激光焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的運(yùn)用

激光焊接是用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，但這種工藝要求激光束和焊接接縫尺寸保持相應(yīng)的一致性。相對而言，氣體金屬電弧和串接焊接則更擅長處理間隙尺寸不一致的情況。因此，一些汽車制造商將激光焊接和氣體焊接相互結(jié)合，得到了理想的焊接效果。

當(dāng)下，汽車買家對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能提出越來越高的要求。為滿足客戶的需求，必須不斷進(jìn)行工藝創(chuàng)新。

對于激光焊接工藝來說同樣如此。汽車制造商們希望在保證產(chǎn)品質(zhì)量，對不同間隙尺寸保持一定焊接柔性的前提下，采用焊接速度更快、生產(chǎn)周期更短的工藝。如今，傳統(tǒng)的激光焊接工藝已經(jīng)不能滿足這兩個(gè)生產(chǎn)要求。

然而，一種結(jié)合激光焊和氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）的混合焊接工藝——激光復(fù)合焊接，即激光釬焊的成功應(yīng)用解決了這一焊接難題。我們知道，激光焊接會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常窄的熔池。熔池的尺寸與焊接深度和焊縫寬度成比例，借此可以實(shí)現(xiàn)非常高的焊接速度。但是由于激光束的焦點(diǎn)直徑非常小，所以激光焊接并不能自如應(yīng)對接縫寬度與激光束直徑相差較大的情況。而氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）的能量密度較低，可以在材料的表面上形成較大的光斑，對各種接縫寬度都可以產(chǎn)生良好的焊接效果。

現(xiàn)在，在部分汽車生產(chǎn)線上已經(jīng)進(jìn)行了這種混合焊接工藝的試用，并且焊接效果非常理想。

激光混合焊接技術(shù)簡介

將激光焊與電弧焊相結(jié)合的技術(shù)嘗試始于上世紀(jì)70年代，但當(dāng)時(shí)并沒有取得突破性的技術(shù)進(jìn)展【1,2】。

最近，研究人員再次試著將這兩個(gè)過程相結(jié)合，是希望能在一個(gè)混合焊接過程中同時(shí)保留電弧焊與激光焊的優(yōu)點(diǎn)【3,4】。

專家們認(rèn)為激光具有廣泛的工業(yè)適宜性，如今，激光在汽車行業(yè)中的廣泛運(yùn)用證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

在混合焊接過程中，激光束和焊接電弧同時(shí)作用于焊接區(qū)域，二者相互影響和相互支持。過去激光束與焊接應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，典型的例子是，制造商曾將CO2激光焊接和GMAW工藝結(jié)合起來進(jìn)行焊接作業(yè)【5】。

為得到更好的深焊接效應(yīng)，未來激光復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，將對激光強(qiáng)度和光束質(zhì)量提出更高的要求【6】。

由于其良好的光束質(zhì)量， CO2激光器在目前的設(shè)備制造過程中普遍應(yīng)用于金屬切割。長遠(yuǎn)來看，平板激光器和二極管泵浦激光器的一些性能特點(diǎn)，例如聚焦能力良好，光束質(zhì)量高和焊接強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，使它們在鋁材料的切割和焊接過程中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此它們在制造業(yè)中的應(yīng)用潛力也十分可觀。但是，維持它們高焊接強(qiáng)度的代價(jià)是犧牲了焊接截面積。這一缺陷使平板激光器和二極管泵浦激光器在的使用受到一定限制，特別是需要進(jìn)行搭接接頭上的方形對接焊縫焊接的情況下。

與市場上其他類型的激光器相比，Nd:YAG固態(tài)激光器的功率較大，因此它們在焊接中的應(yīng)用更加頻繁。另外，固態(tài)激光器在操作過程中采用的是柔性光纖電纜，而CO2激光器則需要使用剛性梁臂來引導(dǎo)操作，二者相較，顯然固態(tài)激光器更具優(yōu)勢。以汽車制造業(yè)為例，柔性的操作梁在焊接車廂，后備箱，車門，引擎蓋和車身前端等部分時(shí)非常實(shí)用【7】。不過，固態(tài)激光器也不是萬能的，某些二維平面上的焊接和一些簡單的三維立體焊接還是需要用到CO2激光器。

致密度高，焊接性能好的二極管激光器已經(jīng)逐漸擁有自己的應(yīng)用領(lǐng)域，在激光釬焊方面也是大有可為。未來有可能用于承擔(dān)薄片焊接相關(guān)的長時(shí)間作業(yè)。接下來，在優(yōu)化激光束焦點(diǎn)的同時(shí)，需要進(jìn)一步加大二極管的激光功率，這將決定激光技術(shù)能否在深熔焊方面取得突破。

到目前為止，半導(dǎo)體激光器與其他高性能激光器的成本幾乎相同，但是隨著二極管的成本降低，半導(dǎo)體激光器的價(jià)格肯定會(huì)進(jìn)一步下調(diào)。

在進(jìn)行一些金屬工件的焊接工作時(shí)，Nd:YAG激光束是性價(jià)比很高的選擇。
Nd:YAG激光束的強(qiáng)度可以達(dá)到106W/cm2。高強(qiáng)度的激光束使金屬表面迅速升溫達(dá)到熔點(diǎn)，從而很快形成熔池。

焊縫的深度和寬度之間存在嚴(yán)格的比例關(guān)系。激光束產(chǎn)生的自由電弧的能量流密度將略高于104 W/cm2。除電弧外，激光焊接也會(huì)在焊接區(qū)域的上部焊縫金屬中產(chǎn)生額外的熱量。

與具有一定工藝順序的流水線作業(yè)不同，混合焊接是在同一個(gè)工藝過程中同時(shí)進(jìn)行兩種焊接方式（參見圖1）。選取不同的電弧焊和激光焊工藝參數(shù)，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同的焊接強(qiáng)度和特性。

圖1：用于激光混合焊接的焊接頭重約16.5磅（7.5 kg），額定功率4 kW，額定電流250A
與單一工藝相比，組合工藝的焊接深度和焊接速度得到明顯的提升。金屬在焊接空腔中升華并與電弧等離子體反應(yīng)。Nd:YAG激光輻射在等離子體中的吸收可忽略不計(jì)。調(diào)節(jié)激光焊和電弧焊功率比，可以設(shè)計(jì)焊接速度和靈活性來應(yīng)對不同的焊縫寬度，以此產(chǎn)生不同的焊接效果。

工件溫度是影響激光輻射吸收的決定性因素。激光焊接的啟動(dòng)過程中必須克服起始反射，尤其是進(jìn)行鋁材料的焊接時(shí)。達(dá)到熔化溫度后，金屬表面形成熔池，這時(shí)工件得以吸收大部分的輻射能量。另外，工件的熱傳導(dǎo)性能也對焊接作業(yè)所需的能量有一定影響。

進(jìn)行激光混合焊接時(shí)，工件表面熔化并填充焊絲，同時(shí)周圍的熔融金屬也將促進(jìn)激光輻射的吸收，這有利于保持焊接過程的連續(xù)性。

與單純的激光焊接工藝相比，激光混合焊接工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：在具有高間隙橋接能力的同時(shí)，兼具更好的瞬時(shí)穿透寬度和深度，更寬的應(yīng)用范圍以及更好的焊接韌性。與單一氣體電弧焊工藝（GMAW）相比，激光混合焊接表現(xiàn)出更高的焊接速度，高速下更深的穿透力，需要的熱量輸入更少，焊接強(qiáng)度更大以及形成的焊縫更窄。

結(jié)合激光焊和氣體電弧焊的激光混合焊接工藝，與傳統(tǒng)的激光焊接相比，可以形成更大的熔池。因此，激光混合焊接工藝可以滿足常規(guī)激光技術(shù)不適用的寬焊縫部件的焊接要求。
激光釬焊在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

激光混合焊接在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用以德國戴姆勒軸承制造廠為例。激光混合焊接能夠提供的焊接速度高，穿透力強(qiáng)但需要的熱輸入量卻顯著降低。與常規(guī)焊絲工藝相比，激光混合焊的焊接速度提升了了大約30％。圖2為使用激光混合焊接工藝制造的戴姆勒車橋組件。

圖2：梅塞德斯C級轎車上使用的軸部件，該部件使用了177IPM（4.5m / min）下，焊絲進(jìn)給速率為235IPM（6.0m / min）的激光混合焊接工藝。
圖片來自戴姆勒公司
混合焊接工藝同樣適用于汽車鋁側(cè)板（見圖3）的加工。激光混合焊接可以在僅0.0625英寸的長度上實(shí)現(xiàn)177IPM（4.5m / min）的焊接速度。在這個(gè)過程中，激光混合焊沿著焊縫形成圓形邊緣，并表現(xiàn)出良好的穿透性。

圖3：使用激光混合焊技術(shù)焊接汽車側(cè)板
激光混合焊接工藝能夠兼顧深穿透性和良好焊接性能的原因在于激光束具有高的能量密度，并且焊絲可以充分填充焊縫橫截面。幾年前，這種焊接工藝就已經(jīng)在一線汽車供應(yīng)商中得到推廣和使用。
激光混合焊接工藝在側(cè)面板焊接方面的良好應(yīng)用，極大地提高了焊接的自動(dòng)化程度，與傳統(tǒng)的氣體電弧焊接相比：
• 激光混合焊生產(chǎn)線可以節(jié)省近一半的生產(chǎn)空間；
• 焊絲消耗量減少80%；
• 焊接速度提高30%；
• 與傳統(tǒng)的氣體電弧焊焊工藝相比，激光混合焊節(jié)省近30%的人力勞動(dòng)。

激光復(fù)合焊接工藝過程

進(jìn)行激光復(fù)合焊接（參見圖4）時(shí)，焊接區(qū)內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)焊接弧，前端的激光束用于焊接底部，接著氣體電弧焊工藝用于彌合間隙和增加焊縫厚度。

圖4：圖為使用激光復(fù)合焊接工藝焊接的工件，可以看到，激光束與工件幾乎成一個(gè)直角。而兩個(gè)氣體電弧焊的則具有一定的前傾角
高靈活性是混合焊接過程的一個(gè)重要特色。例如，根據(jù)所需的焊接效果，可以設(shè)置三個(gè)不同的輸出功率。這樣，操作者可以設(shè)計(jì)混合焊接過程中的功率輸出參數(shù)，并參考焊縫幾何形狀來設(shè)置焊接路徑以及選擇合理的焊接速度。焊接深度可以結(jié)合激光功率，焦點(diǎn)直徑和焊接速度來綜合調(diào)節(jié)。另外，還可以使用兩種不同的金屬焊絲來達(dá)到更好的焊接效果。

激光-GMAW-混合焊接工藝允許對激光器和電弧功率以及兩種焊接電弧的長度進(jìn)行獨(dú)立控制。這使得混合焊工藝在很好的實(shí)現(xiàn)熔融金屬液滴的有控制脫離，維持電弧的穩(wěn)定和控制焊接火花量的同時(shí)，也可以兼顧高的沉積效率和快速的焊接速度。