1 引言
由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實現(xiàn)自動控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。激光焊接從上世紀(jì)60 年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近40 年的發(fā)展。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實現(xiàn)自動控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。這也是激光焊接能夠吸引國內(nèi)外越來越多的科技人員從事研究和技術(shù)開發(fā)的原因。本文綜述了近年來國內(nèi)外激光焊接技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的一些進(jìn)展，并介紹了激光焊接在汽車零件和車身制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。
2 激光焊接技術(shù)的進(jìn)展
2.1 激光器技術(shù)
在汽車制造和其它工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的大功率激光器主要包括兩類，CO2 激光器和Nd:YAG 激光器，而大功率半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的研究還處于起步階段。
(1) CO2 激光器
用于大熔深激光焊接的CO2 激光器一般以連續(xù)方式工作，主要包括快軸流和Slab 型兩種類型。同快軸流激光器相比，Slab 型激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、氣體消耗量少、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。目前世界上CO2 激光器最大輸出功率為45kW，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的激光器輸出功率范圍約在700W 至12kW 之間。
我國目前可以自主生產(chǎn)的快軸流激光器最大輸出功率為3kW。
(2) Nd:YAG 激光器
Nd:YAG 激光可以通過光纖傳輸，在柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工場合更具有適應(yīng)性。目前國外Nd：YAG激光器的最大輸出功率達(dá)10kW，而包括汽車在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的則是3kW 和4kW 的Nd:YAG激光器。最近幾年，半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG 激光器制造技術(shù)有了飛速發(fā)展，最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到和氙燈泵浦的Nd:YAG 激光器同樣級別。例如，Trumpf 公司生產(chǎn)的氙燈泵浦Nd:YAG 激光器的輸出功率最大為5500W，而半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG 激光器最大輸出功率已達(dá)到6000W。
我國在大功率Nd:YAG 激光器技術(shù)方面還相當(dāng)落后，目前還不能自主生產(chǎn)千瓦級Nd:YAG 激光器。
(3) 半導(dǎo)體激光器
半導(dǎo)體激光器具有波長短、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行成本低、壽命長的特點(diǎn)，是未來激光器發(fā)展的重要方向之一。國外學(xué)者已經(jīng)開始了利用大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鋁合金焊接的研究工作，可以獲得2mm的焊接熔深。但半導(dǎo)體激光器面臨的最大問題是光束模式差，光斑大，因此功率密度較低，這是半導(dǎo)體激光器今后用于工業(yè)生產(chǎn)必須解決的問題。
2.2 激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制
激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺等各種傳感器，通過人工智能和計算機(jī)處理方法，針對不同的激光焊接過程和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測等，并通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的自動化激光焊接過程。
圖1 激光焊接過程檢測原理示意圖
(1) 激光焊接過程監(jiān)測
利用各種傳感器對激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測是常用和有效的方法，如圖1 所示。根據(jù)檢測信號的不同，激光焊接質(zhì)量檢測主要包括以下幾種方式：
1) 光信號檢測。檢測對象為激光焊接過程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測裝置的安裝來看，主要包括與激光束同軸的直視檢測、側(cè)面檢測和背面檢測。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD 和高速攝像機(jī)，以及光譜分析儀等。
2) 聲音信號檢測。檢測對象主要為焊接過程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。
3) 等離子體電荷信號。檢測對象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。
利用光電傳感器檢測激光焊接過程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過程監(jiān)測與控制的重要方法之一。國內(nèi)外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動檢測出焊接過程中因激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、噴嘴至工件表面距離、對接間隙等工藝條件的波動引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量，例如，氣孔傾向的嚴(yán)重程度。
采用激光視覺傳感器可以實時觀察焊縫的成形質(zhì)量，迅速及時診斷高速焊接中容易出現(xiàn)的咬邊和氣孔缺陷，同時可以在線測量焊縫的寬度變化。采用這種在線檢測方法替代手動檢查，大大減少了返修率，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。例如，在Nd:YAG 焊接系統(tǒng)中，采用Ar+激光作為輔助光源照亮焊接區(qū)，在CCD 前安裝只允許Ar+激光通過的濾波片，就可以獲得非常清晰的焊接熔池圖象。這項技術(shù)在日本汽車制造領(lǐng)域已得到相當(dāng)應(yīng)用。
(2) 激光焊接過程控制
激光焊接過程控制的主要內(nèi)容就是對焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時，光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個范圍，熔深則下降，甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過程，變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或熱導(dǎo)焊。但實際激光焊接時，存在多種因素影響焦點(diǎn)位置的穩(wěn)定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴－工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應(yīng)引起焦點(diǎn)位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點(diǎn)位置的變化等。如何迅速確定激光焦點(diǎn)位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。
圖2 激光焊接焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成
圖2 是清華大學(xué)研制的CO2 激光焊接焦點(diǎn)位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。整個系統(tǒng)包括數(shù)控激光焊接機(jī)床(CNC)、特殊設(shè)計的激光焊炬以及檢測控制系統(tǒng)。焊接噴嘴－工件距離可以通過上下調(diào)節(jié)焊炬位置實現(xiàn)，而聚焦透鏡位置則由電機(jī)驅(qū)動在焊炬內(nèi)獨(dú)立上下運(yùn)動，實現(xiàn)焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)。檢測系統(tǒng)由電荷傳感器(pcs 噴嘴)和裝在噴嘴側(cè)面的光學(xué)傳感器(ps 傳感器)組成。焊接過程中，根據(jù)檢測到的PCS 信號變化，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)噴嘴至工件表面距離，保證在焊接過程中保持噴嘴－工件距離恒定；同時根據(jù)PS 信號調(diào)整聚焦透鏡的位置，用于補(bǔ)償因熱透鏡效應(yīng)引起的焦點(diǎn)位置波動，使焦點(diǎn)位置始終處在最佳焦點(diǎn)位置范圍。
圖3 焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)控制激光焊接樣品
圖3 顯示的是這種質(zhì)量檢測與閉環(huán)控制的實驗結(jié)果。雙閉環(huán)控制實驗在450mm 長的彎板上進(jìn)行，包括了上坡焊、平焊和下坡焊三種情況。圖中焊縫A 為只采用PCS 信號單獨(dú)控制焊接噴嘴－工件距離的實驗結(jié)果，可以看出雖然噴嘴受控隨工件斜率升降能保持噴嘴-工件距離不變，但由于熱透鏡效應(yīng)的影響，焊接過程中焦點(diǎn)位置逐漸偏離最佳焦點(diǎn)位置，由穩(wěn)定的深熔焊變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊和熱導(dǎo)焊。而焊縫B 則采用了雙閉環(huán)控制，既控制了噴嘴-工件距離，又能自動調(diào)節(jié)透鏡的高度，對焦點(diǎn)位置進(jìn)行全閉環(huán)控制，補(bǔ)償了包括熱透鏡效應(yīng)在內(nèi)的各種因素的的影響，所以焊接過程中能始終保證熔深和熔寬均勻。
2.3 新型激光焊接工藝與方法
(1) 雙/多光束焊接
雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時將兩臺或兩臺以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來，隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時容易出現(xiàn)氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實施焊接，這樣可以適當(dāng)提高焊接小孔的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。
(2) 激光－電弧復(fù)合焊
激光－電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，即極小的激光聚焦光斑對焊前工件的加工裝配要求過高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。而激光－電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點(diǎn)在于：
1) 可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好。
2) 有利于減小氣孔傾向。
3) 可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。
4) 電弧對等離子體有稀釋作用，可減小對激光的屏蔽效應(yīng)，同時激光對電弧有引導(dǎo)和聚焦作用，使焊接過程穩(wěn)定性提高。
5) 利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。
激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光-電弧復(fù)合焊方法實現(xiàn)較為簡單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實現(xiàn)二維和三維焊接。目前，對旁軸復(fù)合焊的研究較多，而同軸復(fù)合焊的還處于研究階段。在復(fù)合焊的應(yīng)用方面，許多汽車制造商正將其用于新型汽車的制造。例如，在進(jìn)行汽車車身拼焊時，利用3kW Nd:YAG 激光焊接1.2mm 和0.7mm 厚的拼板時焊接速度最高為4.0m/min，采用復(fù)合焊后最大速度可達(dá)7.4m/min，而允許的對接坡口間隙從原來的0.05mm 提高到0.15mm。國內(nèi)近年來也開始了激光－電弧復(fù)合焊的初步研究。
3 激光焊接在汽車制造中的典型應(yīng)用
汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造生產(chǎn)中的最主要焊接方法之一?？傮w上講，激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用主要包括三個方面。
3.1 汽車零部件的激光焊接
激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用始于變速箱的齒輪焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齒輪幾乎沒有焊接變形，不需要焊后熱處理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了應(yīng)用。國外到目前為止，激光焊接已經(jīng)在汽車零部件生產(chǎn)中得到非常廣泛的應(yīng)用，包括尾氣排放系統(tǒng)（歧管、排氣管、消聲器等）、變速箱雙聯(lián)齒輪、減振器儲油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國內(nèi)汽車領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲油缸筒的焊接。
3.2 激光拼焊技術(shù)
激光焊接在汽車制造應(yīng)用最為成功，同時效益最為明顯的一項技術(shù)就是汽車車身的拼焊技術(shù)。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，即在進(jìn)行車身的設(shè)計制造時，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級和厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊技術(shù)完成車身某一部位的制造。激光拼焊技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計和開發(fā)周期；減少材料浪費(fèi)；最合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性。
德國大眾最早于1985 年將激光拼焊用于Audi 車型底盤的焊接，日本豐田于1986 年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993 年，當(dāng)時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了2mm 工程。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。
3.3 汽車車身激光焊接技術(shù)
激光焊接在汽車制造中的另一個重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，如圖4a 所示，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替（圖4b）。比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長多達(dá)30m。國內(nèi)，上海通用的Polo、上海大眾Passat 車型和一汽Bora 的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個重要標(biāo)志。
圖4 汽車車身頂蓋與側(cè)面激光焊接代替點(diǎn)焊
4 小結(jié)
激光焊接在汽車制造領(lǐng)域的大量成功應(yīng)用顯示出激光焊接強(qiáng)大的生命力和非常廣闊的應(yīng)用前景。雖然我國激光焊接技術(shù)的整體應(yīng)用水平還比較低，在激光器制造技術(shù)上還較發(fā)達(dá)國家落后許多，但是應(yīng)當(dāng)看到我國一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
