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激光焊接技术及其在汽车制造中的应用 |
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作者：清华大学 张旭东 陈武柱 |
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摘要：本文综述了近年来国内外激光焊接技术领域研究和应用的一些进展，重点包括激光焊接过程检测方法、焦点位置闭环控制和激光－电弧复合焊技术。并介绍了激光焊接在汽车零件和车身制造领域的典型应用。
1 引言
激光焊接从上世纪60 年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近40 年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。这也是激光焊接能够吸引国内外越来越多的科技人员从事研究和技术开发的原因。本文综述了近年来国内外激光焊接技术领域研究和应用的一些进展，并介绍了激光焊接在汽车零件和车身制造领域的典型应用。
2 激光焊接技术的进展
2.1 激光器技术
在汽车制造和其它工业生产中广泛应用的大功率激光器主要包括两类，CO2 激光器和Nd:YAG 激光器，而大功率半导体激光器在焊接领域的研究还处于起步阶段。
(1) CO2 激光器
用于大熔深激光焊接的CO2 激光器一般以连续方式工作，主要包括快轴流和Slab 型两种类型。同快轴流激光器相比，Slab 型激光器具有结构紧凑、气体消耗量少、维护成本低的特点。目前世界上CO2 激光器最大输出功率为45kW，工业生产中应用的激光器输出功率范围约在700W 至12kW 之间。
我国目前可以自主生产的快轴流激光器最大输出功率为3kW。
(2) Nd:YAG 激光器
Nd:YAG 激光可以通过光纤传输，在柔性制造系统或远程加工场合更具有适应性。目前国外Nd：YAG激光器的最大输出功率达10kW，而包括汽车在内的工业生产中应用较多的则是3kW 和4kW 的Nd:YAG激光器。最近几年，半导体泵浦的Nd:YAG 激光器制造技术有了飞速发展，最大输出功率已经达到和氙灯泵浦的Nd:YAG 激光器同样级别。例如，Trumpf 公司生产的氙灯泵浦Nd:YAG 激光器的输出功率最大为5500W，而半导体泵浦的Nd:YAG 激光器最大输出功率已达到6000W。
我国在大功率Nd:YAG 激光器技术方面还相当落后，目前还不能自主生产千瓦级Nd:YAG 激光器。
(3) 半导体激光器
半导体激光器具有波长短、重量轻、转换效率高、运行成本低、寿命长的特点，是未来激光器发展的重要方向之一。国外学者已经开始了利用大功率半导体激光器进行铝合金焊接的研究工作，可以获得2mm的焊接熔深。但半导体激光器面临的最大问题是光束模式差，光斑大，因此功率密度较低，这是半导体激光器今后用于工业生产必须解决的问题。
2.2 激光焊接过程监测与质量控制
激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展的一个重要内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。
图1 激光焊接过程检测原理示意图
(1) 激光焊接过程监测
利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法，如图1 所示。根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要包括以下几种方式：
1) 光信号检测。检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD 和高速摄像机，以及光谱分析仪等。
2) 声音信号检测。检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。
3) 等离子体电荷信号。检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。
利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表明，利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量，例如，气孔倾向的严重程度。
采用激光视觉传感器可以实时观察焊缝的成形质量，迅速及时诊断高速焊接中容易出现的咬边和气孔缺陷，同时可以在线测量焊缝的宽度变化。采用这种在线检测方法替代手动检查，大大减少了返修率，提高了生产效率，降低了成本。例如，在Nd:YAG 焊接系统中，采用Ar+激光作为辅助光源照亮焊接区，在CCD 前安装只允许Ar+激光通过的滤波片，就可以获得非常清晰的焊接熔池图象。这项技术在日本汽车制造领域已得到相当应用。
(2) 激光焊接过程控制
激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数的控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。但实际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊接变形引起的焊接喷嘴－工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化等。如何迅速确定激光焦点位置并将其控制在合适的范围，一直是激光焊接迫切要求解决而又难度很大的课题。
图2 激光焊接焦点位置双闭环控制系统组成
图2 是清华大学研制的CO2 激光焊接焦点位置的双闭环控制系统示意图。整个系统包括数控激光焊接机床(CNC)、特殊设计的激光焊炬以及检测控制系统。焊接喷嘴－工件距离可以通过上下调节焊炬位置实现，而聚焦透镜位置则由电机驱动在焊炬内独立上下运动，实现焦点位置的调节。检测系统由电荷传感器(pcs 喷嘴)和装在喷嘴侧面的光学传感器(ps 传感器)组成。焊接过程中，根据检测到的PCS 信号变化，系统可以自动调节喷嘴至工件表面距离，保证在焊接过程中保持喷嘴－工件距离恒定；同时根据PS 信号调整聚焦透镜的位置，用于补偿因热透镜效应引起的焦点位置波动，使焦点位置始终处在最佳焦点位置范围。
图3 焦点位置双闭环控制激光焊接样品
图3 显示的是这种质量检测与闭环控制的实验结果。双闭环控制实验在450mm 长的弯板上进行，包括了上坡焊、平焊和下坡焊三种情况。图中焊缝A 为只采用PCS 信号单独控制焊接喷嘴－工件距离的实验结果，可以看出虽然喷嘴受控随工件斜率升降能保持喷嘴-工件距离不变，但由于热透镜效应的影响，焊接过程中焦点位置逐渐偏离最佳焦点位置，由稳定的深熔焊变为模式不稳定焊和热导焊。而焊缝B 则采用了双闭环控制，既控制了喷嘴-工件距离，又能自动调节透镜的高度，对焦点位置进行全闭环控制，补偿了包括热透镜效应在内的各种因素的的影响，所以焊接过程中能始终保证熔深和熔宽均匀。
2.3 新型激光焊接工艺与方法
(1) 双/多光束焊接
双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。后来，随着激光焊接技术应用范围的扩大，为减小在厚板焊接，特别是铝合金焊接时容易出现气孔倾向，采用以前后排列或平行排列的两束激光实施焊接，这样可以适当提高焊接小孔的稳定性，减少焊接缺陷的产生几率。
(2) 激光－电弧复合焊
激光－电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存在的间隙适应性差，即极小的激光聚焦光斑对焊前工件的加工装配要求过高，此外，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光－电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法。其特点在于：
1) 可降低工件装配要求，间隙适应性好。
2) 有利于减小气孔倾向。
3) 可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。
4) 电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提高。
5) 利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激光-电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。目前，对旁轴复合焊的研究较多，而同轴复合焊的还处于研究阶段。在复合焊的应用方面，许多汽车制造商正将其用于新型汽车的制造。例如，在进行汽车车身拼焊时，利用3kW Nd:YAG 激光焊接1.2mm 和0.7mm 厚的拼板时焊接速度最高为4.0m/min，采用复合焊后最大速度可达7.4m/min，而允许的对接坡口间隙从原来的0.05mm 提高到0.15mm。国内近年来也开始了激光－电弧复合焊的初步研究。
3 激光焊接在汽车制造中的典型应用
汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业，从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的最主要焊接方法之一。总体上讲，激光焊接在汽车制造中的应用主要包括三个方面。
3.1 汽车零部件的激光焊接
激光焊接在汽车制造中的应用始于变速箱的齿轮焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齿轮几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了应用。国外到目前为止，激光焊接已经在汽车零部件生产中得到非常广泛的应用，包括尾气排放系统（歧管、排气管、消声器等）、变速箱双联齿轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等。国内汽车领域应用激光焊接主要有变速箱齿轮和减振器储油缸筒的焊接。
3.2 激光拼焊技术
激光焊接在汽车制造应用最为成功，同时效益最为明显的一项技术就是汽车车身的拼焊技术。激光拼焊的目的是为了降低车身重量，即在进行车身的设计制造时，根据车身不同部位的性能要求，选择钢材等级和厚度不同的钢板，通过激光裁剪和拼焊技术完成车身某一部位的制造。激光拼焊技术具有下列优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期；减少材料浪费；最合理使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少车身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性。
德国大众最早于1985 年将激光拼焊用于Audi 车型底盘的焊接，日本丰田于1986 年采用添丝激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技术是在1993 年，当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了2mm 工程。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件包括车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。
3.3 汽车车身激光焊接技术
激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接，其中一个典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧板的焊接。传统的焊接方法为点焊，如图4a 所示，但现在正逐渐被激光焊接所代替（图4b）。比较两者可以看出，采用激光焊接后，顶盖和侧面车身的搭接边宽度减少，降低了钢板使用量，同时提高了车体的刚度。目前这种车身框架的激光焊接技术在各大汽车制造商的较新型车中都得到了非常广泛的应用，例如Audi A2 车体框架是由铝合金材料焊接而成，比同样结构使用钢材可减少重量43kg，其中激光焊接的焊缝总长多达30m。国内，上海通用的Polo、上海大众Passat 车型和一汽Bora 的制造中，也都采用了激光焊接技术。这是我国汽车制造业真正使用激光焊接技术的一个重要标志。
图4 汽车车身顶盖与侧面激光焊接代替点焊
4 小结
激光焊接在汽车制造领域的大量成功应用显示出激光焊接强大的生命力和非常广阔的应用前景。虽然我国激光焊接技术的整体应用水平还比较低，在激光器制造技术上还较发达国家落后许多，但是应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术，而且从激光焊接技术本身研究的角度看，我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展，激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。
参考文献
1 Xudong Zhang, Wuzhu Chen, Ping Jiang, Jing Guo, Zhilin Tian. Modeling and Applications of Plasma Charge Current in Laser Welding. Journal of Applied Physics. 2003，93(11)
2 姜平，陈武柱，夏侯荔鹏等. 利用等离子体光、电信号对激光深熔焊焦点位置的双闭环控制. 应用激光, 1999, 19(5)
3 Ulrich Dilthey, et al. Laser Arc Hybrid Welding. Proc.of the 7th Int.Symp., 2001，Vol.1
4 Takashi Ishide, et al. Latest YAG laser welding system - development of hybrid YAG laser welding technology ICALEO’97, Vol.83(end)
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(5/12/2005) |
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