汽車工業(yè)是一個(gè)需要大量加工和測(cè)試的生產(chǎn)型產(chǎn)業(yè)，也是激光技術(shù)應(yīng)用最廣泛的行業(yè)之一，安全性、舒適性、節(jié)能和環(huán)保一直是世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題，激光技術(shù)作為現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中的主要加工方法之一，其發(fā)展也主要是圍繞著這一主題并結(jié)合本專業(yè)的自身特點(diǎn)進(jìn)行的。由于激光焊接工藝優(yōu)越性、效率高、柔性好等優(yōu)勢(shì)，隨著汽車輕量化概念、安全性能觀念日益增強(qiáng)，激光焊接與切割工藝在汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁嘀匾暫蛷V泛應(yīng)用。

　　汽車制造過(guò)程中，激光技術(shù)主要 用于車身不等厚板的拼焊、車身焊接和汽車零部件焊接。激光焊接運(yùn)用于汽車，可以降低車身重量并達(dá)到省油的目的;提高車身的裝配精度，使車身的剛度提升30%從而提高了車身的安全性;降低汽車車身制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數(shù)目并提高車身一體化程度。

　　01Number激光焊接技術(shù)與應(yīng)用

　　激光自熔焊接

　　激光自熔焊，即焊接的兩部分或多個(gè)部分自身熔化并最終冷卻凝聚成一體，該焊接方式不需要添加輔助的焊劑或填料，完全利用工件自身材料熔接在一起。

　　當(dāng)激光光斑照射到工件表面上的功率密度達(dá)到106W/cm2 以上時(shí)，工件在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化。在液態(tài)金屬中形成一個(gè)充滿金屬蒸氣的細(xì)長(zhǎng)孔洞。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)加深，形成一個(gè)深度穩(wěn)定的小孔，小孔周圍就是焊接熔池，小孔隨著激光而移動(dòng)，小孔閉合后便形成焊縫，實(shí)現(xiàn)激光深熔焊接。其原理圖如圖1所示：

　　圖 1 激光自熔焊接原理圖

　　在車身制造中，采用激光焊技術(shù)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性，降低制造成本，增加車身的剛度，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。激光焊接焊接速度較快，所以焊接接頭的熱影響區(qū)較其他的焊接方法小，幾乎沒(méi)有焊接變形。這樣可極大地提高了車身的結(jié)構(gòu)和匹配尺寸、門蓋與側(cè)圍的平度與密封效果、風(fēng)擋玻璃與風(fēng)窗口的匹配與密封，以及實(shí)現(xiàn)多層板的優(yōu)質(zhì)連接，達(dá)到較高的車身強(qiáng)度。另外，由于現(xiàn)代汽車車身多采用鍍鋅鋼板或優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)鋼，如果采用傳統(tǒng)的點(diǎn)焊技術(shù)，由于三層板和鍍鋅的緣故，必須采用較大的焊接電流和焊接壓力，其結(jié)果必然導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量下降和焊點(diǎn)變形嚴(yán)重，從而導(dǎo)致裝配質(zhì)量下降。惟一可行的是采用中頻點(diǎn)焊連接技術(shù)和激光熔焊連接技術(shù)。就點(diǎn)焊本身而言，焊點(diǎn)的強(qiáng)度可以很高，但沒(méi)有焊點(diǎn)的部分還是斷續(xù)分離的，在車身整體強(qiáng)度方面要比焊接成一體的激光焊接接頭強(qiáng)度要低。點(diǎn)焊的不連續(xù)性和其自身的特點(diǎn)：如焊點(diǎn)容易變形，尤其是在焊接三層板連接、鍍鋅板連接和高強(qiáng)鋼的連接時(shí)，焊接變形較大，導(dǎo)致焊點(diǎn)處的平整度降低及產(chǎn)生縫隙，而且點(diǎn)焊會(huì)造成焊接點(diǎn)周圍的母材熱影響區(qū)強(qiáng)度下降，車輛遭嚴(yán)重撞擊時(shí)的斷裂部位往往是在該處。

　　激光自熔焊在汽車車身制造中主要分為兩大部分：車身組焊和拼焊。其應(yīng)用如圖2所示。

　　圖2 激光自熔焊應(yīng)用

　　(1)車身組焊

　　組焊主要有頂蓋和側(cè)圍的連接、側(cè)圍組焊以及車門焊接，如福特、通用、沃爾沃和歐寶，均使用過(guò)激光自熔焊進(jìn)行頂蓋與側(cè)圍的連接。但隨著技術(shù)的發(fā)展，激光釬焊越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于這一部位的焊接，目前只有沃爾沃仍在堅(jiān)持使用激光自熔焊;側(cè)圍方面福特SUV和轎車分別有一款使用激光自熔焊，大眾的很多車型也在使用。

　　(2)汽車激光拼焊

　　拼焊板(Tailor-welded blank, TWB)是由不同強(qiáng)度、不同厚度或不同涂層的鋼材焊接而成，由于激光焊接高效、焊縫成型好等優(yōu)勢(shì)，目前的汽車拼焊板都采用激光焊接而成。與普通鋼板相比，拼焊板的優(yōu)點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面：

　　① 減輕車身重量：應(yīng)用焊接的方法優(yōu)化板料的厚度來(lái)減少重量。

　?、?提高車身服役和碰撞性能：主要包括安全、駕駛性能、疲勞和耐蝕性能和車身剛性等。

　　③ 降低成本：主要從減少材料、減少加工程序和減少模具數(shù)量考慮。

　　采用激光拼焊板應(yīng)用于車身制造，可以減少零件、模具及焊接工裝數(shù)量，降低車身自重和成本，并提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。主要應(yīng)用在覆蓋件居多，也有些使用在結(jié)構(gòu)件上。圖3中為拼焊板在汽車白車身中的主要應(yīng)用。

　　圖3 拼焊板在汽車上的主要應(yīng)用

　　汽車拼焊板按焊縫類型分類可以分為三種，即單條直線焊縫;復(fù)數(shù)直線焊縫;非直線焊縫。如圖4所示，其中以單條直線焊縫類型應(yīng)用最多，生產(chǎn)工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。非直線焊縫最復(fù)雜，一般根據(jù)沖壓件成型后的形狀設(shè)計(jì)焊縫，從而提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和沖壓性能。

　　圖4 汽車拼焊板焊縫類型及應(yīng)用實(shí)例

　　由于汽車拼焊板后續(xù)都要進(jìn)行沖壓成型，所以對(duì)拼焊板的成型質(zhì)量和缺陷控制要求特別嚴(yán)格。主要包括外觀(結(jié)疤、裂縫、夾雜、孔洞和劃傷等)、焊縫成形(焊縫寬度、焊瘤凸出、焊縫有效深度、背面斷差和焊縫錯(cuò)邊等)和力學(xué)性能等(對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸、杯突、硬度和彎曲等測(cè)試)方面的要求。例如，在拉伸性能測(cè)試中，在非焊縫區(qū)域斷裂，杯突試驗(yàn)中開(kāi)裂的區(qū)域不能在焊縫或杯突值大于規(guī)定值。

　　(3)汽車零部件激光焊接應(yīng)用

　　在汽車零部件制造領(lǐng)域，汽車座椅滑軌、調(diào)角器、變速箱齒輪等到都應(yīng)用了激光焊接進(jìn)行生產(chǎn)。下面以齒輪焊接為例，分析激光焊接的相關(guān)優(yōu)勢(shì)。

　　近年來(lái)，激光焊接技術(shù)在變速器齒輪焊接中的優(yōu)勢(shì)日益明顯，得到了越來(lái)越多的重視，將是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。由于機(jī)床加工技術(shù)的局限性，形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪組件很難甚至無(wú)法整體加工成單件。為了提高工藝性和生產(chǎn)效率，通常是加工成兩個(gè)或兩個(gè)以上的單件再經(jīng)焊接工藝組合成一個(gè)組件。在激光焊接齒輪以前，齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應(yīng)焊、電子束焊等工藝方法。與上述焊接工藝相比，激光焊接齒輪無(wú)需在真空中進(jìn)行，而且可避免焊接變形，保證了焊接后的齒輪無(wú)需再精加工。不僅如此，激光焊接可使焊縫深寬比高達(dá)10∶1，且焊縫處具有相當(dāng)或優(yōu)于母材的綜合機(jī)械性能，從而保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩。因此，齒輪的激光焊接已成為當(dāng)今發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。目前世界各大汽車制造廠競(jìng)相采用激光焊接變速器復(fù)合齒輪以提高產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)采用激光焊接汽車齒輪的廠商也越來(lái)越多，如上海大眾、上海重慶齒輪箱廠等。

　　激光焊接變速器齒輪工藝順序?yàn)椋孩俸附忧扒逑矗阂话惆才旁诤附拥那耙坏拦ば蛲瓿?。?shí)驗(yàn)中選擇無(wú)水乙醇代替工業(yè)清潔劑用于焊前表面的清潔。②壓裝：清洗后的齒輪首先要進(jìn)行壓裝，壓裝是通過(guò)壓機(jī)把要焊接的兩個(gè)零件壓配后緊密結(jié)合在一起。入射激光光斑和組對(duì)間隙的偏移要求非常準(zhǔn)確。因?yàn)榧す馐木劢构獍吆苄?所以焊縫需要高精度定位，其位置偏離的最大允許值要依聚焦光斑的半徑來(lái)定, 一般不可大于0.1mm, 否則會(huì)產(chǎn)生焊接的失效。兩對(duì)接平面之間高度差太大，使激光束的能量大量反射出去,影響焊接的深度和均勻性。所以在壓配后，一般要求平面差小于0.1mm。③預(yù)熱(可選)：為了避免產(chǎn)生焊接裂紋，根據(jù)零件材料及加工狀態(tài)，有時(shí)需要在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，特別是對(duì)含碳量高或經(jīng)過(guò)熱處理滲碳淬火后的零件。④激光焊接：采用IPG 6000光纖激光器對(duì)變速器齒輪進(jìn)行焊接。以等溫正火后的 20MnCrS5的2倒檔雙聯(lián)齒輪為例，焊接工藝采用預(yù)焊一圈+深熔焊一圈，圖5為焊后的齒輪照片。焊縫截面如圖6所示。⑤焊后檢測(cè)：一般將焊縫切開(kāi)進(jìn)行顯微觀察或者采用超聲波探傷檢測(cè)。目視檢查要求焊接飛濺較少，工作面飛濺少，內(nèi)部氣孔和縮孔較少。

　　圖5 焊后齒輪

　　圖6 焊縫截面圖

　　激光焊接特別是固體光纖激光發(fā)生器的激光焊接因其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)的激光焊接發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)激光焊接設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平和能力目前還比較薄弱，國(guó)內(nèi)主要汽車廠的齒輪激光焊接設(shè)備主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。少量民族企業(yè)已經(jīng)起步發(fā)展并占據(jù)部分市場(chǎng)，這對(duì)降低成本促進(jìn)激光焊接的應(yīng)用有著良好的推動(dòng)作用。在激光焊接齒輪方面，工藝已日趨完善，可以控制焊縫氣孔和裂紋達(dá)到工業(yè)要求，方法穩(wěn)定可靠，效率高，雖然初期投資較大，但加工成本比機(jī)械加工要少50 %。激光焊接有著傳統(tǒng)焊接無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，必將成為變速器齒輪焊接的主流產(chǎn)品。

　　激光填絲焊

　　激光填絲焊：是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同時(shí)填入焊接材料以形成焊接接頭的一種工藝方法。原理圖如圖7所示。

　　圖7 激光填絲焊原理圖

　　同激光非填絲焊相比，激光填絲焊優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：①可以降低對(duì)工件坡口加工，裝配的精度要求，提高焊縫成形質(zhì)量，擴(kuò)大激光焊的適用范圍;②可以用較小的功率實(shí)現(xiàn)厚板焊接;③通過(guò)調(diào)節(jié)填絲成分，可以控制焊縫區(qū)域的組織性能。

　　激光填絲焊在車身制造中應(yīng)用范圍較小，主要有奔馳C級(jí)車后立柱焊接，奔馳以及江淮的商務(wù)車頂蓋和側(cè)圍的連接，大眾有一款車型四門方面有激光填絲焊。

　　激光電弧復(fù)合焊

　　激光-電弧復(fù)合焊：是指將激光熱源和作為第二熱源的電弧復(fù)合起來(lái)作用在同一熔池上的焊接方法。激光電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光和電弧的優(yōu)勢(shì)，使其即具備一般電弧焊的高適應(yīng)性特點(diǎn)，又具備激光焊接的大熔深、高速、低變形的特點(diǎn)。激光電弧復(fù)合焊中所添加的電弧主要有TIG電弧、等離子弧和GMA電弧(即熔化極氣體保護(hù)焊，包括MIG焊和MAG 焊)。激光-GMA電弧復(fù)合焊是目前最受業(yè)界矚目，且研究和應(yīng)用最廣的一種。激光-電弧復(fù)合焊原理圖如圖 8所示。

　　圖8 激光-電弧復(fù)合焊原理圖

　　激光電弧復(fù)合焊工藝分析：由于激光復(fù)合焊相對(duì)于激光自熔焊有更好的間隙適應(yīng)性，激光和電弧的相互作用可以達(dá)到更寬的熔寬和更深的熔深，并且擁有較高的焊接效率，而且還可用于厚板的多層多道焊接。因此激光復(fù)合焊的應(yīng)用也隨之越來(lái)越廣泛。

　　在激光復(fù)合焊接時(shí)，除了我們行業(yè)內(nèi)熟識(shí)的激光熱源外，還存在另外一種熱源——電弧。焊接電弧是指由焊接電源供給的，具有一定電壓的兩電極間或電極與母材間，在氣體介質(zhì)中產(chǎn)生的強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象。焊接電弧的本質(zhì)其實(shí)與雷雨天氣時(shí)空中的閃電是相同的，只不過(guò)焊接電弧是人為可控的。通常與激光復(fù)合的熱源有TIG(鎢極氬弧焊)和 MIG(熔化極惰性氣體保護(hù)焊)。TIG和MIG最大的區(qū)別之處就在于其放電產(chǎn)生電弧的電極不同。TIG的電極是由鎢針構(gòu)成的，由于鎢的熔點(diǎn)很高，在焊接時(shí)其損耗很小，需要時(shí)可以額外地填加焊料進(jìn)行焊接。MIG，顧名思義，其產(chǎn)生電弧的電極是焊絲，在焊接時(shí)由送絲機(jī)源源不斷地向前送絲，而焊絲的末端會(huì)由于電弧的作用而不斷熔化，過(guò)渡到熔池并形成焊縫的一部分。

　　電弧焊時(shí)的能量是由弧焊電源來(lái)提供的?；『鸽娫吹恼⒇?fù)兩極通過(guò)工件和焊槍上的電極導(dǎo)通而形成回路，從而引燃電弧并維持電弧穩(wěn)定的燃燒?；『鸽娫磁c普通的電力電源不同，是一種提供低電壓、大電流的電源，電流一般可以達(dá)到幾百安培，F(xiàn)ronius T PS5000弧焊電源的最大焊接電流可達(dá)500A，而正常焊接時(shí)電壓值只有幾十伏特?；『鸽娫窗凑掌漭敵鲭娏鞯男问娇煞譃橹绷麟娫础⒔涣麟娫醇懊}沖電源等?；『笗r(shí)最主要的工藝參數(shù)就是焊接電流和焊接電壓，而脈沖焊Fronius激光復(fù)合焊接頭(MIG)接時(shí)會(huì)有脈沖頻率及脈沖峰值等一些參數(shù)可調(diào)節(jié)。

　　弧焊焊接時(shí)焊接電流主要決定了焊縫的熔深和余高。焊接電流增大后，并且作用在工件的電弧推力和熱輸入均增加，熱源位置下移，也有利于熱量向深度方向傳導(dǎo)，熔深增加。熔深和焊接電流近于正比關(guān)系。在熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，通常是通過(guò)改變送絲速度來(lái)改變焊接電流，增加電流需要相應(yīng)增加焊絲進(jìn)給速度，保證送絲量和焊絲熔化量的平衡，由于焊絲進(jìn)給量的增加，并且熔寬增加較少，所以余高增大。另外，MIG焊時(shí)，焊接電流與焊絲的直徑也相關(guān)，焊接電流不變時(shí)，焊絲越細(xì)，送絲速度就越快，反之亦然。電流增大后，弧柱直徑增大，會(huì)使熔寬增加，但是電弧潛入工件的深度增大，電弧斑點(diǎn)移動(dòng)范圍受到限制，因此熔寬的增加量較小，也就是熔寬增加量小于熔深增加量?；『负附又?，焊接電流過(guò)大時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)咬邊、氣孔、穿孔(對(duì)于薄板而言)及焊瘤等缺陷。由于焊接熱輸入過(guò)大，工件的變形會(huì)更嚴(yán)重，焊縫的熱影響區(qū)加大，且更容易產(chǎn)生脆性的過(guò)熱組織，韌性下降，會(huì)影響到焊縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。MIG焊接時(shí)，焊接電流過(guò)大，還會(huì)導(dǎo)致焊接飛濺量增加，飛濺顆粒直徑增大，給焊接過(guò)程穩(wěn)定性及焊后的清理造成不良影響。TIG焊接時(shí)，焊接電流過(guò)大時(shí)容易發(fā)生咬邊及熱影響區(qū)擴(kuò)大，焊縫周邊區(qū)域強(qiáng)度降低等現(xiàn)象。

　　焊接電壓實(shí)際是指電弧電壓，電弧電壓與電弧弧長(zhǎng)相關(guān)，其主要影響了弧焊過(guò)程的穩(wěn)定性及焊縫熔寬的大小。電弧電壓增大后，電弧功率加大，工件熱輸入有所增大，同時(shí)弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，電弧分布半徑增大，因而熔深略有減小而熔寬增大。由于焊接電流不變，即送絲量不變，熔寬增加，余高自然減小。

　　電弧電壓過(guò)大時(shí)，弧長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，氣體保護(hù)效果不好，容易造成焊接過(guò)程不穩(wěn)定，及在一些角接焊縫或較深坡口里施焊時(shí)，還易造成弧偏吹。而電弧電壓過(guò)小時(shí)，容易形成短路過(guò)渡，即焊絲末端熔化形成的熔滴與熔池形成短路，焊接飛濺明顯增加。電弧焊時(shí)為了得到合適的焊縫成型，在增大焊接電流時(shí)也要適當(dāng)?shù)奶岣吆附与妷海谌刍瘶O電弧焊時(shí)，通常電弧電壓要根據(jù)焊接電流來(lái)確定。根據(jù)不同的焊接方法及弧焊系統(tǒng)有不同的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算合適的電流、電壓值，這對(duì)操作者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及素質(zhì)有很大的要求。為了簡(jiǎn)化實(shí)際操作的難度，保證焊接電流和電壓能夠處在最佳的配合狀態(tài)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了一元化MIG焊接系統(tǒng)，簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)調(diào)節(jié)送絲速度，而弧焊電源系統(tǒng)自動(dòng)匹配恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷褐?。在?shí)際焊接時(shí)，可以對(duì)電流或電壓等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到最佳的焊接效果。

　　激光電弧復(fù)合焊涉及兩種熱源，需要對(duì)激光焊接的工藝參數(shù)和弧焊的工藝參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，才能達(dá)到最優(yōu)的焊接質(zhì)量和焊接效果。

　　激光-電弧復(fù)合焊在汽車車身制造中主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殇X合金車身的焊接：以VW Phaeton的車門焊接為例：為了在保證強(qiáng)度的同時(shí)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(zhǎng) 4980mm ，現(xiàn)在的工藝是7條MIG焊縫(總長(zhǎng)380mm )，11條激光焊縫(總長(zhǎng)1030mm)，48條激光-MIG復(fù)合焊縫(總長(zhǎng)3570mm)。

　　也就是說(shuō)，由于接頭形式各異，激光復(fù)合焊并不適用于車門上的所有焊縫。在接頭裝配間隙很大的位置，具有良好橋聯(lián)能力的MIG焊比激光焊或復(fù)合焊更有優(yōu)勢(shì);反之，在接頭間隙非常小的焊縫，熱能集中，焊速快的純激光焊是最好的方案。需要強(qiáng)調(diào)的是，laserHybrid系統(tǒng)裝置同時(shí)可實(shí)現(xiàn)上述MIG焊、激光焊、激光-MIG復(fù)合焊三種工藝，關(guān)閉MIG 焊時(shí)，系統(tǒng)就成為激光焊;反之關(guān)閉 激光則就成為MIG焊。如果沒(méi)有激光復(fù)合焊系統(tǒng)，VW大眾集團(tuán)就不得不更多采用厚而重的鋁鑄件。

　　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，就是采用激光復(fù)合焊工藝，焊縫共計(jì)4.5m長(zhǎng)。

　　激光遠(yuǎn)程焊

　　激光遠(yuǎn)程焊：遠(yuǎn)程激光焊是指采用高速掃描振鏡頭進(jìn)行長(zhǎng)工作距離加工的一種激光焊接方法。激光遠(yuǎn)程焊原理圖如圖9所示。其定位精度高、時(shí)間短、焊接速度快、效率高;工作距離長(zhǎng)，不會(huì)與焊裝夾具干涉、光學(xué)鏡片污染少;可定制任意形狀焊縫以優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。與電阻點(diǎn)焊相比，遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)充分發(fā)揮了單側(cè)、非接觸式激光焊接帶來(lái)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并將其與高速掃描振鏡具有的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，大大縮短了焊接時(shí)間，提高了總生產(chǎn)效率，可有效用于日益增多的汽車覆蓋件及零部件焊接。激光遠(yuǎn)程焊主要應(yīng)用在車門和側(cè)圍等覆蓋件的組焊，如奔馳S級(jí)轎車全景天窗，大眾高爾夫和奧迪A3的側(cè)圍，福特銳界的側(cè)圍等待。另外，很多汽車座椅生產(chǎn)廠家也把激光遠(yuǎn)程焊應(yīng)用到了滑軌和靠背的焊接當(dāng)中，生產(chǎn)效率得到了極大的提高。

　　圖9 激光遠(yuǎn)程焊接原理圖

　　激光釬焊

　　從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，激光技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用于汽車車身制造領(lǐng)域。激光以其光束能量密度極高、加熱范圍小、焊縫及熱影響區(qū)域窄、焊接速度快、深寬比大和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在白車身制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光釬焊技術(shù)在上個(gè)世紀(jì) 90 年代初首先在德國(guó)得到開(kāi)發(fā)。德國(guó)愛(ài)爾蘭根大學(xué)在激光填絲釬焊工藝和過(guò)程控制方面做了大量的工作，激光器常選用光束傳輸和調(diào)節(jié)方便的光纖激光器和半導(dǎo)體激光器，釬料根據(jù)母材常選用 Cu 基釬料，主要接頭形式包括對(duì)接、卷對(duì)接、搭接、卷搭接等。其最初的出發(fā)點(diǎn)是為了解決火焰釬焊熱輸入過(guò)大的問(wèn)題，連接的工件主要為搭接或卷搭接形式的鋼板。激光釬焊作為激光焊接技術(shù)的一種，較之熔焊，釬焊時(shí)母材不熔化，僅釬料熔化，可以獲得光滑的焊縫表面，這不僅使產(chǎn)品更加美觀，還提高了密封性，而且顯著提高了焊接區(qū)域的強(qiáng)度，大大地提升了整車的安全性能。目前，在國(guó)內(nèi)外的汽車制造業(yè)，激光釬焊主要應(yīng)用在可視的外圍接合件上，如頂蓋與左右側(cè)圍的連接、行李箱上下兩部分的連接及流水槽等，大眾、奧迪所有車型及歐系和美系部分中高端車型頂蓋均采用激光釬焊，日系和自主品牌也都躍躍欲試，或已經(jīng)采購(gòu)了設(shè)備，或正在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)方面的研究。

　　(1)激光釬焊的原理

　　激光釬焊也稱激光填絲釬焊，是在電弧釬焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的局部硬釬焊技術(shù)。其焊接原理是利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲被光束能量加熱并熔化形成高溫液態(tài)金屬，從而填充到所需焊接的工件之間，即工件間的連接是通過(guò)釬焊層實(shí)現(xiàn)的，如圖10所示。釬焊屬于固相連接，它與熔焊方法不同，釬焊時(shí)母材不熔化，采用比母材熔化溫度低的釬料，加熱溫度采取低于母材固相線而高于釬料液相線的一種連接方法。當(dāng)被連接的零件和釬料加熱到釬料熔化，利用液態(tài)釬料在母材表面潤(rùn)濕、鋪展與母材相互溶解和擴(kuò)散，以及在母材間隙中潤(rùn)濕、毛細(xì)流動(dòng)、填縫與母材相互溶解和擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)零件間的連接。

　　圖10 激光釬焊原理

　　(2)激光釬焊的優(yōu)缺點(diǎn)

　　激光釬焊作為一種新興的焊接技術(shù)，正在被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中，特別在汽車白車身制造領(lǐng)域，激光填絲釬焊已經(jīng)得到比較成熟的應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中，激光釬焊具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)盡量避免的一些缺點(diǎn)。

　?、偌す忖F焊加熱溫度較低，只在焊縫表面產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，工件內(nèi)部沒(méi)有完全熔透，基本不產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。

　?、诩す忖F焊接頭平整光滑，外形美觀。例如，白車身側(cè)圍和頂蓋在拼接的時(shí)候，如果采用激光深熔焊焊接，總裝時(shí)需要裝配頂飾條對(duì)焊縫進(jìn)行遮蔽，但是如果采用激光釬焊，焊縫均勻、平整光滑，在總裝車間無(wú)需對(duì)焊縫進(jìn)行遮蔽。

　?、奂す忖F焊多用波長(zhǎng)1.06μm的激光作為光源，可用光纖傳輸，因此可在常規(guī)方式不易焊接的部位進(jìn)行加工，靈活性好，更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

　?、苡捎诩す馐梢詫?shí)現(xiàn)分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡以及掃描鏡等光學(xué)元件進(jìn)行時(shí)間與空間分割，所以激光釬焊能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對(duì)稱焊。影響激光釬焊的焊接參數(shù)主要有：光斑直徑、激光功率、焊接速度和送絲速度。

　　(3)激光釬焊的主要工藝參數(shù)

　?、俟獍咧睆健９獍叩闹睆綄?duì)釬料的鋪展影響較大。光斑直徑過(guò)小，激光集中在釬料上，對(duì)母材的加熱不足，釬料在母材上鋪展時(shí)冷卻過(guò)快，使釬料不易鋪展;光斑直徑過(guò)大，如果激光功率不夠則無(wú)法及時(shí)熔化焊絲，如果激光功率足夠則會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p母材。對(duì)于卷對(duì)接接頭，光斑直徑與焊縫寬度(填充面寬度)基本一致時(shí)，釬料的鋪展較充分。

　?、诩す夤β?。焊絲熔化的速度取決于激光能量的大小，即激光功率。當(dāng)激光功率不足時(shí)，焊絲熔化速度慢，鋪展不充分，且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低;當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，焊絲熔化速度快，如果送絲速度跟不上，則焊縫的鋪展會(huì)間斷。激光功率的最大值受設(shè)備限制，調(diào)節(jié)激光功率的大小主要考慮其與焊接速度及送絲速度的匹配。

　?、酆附铀俣群退徒z速度。焊接速度決定作業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)短和生產(chǎn)效率的高低，所以應(yīng)根據(jù)設(shè)備可提供的激光功率的大小選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣纫蕴岣呱a(chǎn)效率。通常焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但對(duì)于半徑較小的圓弧段焊縫或過(guò)渡段焊縫，過(guò)快的焊接速度產(chǎn)生的離心力將會(huì)阻礙熔融釬料的鋪展，使焊接過(guò)程不穩(wěn)定。選定了焊接速度(其最大值由機(jī)器人的性能決定)之后，需根據(jù)焊縫填充量的多少來(lái)匹配適當(dāng)?shù)乃徒z速度。送絲速度過(guò)快，焊縫表面會(huì)出現(xiàn)釬料的堆積，影響外觀質(zhì)量;送絲速度過(guò)慢則會(huì)使焊縫表面的出現(xiàn)下陷，過(guò)少的填充量會(huì)影響焊縫的焊接強(qiáng)度。當(dāng)然，送絲速度的調(diào)節(jié)也需要同時(shí)考慮激光功率的大小。

　?、芷渌蛩?。另外，焊絲送絲角度、焊接頭傾斜角度及熱絲時(shí)熱絲電流等對(duì)焊接質(zhì)量也有較大影響，在工藝調(diào)試過(guò)程中要綜合考慮以上因素，才能獲得最佳的焊接品質(zhì)。

　　(4)激光釬焊接頭形式

　　下表為焊裝車身激光釬焊接頭的常見(jiàn)形式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮具體的車身設(shè)計(jì)要求、焊接方法的使用、激光焊機(jī)的功率和能量密度、焊接時(shí)的焊接速度及釬料的選擇以及零件件來(lái)料精度等。圖11為激光釬焊焊縫截面圖。

　　圖11

　　(5)激光釬焊焊接頭介紹

　　對(duì)于一套應(yīng)用于汽車生產(chǎn)的激光釬焊系統(tǒng)而言，其主要的核心設(shè)備就是激光發(fā)生器、激光釬焊焊接頭、焊絲輸送系統(tǒng)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)及工裝夾具。激光釬焊焊接頭作為焊接工作部件，直接影響著焊接質(zhì)量。以下以德國(guó)Scansonic公司生產(chǎn)的 ALO3(Adaptive Laser Optic)激光釬焊焊接頭為例，介紹其工作原理。

　　如圖12所示，激光從激光器發(fā)出，經(jīng)光纖傳導(dǎo)后被光纖耦合器1耦合，自動(dòng)對(duì)焦模塊2將發(fā)散的光束進(jìn)行準(zhǔn)直后轉(zhuǎn)換為平行光束，準(zhǔn)直后的平行光束經(jīng)過(guò)反射模塊3和6的兩次反射后由光學(xué)聚焦模塊7聚焦后到達(dá)工作面。整個(gè)焊接過(guò)程可以通過(guò)監(jiān)控模塊5進(jìn)行全程監(jiān)控，縱向伸縮臂TA通過(guò)自動(dòng)控制模塊STRG與自動(dòng)對(duì)焦模塊關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，安裝在伸縮臂上的壓力傳感器KS通過(guò)STRG與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作控制模塊4關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。焊縫跟蹤及自動(dòng)對(duì)焦原理見(jiàn)圖 13。德國(guó)SCANSONIC公司生產(chǎn)的這套ALO3自適應(yīng)可調(diào)節(jié)激光釬焊鏡頭擁有較大的自由度，能適應(yīng)多種不同形狀焊縫的焊接，這給生產(chǎn)調(diào)試工作帶來(lái)了極大的方便，大大地縮短了調(diào)試周期，也使得焊接質(zhì)量更容易得到保證。

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　　圖13 焊縫跟蹤原理圖

　　評(píng)價(jià)汽車白車身中激光釬焊卷對(duì)接接頭質(zhì)量的方法通常是拆卸試驗(yàn)。一般采用拉伸夾具、錘子和鑿子，使焊接接頭受力直至破壞。如果破壞發(fā)生在母材而不是焊縫，通常認(rèn)為接頭是好的。其中的一個(gè)拆卸試驗(yàn)是切下一個(gè) 50mm 寬的接頭(采用 CuSi3 為釬料的激光釬焊)，對(duì)其進(jìn)行拉伸，在斷裂之前能承受 1 噸的力則認(rèn)為滿足要求。此外，還從焊縫結(jié)合情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。垂直于焊縫進(jìn)行切割，對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行顯微分析，確定裂紋和氣孔發(fā)生的位置以及熔深和熔寬。

　　激光釬焊主要應(yīng)用為頂蓋和側(cè)圍的連接以及行李箱蓋，大眾幾乎所有車型的頂蓋和側(cè)圍連接均采用了激光釬焊，其他成家也紛紛采用激光釬焊技術(shù)如圖14 所示。

　　國(guó)內(nèi)某廠商通過(guò)激光釬焊工藝攻關(guān)，目前已經(jīng)掌握車身頂蓋及尾蓋的激光釬焊技術(shù)，焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到或超過(guò)個(gè)大主機(jī)廠的要求，焊接速度為4~7m/min,能夠?qū)崿F(xiàn)車身30-60JPH的產(chǎn)能需求。目前已經(jīng)完成了車身車間主焊線激光釬焊工作站所有設(shè)計(jì)工作，包括頂蓋預(yù)裝工位，激光釬焊工位和焊后打磨處理工位，可為客戶提供整體解決方案和交鑰匙工程。

　　02Number結(jié)束語(yǔ)

　　目前，國(guó)際上對(duì)激光焊接的研發(fā)和生產(chǎn)投入也越來(lái)越大，例如雙光束激光焊接，主要用來(lái)焊接鋁合金材料的車身和部件;激光振蕩焊接，通過(guò)激光束以特定的軌跡進(jìn)行掃描，克服激光焊接本身對(duì)零件精度要求高的缺點(diǎn)，正逐步應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中;隨著廣大消費(fèi)者對(duì)汽車安全性能要求的不斷提高，越來(lái)越多的熱成型鋼板被用到了車身上面，帶有鋁硅涂層的熱成型鋼板以其強(qiáng)度高，耐腐蝕性好而廣受歡迎，目前帶鋁硅涂層的激光拼焊板也越來(lái)越多，激光發(fā)揮了 不可替代的作用。

　　國(guó)內(nèi)廠商在激光焊接領(lǐng)域內(nèi)也樹(shù)立了一座又一座里程碑：世界首次成功研制 15000瓦光纖激光機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光自熔焊接大尺寸核電堆芯圍筒18mm 不銹鋼單面焊雙面成形，世界首次成功研制活塞全自動(dòng)化生產(chǎn)線焊接實(shí)現(xiàn)激光復(fù)合焊接10mm厚42CrMoA活塞環(huán)焊縫對(duì)接;國(guó)內(nèi)首次成功研制激光遠(yuǎn)程焊接汽車覆蓋件工作站實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)程焊接(奔馳天窗)2mm與2mm雙面鍍鋅板疊焊。

　　激光焊接已經(jīng)成為汽車焊裝中的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工藝，進(jìn)口車型和合資品牌車型應(yīng)用較為廣泛，而自主品牌車型應(yīng)用尚少。隨著制造工藝的發(fā)展，工件精度及工裝夾具和自動(dòng)化程度的提高，自主品牌的車型也將加大范圍引入激光焊接技術(shù)。