[3]刘国承，田杰平，史玉升，张思思.汽车用钢焊接技术研究进展[J].激光与光电子学进展，2015，52（01）：34-40.
论文作者:肖睿
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/19
标签：激光论文; 激光束论文; 顶盖论文; 小孔论文; 钎焊论文; 能量论文; 材料论文; 《基层建设》2018年第33期论文;