激光焊接技术及其在汽车制造中的应用

    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2 激光焊接焦点位置双闭环控制系统组成