作者：一汽-大眾(zhong) 汽車有限公司佛山分公司 劉立波，華治華，趙立富，張祥雲(yun)

激光拚焊、激光切割、激光深熔焊、激光釺焊等工藝目前已廣泛運用於(yu) 包括汽車、航空等各工業(ye) 細分領域。它具有焊接高效、焊接強度高、焊縫美觀、耐久度高等優(you) 勢。但與(yu) 此同時，激光焊也存在著一定的局限，例如：對焊接裝配精度要求較高、工裝精度要求高、整套係統的成本較 高、一次性投資大等。本文主要從(cong) 焊接工藝及尺寸角度，對激光焊接產(chan) 生的問題進行探討。

1 激光焊接工藝

1.1 硬件設備

硬件設備除激光器之外，還包括控製裝置和配電裝置，控製裝置主要作用為(wei) 控製和監視激光器。配電裝置主要作用是控製單元和設備供電。

除此之外，還需要配備一定數量的輔助設備，包括激光光纜、焊接機器人及焊接工裝、冷卻裝置等。

1.2 過程控製

在激光器開始工作前，首先應通過焊接夾具對被焊零件進行定位，焊接夾具可保證焊接時零件的精確定位，減小焊接變形。夾具定位後由機器人控製器發出信號給可編程邏輯控製器（Programmable Logic Controller, PLC），再將信號發給激光控製器，激光控製器接收到信號後開始工作，同時焊接控製係統開始工作。不同激光焊接方式，焊接控製係統的組成略有不同，例如激光熔焊無需送絲(si) 係統，而激光切割需要配備在線檢測係統等。

1.3 激光參數

1）功率密度。激光功率密度即單位麵積內(nei) 激光的功率，作為(wei) 激光焊的重要參數之一，激光功率密度對焊接熔深有著直接的影響。當功率密度達到一定值（約106 W/cm2）時，可產(chan) 生小孔效應，形成大深寬比的焊點。但過於(yu) 大的功率密度，會(hui) 造成焊接材料劇烈汽化。

2）激光脈衝(chong) 波形。激光脈衝(chong) 波形主要影響焊接效果，由於(yu) 光的反射現象，當激光照射到金屬材料表麵上時，很可能一半以上的激光能量會(hui) 因反射現象損失掉，同時反射情況還受到溫度變化的影響。因此，針對不同的材料和焊接參數，選擇的激光脈衝(chong) 波形也不同。

3）激光脈衝(chong) 寬度。脈衝(chong) 寬度直接影響焊縫的熔深大小。更寬的脈衝(chong) 寬度，可以得到更大的焊縫熔深，但是單純增加脈衝(chong) 寬度，會(hui) 引起焊縫附近金屬氧化，甚至變形。

4）離焦量。在激光焊接中，焦平麵的激光功率密度一般會(hui) 大於(yu) 正常所需。因此，以焦點位置作為(wei) 焊接麵，可能會(hui) 因功率密度過大造成焊接缺陷。所以，一般將焦平麵離開工件表麵一段距離，該距離稱為(wei) 離焦量。如圖1所示，以焊接工作麵為(wei) 基準，焦平麵遠離工件稱為(wei) 正離焦，反之，則稱為(wei) 負離焦。負離焦可以獲得更大的熔深，正離焦可以獲得更美觀的焊縫。

圖1 焦平麵示意圖

2 激光拚焊工藝及問題探討

2.1 工藝描述

激光拚焊即激光輻射加熱工件表麵，從(cong) 而形成熔池。因此，激光拚焊可將2種或2種以上不同材質、厚度及塗層的鋼材或鋁材等進行自動拚合和焊接，然後直接衝(chong) 壓成型，可以在保證零部件使用性能的前提下大幅降低車身重量，同時減少了加工環節，降低了生產(chan) 線成本。

激光拚焊是在汽車製造中應用最為(wei) 成功且效益較為(wei) 明顯的一種激光焊接技術。所涉及的汽車結構件包括車身側(ce) 框架、車門內(nei) 板、門蓋鈑金、輪罩板、底板、中間支柱等。

2.2 存在問題及改進建議

盡管激光拚焊有著諸多優(you) 勢，但仍舊存在著一定的問題，例如對匹配精度要求較高，若匹配尺寸偏差較大，會(hui) 產(chan) 生漏焊、虛焊及尺寸波浪的缺陷。針對該問題，可以從(cong) 夾具設計及焊接過程入手優(you) 化。

首先在夾具設計方麵，應在焊縫位置附近布置有足夠定位及輔助夾緊，用以保證焊接前被焊零件的定位及焊接過程中的尺寸穩定；且所有夾緊塊都必須實現三向可調，用於(yu) 焊接時進行微調。其次是焊接過程，可引入焊縫跟蹤及質量檢測係統。該係統主要是利用激光視覺傳(chuan) 感器，對焊縫形態進行成像，利用算法判斷焊縫狀態是否符合標準，同時監測激光焦點與(yu) 焊接位置不重合時，及時報警，防止不合格品的流出。

3 激光切割工藝及問題探討

3.1 工藝描述

激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表麵使材料熔化，當激光束沿預設軌跡運動時，便可實現材料的切割。

現代汽車製造中，激光切割技術主要用於(yu) 切割金屬衝(chong) 壓件，以取代傳(chuan) 統製造工藝的修邊和衝(chong) 孔模具。

3.2 存在問題及改進建議

激光切割在汽車生產(chan) 製造過程，一個(ge) 主要的問題是由於(yu) 基準轉換帶來的零件尺寸偏差及穩定性問題。

如某汽車車身大量采用高強度鋼板，零件的所有孔位均需要熱壓成型後由激光切割完成。在激光切割過程中僅(jin) 有零件的型麵參與(yu) 定位，切割的尺寸穩定性較傳(chuan) 統定位低很多。針對該問題，可以從(cong) 定位基準設計角度考慮優(you) 化。

首先是定位基準的位置，定位基準應均勻分布在零件中，確保零件重心距定位基準距離較為(wei) 平均，且定位基準盡可能布置在寬大、穩定的平麵上。其次，零件切割的定位點最好與(yu) 模具基準點保持一致。大部分激光切割夾具並未設計夾緊功能，雖然提高了生產(chan) 節拍，但是考慮到尺寸的穩定性，在定位基準不宜布置或穩定性差的區域應設計夾緊，必要時可考慮利用光學設備進行型麵檢測，在激光切割時作一定的公差補償(chang) 。

4 激光深熔焊工藝及問題探討

4.1 工藝描述

激光深熔焊利用激光光束作為(wei) 熱源，加熱金屬母材，使其迅速汽化形成小孔，形成的小孔可以快速吸收外界攝入的熱量，當熱量從(cong) 高溫小孔傳(chuan) 遞到外壁時，靠近外壁的金屬會(hui) 被快速熔化，熔融狀態的金屬填充小孔流動後的縫隙並冷卻形成焊縫。

4.2 存在的問題及改進建議

激光深熔焊一般應用於(yu) 板材焊接，其主要的問題有板材搭接存在間隙而導致虛焊、漏焊；焊接瞬時溫度較高導致金屬內(nei) 部組織變化出現尺寸變形。

如圖2所示，某車型由於(yu) 內(nei) 板與(yu) 門檻匹配存在間隙，導致激光熔焊未焊透、形成虛焊。對於(yu) 該種缺陷，可以從(cong) 零件尺寸、焊點布置及工裝輔助三方麵加以優(you) 化。

圖2 某車型激光熔焊缺陷

1）零件尺寸。由於(yu) 零件為(wei) 多層搭接匹配形式，因此，應適當提高相關(guan) 零件尺寸要求，或根據間隙狀態優(you) 化零件，最終匹配間隙小於(yu) 0.5 mm為(wei) 宜。

2）焊點布置。激光焊之前可以在搭接型麵較長的地方先進行固定點焊，有助於(yu) 消除焊接間隙，同時注意焊點布置間距合理、均勻，如圖3所示。

圖3 焊點布置不均引起匹配間隙大

3）工裝輔助。可在焊槍前部增加前導壓輪/壓指，使其跟隨焊槍一起運動，通過調節壓緊力保證被焊零件在焊接前的焊接間隙，以消除因焊接間隙大造成的焊接缺陷。如圖4所示。

圖4 前導壓輪結構示意圖

對於(yu) 焊接熱變形，主要會(hui) 出現在焊接熱成型鋼的區域，可以增加局部輔助夾緊的同時，對熱成型零件做一些尺寸預留。即在零部件生產(chan) 時，在會(hui) 產(chan) 生變形的地方提前反向預留一些變形尺寸，在零件參與(yu) 焊接變形後，剛好或基本變回到理論的尺寸位置，如圖5所示。

圖5 某車型高強度鋼的熱變形預留

5 激光釺焊工藝及問題探討

5.1 工藝描述

激光釺焊原理與(yu) 普通釺焊焊接工藝相似，但又存在不同，激光釺焊熱源為(wei) 激光，激光作用於(yu) 焊絲(si) 表麵，將焊絲(si) 熔化，再利用機器人牽引焊絲(si) ，將其浸潤至焊縫處，完成激光釺焊的焊接過程。

5.2 存在問題及改進建議

激光釺焊工藝對匹配間隙變化敏感，焊接間隙要求很高（焊縫最大間隙通常要求不超過0.2 mm），在實際生產(chan) 中不易實現，極易由於(yu) 零件尺寸波動產(chan) 生下陷、沙眼、氣孔等缺陷，如圖6所示。

圖6 某車型焊縫塌陷缺陷

改善釺焊工藝即要改善焊接過程的穩定性，可以從(cong) 以下幾個(ge) 方向進行優(you) 化。

1）零件尺寸。作為(wei) 焊接間隙直接決(jue) 定因素，對零件匹配區域尺寸要重點控製，釺焊搭接區域每300 mm平整度小於(yu) 0.2 mm，整條搭接區域平整度小於(yu) 0.4 mm。對側(ce) 圍與(yu) 頂蓋搭接狀態，如圖7所示，頂蓋與(yu) 外板搭接高度差Z=標準值±1 mm，接觸線夾角α在5～10°之間，保證最終接觸間隙小於(yu) 0.2 mm。

圖7 側(ce) 圍與(yu) 頂蓋搭接要求

2）焊接參數。首先應選擇適當的激光功率，若激光功率過低，會(hui) 導致不能形成有效焊接。反之，若激光功率過高，會(hui) 導致母材發生變化，出現氣孔等缺陷。其次在適當的激光功率下，需根據實際匹配情況，調整參數a=（焊接速度/送絲(si) 速度）。該比例越小，焊縫寬度越大，比值過大會(hui) 導致焊縫出現波浪等缺陷；反之比例越小，焊縫寬度越小，比值過小會(hui) 造成焊縫塌陷等缺陷。

3）夾具設計。在夾具中，可在焊縫位置設置一定數量頂蓋壓盤控製焊接間隙，頂蓋壓盤數量設置不宜過多，否則易造成鈑金焊接波浪，同時若壓盤過少，不利於(yu) 較短區域內(nei) 焊接間隙的調整。在激光焊房內(nei) 可以在車身兩(liang) 側(ce) 增加Y向的側(ce) 圍推臂，用於(yu) 控製側(ce) 圍與(yu) 頂蓋的搭接穩定性，如圖8所示。

圖8 頂蓋夾具輔助壓緊示意圖

6 結束語

隨著激光焊接技術的不斷進步與(yu) 普及，人們(men) 對於(yu) 激光焊接技術的功能需求也隨之提高，其在汽車製造領域的重要性已經不言而喻。我們(men) 應把握時代賦予的機遇，不斷研究開發新的技術工藝，擴大激光焊接技術在汽車製造業(ye) 中的應用，不斷改進激光焊接的工藝，提升焊接質量，以滿足各行業(ye) 對激光焊接的需求。