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 安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保一直是世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題。激光焊接工藝在汽車工業(yè)領(lǐng)域尤其得到重視和廣泛應(yīng)用，其中汽車覆蓋件是激光焊接的五大類之一。激光焊接已經(jīng)成為車身覆蓋件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝！

 

激光焊接運(yùn)用于汽車上可以降低車身重量、提高車身裝配精度、增加車身的剛度、降低汽車車身制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本。

德國(guó)人是最早把激光焊接技術(shù)運(yùn)用于汽車，在20世紀(jì)90年代中期，BMW公司利用激光焊接機(jī)器人完成了BMW5系列轎車的第一條焊縫，焊縫總長(zhǎng)度達(dá)12m。

德國(guó)大眾Touran轎車的激光焊縫總長(zhǎng)度達(dá)到了70m。隨后，奧迪、速騰、高爾夫及Passat等品牌的車頂采用了激光焊接技術(shù)，通用、豐田、福特、寶馬、奔馳等公司陸續(xù)均采用了激光焊接技術(shù)。

以下介紹四種典型的應(yīng)用于汽車覆蓋件方面的激光焊接工藝。

 

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激光自熔疊焊

汽車覆蓋件激光焊接工藝

當(dāng)功率密度達(dá)到一定的范圍（106~107 W/cm2）的激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，材料被加熱熔化至汽化，產(chǎn)生大量的金屬蒸汽，在蒸汽逸出表面時(shí)產(chǎn)生的反作用力下，使熔化的金屬液體向四周排擠，形成凹坑，隨著激光的繼續(xù)照射，凹坑穿入更深，當(dāng)激光停止照射后，凹坑周邊的熔液回流，冷卻凝固后將兩工件焊接在一起。

對(duì)于激光自熔疊焊工藝而言，其影響因素較多。除了材料本身的影響外，主要有以下幾個(gè)方面：

 

影響因素  

1、激光功率

激光焊接中存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值，工件僅發(fā)生表面熔化，熔深很淺，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行；一旦達(dá)到或超過(guò)此值，等離子體才會(huì)產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行，熔深會(huì)大幅度提高。如果激光功率低于此閾值，激光功率密度較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)熔深不足甚至焊接過(guò)程不穩(wěn)定。 

2、焊接速度

焊接速度對(duì)熔深影響較大，提高速度會(huì)使熔深變淺，但速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)度熔化、工件焊穿。所以，對(duì)一定激光功率和一定厚度的某特定材料有一個(gè)合適的焊接速度范圍，并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。

3、離焦量

為了保持足夠功率密度，焦點(diǎn)位置至關(guān)重要。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負(fù)離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負(fù)離焦。離焦量的變化直接影響焊縫寬度與深度。 

4、保護(hù)氣體

激光焊接過(guò)程常使用惰性氣體來(lái)保護(hù)熔池，但在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合常使用氬、氮、氦等氣體作保護(hù)，使工件在焊接過(guò)程中免受氧化，同時(shí)可以吹散等離子體。

 

缺點(diǎn) 

焊接厚度有限；工件裝配要求高；激光焊接系統(tǒng)一次性投資成本較高。

案例 

汽車四車門、頂蓋、側(cè)圍等部位

遠(yuǎn)程焊接借助的是振鏡掃描頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的（如下圖所示），其激光束定位方法不同，激光束入射到掃描振鏡的X、Y軸兩個(gè)反射鏡上，計(jì)算機(jī)控制馬達(dá)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)反射鏡的角度，實(shí)現(xiàn)激光束的任意偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置，實(shí)現(xiàn)焊接功能。

 

優(yōu)勢(shì)

其定位精度高、時(shí)間短、較一般激光自熔焊的焊接速度快、效率高，焦距長(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，激光遠(yuǎn)程焊接技術(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。

 

缺點(diǎn) 

它對(duì)來(lái)料及裝配精度要求比較高，主要是焊縫處兩面的貼合精度；當(dāng)工件厚度過(guò)大時(shí)，焊縫深寬比增大，焊縫處剪切強(qiáng)度低，主要適用鈑金厚度低于2mm的連接，如汽車覆蓋件等。

 

案例

如汽車四門內(nèi)板分總成、A、B、D柱內(nèi)板總成車門、天窗總成等

3

激光釬焊

白車身激光焊接工藝

激光器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（母材未熔化）潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，與母材結(jié)合，形成焊縫，實(shí)現(xiàn)良好的連接。（如下圖）

影響因素  

1、光斑直徑。

光斑直徑對(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)，釬料的鋪展會(huì)較充分。

2、激光功率。

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，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)激光功率的大小要考慮其與焊接速度及送絲速度的匹配。

3、焊接速度。

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。

4、送絲速度。

選定了焊接速度之后，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)使焊縫表面出現(xiàn)下陷，過(guò)少的填充量會(huì)影響焊縫的焊接強(qiáng)度。

 

優(yōu)勢(shì)

焊縫成形均勻美觀，密封性好，焊縫強(qiáng)度高。

 

缺點(diǎn)

釬焊接頭力學(xué)性能主要由釬料保證，接頭強(qiáng)度相對(duì)較低，耐熱性差，且焊前清理要求嚴(yán)格。

激光釬焊質(zhì)量缺陷造成的原因  

• 釬焊絲校準(zhǔn)：焊絲沒(méi)有穿過(guò)焦點(diǎn)中心，焊絲距離焦點(diǎn)的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。

• 釬焊絲溫度：焊絲預(yù)熱溫度錯(cuò)誤。

• 間隙尺寸：部件之間的間隙尺寸不均勻。

• 焊接速度與送絲速度的不匹配。

• 出光的控制：激光器和送絲機(jī)的開(kāi)關(guān)點(diǎn)可能與加工過(guò)程不相符。

 

難點(diǎn)

編程示教工作量大，工裝夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重復(fù)定位精度要求較高，加工軌跡的開(kāi)始和結(jié)尾段難以控制。

 

案例 

行李箱尾蓋、頂蓋和側(cè)圍的流水槽、C柱等

 

4

激光-電弧復(fù)合焊

白車身激光焊接工藝

激光復(fù)合焊是指在焊接時(shí)使用激光束和電弧等離子體熱源進(jìn)行有機(jī)復(fù)合而構(gòu)建的新型焊接熱源共同加熱母材焊接區(qū)域，形成共同的熔池，使待焊工件的不同部分有效連接的一種新型焊接工藝方法。

激光-電弧復(fù)合焊接由于同時(shí)有激光熱源和電弧熱源的作用，因此其兼有激光焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，與純電弧焊接相比，激光電弧復(fù)合焊接焊后變形小，熔深大，能明顯提高焊接效率，與純激光焊接相比，可提高焊接裝配間隙的適應(yīng)性，并且焊縫成形飽滿，所以在焊縫成形的控制以及焊接間隙的容許誤差兩個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)性。

另外，由于電弧的熱作用范圍、熱影響區(qū)較大，使得焊接時(shí)溫度梯度減小，降低了冷卻速度，相對(duì)激光自熔焊使熔池的凝固過(guò)程變得緩慢，減少或消除了氣孔及裂紋出現(xiàn)的可能，也可改善焊縫和熱影響區(qū)的組織性能。

1、能量利用率提高，焊接過(guò)程穩(wěn)定性增強(qiáng)。

激光焊接時(shí)產(chǎn)生的光致等離子體，會(huì)嚴(yán)重影響到焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，降低能量的利用率，而加入了電弧后，電弧的介入可以稀釋光致等離子體，增加激光的穿透能力，提高焊接的穩(wěn)定性。

2、焊接熔深增加

采用激光電弧復(fù)合焊時(shí)與單獨(dú)采用激光束焊接相比，熔深大約可增大20%。

3、焊接速度提高，焊縫成形改善

在一定的工藝條件下，復(fù)合焊接的速度可達(dá)MAG弧焊的三倍左右，是激光自熔焊的1.5倍左右，同時(shí)可改善熔融金屬的浸潤(rùn)性，避免咬邊等缺陷出現(xiàn)。

4、降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好

電弧的存在使接頭間隙允許范圍變寬，即使在間隙寬度超過(guò)光斑直徑時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)連接，也避免了單純激光焊時(shí)可能存在的一些焊接缺陷等。

 

5、降低激光器功率要求，成本大幅降低

采用復(fù)合熱源后，可以大大降低激光器的功率要求，可以實(shí)現(xiàn)較低激光功率下復(fù)合較低成本的弧焊熱源來(lái)獲得較大的熔深，使設(shè)備成本大幅降低。

 

案例

在汽車制造業(yè)內(nèi)激光復(fù)合焊也有大批量的應(yīng)用，如一些鋁質(zhì)車門的焊接等。以德國(guó)大眾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)。