孟原　王成文　李盛良

摘 要：鋁合金材料自身的物理化學(xué)屬性導(dǎo)致其焊接性能較差，傳統(tǒng)電阻焊以及弧焊設(shè)備已經(jīng)無法滿足鋁合金的連接及應(yīng)用需求，而新型的激光深熔焊技術(shù)具有熱量密度集中、受熱對母材損傷較小、焊縫熔深與焊縫寬度的比值大、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，在新能源輕量化鋁車身產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：激光深熔焊 激光器 光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)

Application of Laser Deep Penetration Welding on New Energy Aluminum Body

Meng Yuan Wang Chengwen Li Shengliang

Abstract：The physical and chemical properties of aluminum alloy materials lead to poor welding performance. Traditional resistance welding and arc welding equipment can no longer meet the connection and application requirements of aluminum alloys. The new laser deep penetration welding technology has a concentrated heat density and heat resistance. The advantages of less damage to the base material， large ratio of weld penetration to weld width， and small heat-affected zone have been widely used in the new energy lightweight aluminum body industry.

Key words：laser deep penetration welding， laser， light guide focusing system

當(dāng)今社會越來越多的汽車制造商采用鋁合金材料替代普通碳鋼的車身制造技術(shù)路線，奇瑞新能源為提升綠色制造技術(shù)水平，滿足大批量純電動汽車定制化需求，采用了大量激光深熔焊技術(shù)解決當(dāng)前純電動鋁車身制造自動化、產(chǎn)品一致性等關(guān)鍵問題。

1 激光深熔焊系統(tǒng)構(gòu)成

激光深熔焊系統(tǒng)主要由激光器、光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)、溫度控制單元、機(jī)器人控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.1 激光器

奇瑞新能源激光深熔焊系統(tǒng)選用了光纖激光器。光纖激光器由激光發(fā)生模塊、合束器、傳輸光纖、光纖接頭四部分組成，根據(jù)激光輸出功率的要求，由多個激光發(fā)生模塊并聯(lián)疊加出光，再經(jīng)過合束器整合形成穩(wěn)定的激光輸出。它具有激光光束質(zhì)量好、能量密度高、電光轉(zhuǎn)換效率高、可加工材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在激光深熔焊系統(tǒng)。

1.2 光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)

光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)由安裝支架、聚焦系統(tǒng)、光學(xué)防護(hù)機(jī)構(gòu)，激光嘴等組成。聚焦系統(tǒng)固定在安裝支架上與機(jī)器人第六軸連接，使系統(tǒng)能夠自動調(diào)整激光焦距，獲得準(zhǔn)確的焊接光斑直徑。光學(xué)防護(hù)機(jī)構(gòu)安裝在聚焦系統(tǒng)與激光嘴之間，對焊接過程中產(chǎn)生的焊渣飛濺、灰塵等進(jìn)行隔離，保護(hù)聚焦系統(tǒng)安全。光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)的狀態(tài)直接影響激光焊接質(zhì)量，應(yīng)對內(nèi)部原件的工作狀態(tài)、表面污染及熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測來保證焊接質(zhì)量。

1.3 溫度控制單元

溫度控制單元由水循環(huán)管路、加熱機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)、電控單元等組成。它是激光深熔焊設(shè)備中激光器、光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)的空調(diào)，確保整個系統(tǒng)工作時溫度范圍穩(wěn)定。

1.4 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人、外部軸、控制柜及PLC電控單元等組成。其中機(jī)器人是主控部分，實(shí)現(xiàn)焊接各種軌跡姿態(tài)的控制、激光的正常出光/關(guān)光命令，并聯(lián)調(diào)PLC對接安全保護(hù)的動作，機(jī)器人的自動運(yùn)行確保了整個焊接工作精準(zhǔn)化。

2 激光深熔焊焊接原理

激光深熔焊鋁合金焊縫形成過程（如圖2所示）：當(dāng)激光功率密度大于105～107W/cm2時，激光光束連續(xù)照射鋁合金焊縫表面，使鋁合金材料熔化，并在激光光束照射點(diǎn)形成一個小孔，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，這個小孔繼續(xù)吸收激光光束的能量，使小孔周圍形成一個鋁合金的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，激光功率越大，熔池越深，當(dāng)激光光束相對于鋁合金焊件移動時，熔池冷卻凝固形成鋁合金焊縫。

3 激光深熔焊的主要工藝參數(shù)

3.1 激光器功率

激光器功率是激光焊接中的關(guān)鍵參數(shù)，它存在一個激光光束能量密度閾值。此閾值與鋁合金焊件的厚度成正比。當(dāng)焊接材質(zhì)一定時，激光功率應(yīng)超過此能量閾值，才能獲得較好熔深的焊縫，反之焊縫熔深波動大質(zhì)量不穩(wěn)定。根據(jù)新能源鋁合金車身焊接材料厚度的不同，激光器輸出功率一般選擇在500～4000W范圍內(nèi)。

3.2 激光脈沖參數(shù)

由于鋁合金是高反射率材料，激光反射會導(dǎo)致焊接能量損失。根據(jù)焊接試驗(yàn)反饋，鋁合金焊件激光焊接開始時激光反射率高，焊接能量損失較大，當(dāng)鋁合金焊件達(dá)到熔點(diǎn)時，激光反射率較低。應(yīng)調(diào)整激光脈沖參數(shù)使激光溫度快速提升至熔點(diǎn)，減少反射導(dǎo)致的焊接能量損失。所以在激光焊接生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鋁合金表面特性，設(shè)置相應(yīng)的激光脈沖參數(shù)減少焊接能量損失。

3.3 激光光斑直徑

激光光斑直徑?jīng)Q定了激光聚焦的能量密度程度。激光深熔焊時，焊縫寬度與光斑直徑、激光功率、焊接速度密切相關(guān)。當(dāng)激光功率和焊接速度不變時，光斑直徑與焊縫寬度成正比，與焊縫熔深成反比。光斑直徑的尺寸可以采用CCD測量系統(tǒng)和等溫剖面法進(jìn)行測量。

3.4 激光透鏡焦距

激光深熔焊需提前對激光進(jìn)行聚焦處理，聚焦中心點(diǎn)光束能量密度閾值最高。新能源激光焊系統(tǒng)常選用126～253mm的焦距鏡頭，能夠避免焊接過程中大多數(shù)熔池飛濺，還能減少焊接區(qū)域的焊頭干涉問題。焦距的變化影響熔池深度，焦距增大熔池變深，一般情況下激光透鏡聚焦中心點(diǎn)設(shè)置在焊件的第二層板上，焊接效果較好。

3.5 焊接速度

在汽車生產(chǎn)制造中，為了提高工作效率，激光焊接通常采用較大的焊接速度。但是焊接速度直接影響熔深，速度過快會使焊件熔深變淺，焊接不牢，速度過低會使焊件過度熔化，導(dǎo)致焊件焊穿。所以必須針對鋁合金材料特性，在激光焊接實(shí)驗(yàn)室充分驗(yàn)證焊接速度、功率、焦距等激光參數(shù)，得出精準(zhǔn)的參數(shù)表，并固化在工藝文件中監(jiān)督執(zhí)行才能保證焊接質(zhì)量。

4 激光深熔焊在鋁車身制造中的應(yīng)用

4.1 優(yōu)化鋁合金材料的焊接變形

鋁合金熱導(dǎo)率高，大約是鋼材的2～4倍，同時耐熱性能差，大多數(shù)鋁合金均不耐高溫，膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生焊接變形，其中越薄的鋁合金板材越難焊接（容易焊穿）。激光深熔焊技術(shù)優(yōu)化了此項(xiàng)問題。激光深熔焊具有較小的熱輸入：激光深熔焊焊接過程中鋁合金工件熔化過程發(fā)生得極快，輸入工件熱量較低，熱變形影響區(qū)很小，減少了鋁合金材料的變形及內(nèi)部的損傷。

4.2 非觸摸式焊接技術(shù)在焊接干涉區(qū)域的廣泛應(yīng)用

新能源鋁車身由擠壓成形的鋁型材構(gòu)成，鋁板件的空間搭接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致焊點(diǎn)較多，焊接操作空間被其它零部件、定位夾頭、夾緊氣缸遮擋區(qū)域較多，通用的接觸式焊接設(shè)備難以滿足現(xiàn)場使用要求。激光深熔焊非觸摸式焊接技術(shù)解決了此項(xiàng)難點(diǎn)。根據(jù)激光鏡頭焦距的選型，激光焊頭遠(yuǎn)離焊件可達(dá)228 mm以上，完美解決了此類問題。

4.3 激光深熔焊偏差校正系統(tǒng)在焊接工藝中的應(yīng)用

汽車零部件組裝過程中，零部件的加工公差、裝配誤差導(dǎo)致生產(chǎn)工序產(chǎn)生微量偏差，隨著工序的順流，這些偏差的積累會使焊件焊縫空間坐標(biāo)位置產(chǎn)生微量偏差，為了保證激光焊接質(zhì)量，傳統(tǒng)的軌跡固定式焊接已經(jīng)無法滿足焊接工藝要求，激光深熔焊焊縫偏差校正系統(tǒng)（目前常用視覺導(dǎo)引和激光測距導(dǎo)引），滿足了焊接前軌跡偏差檢測、反饋、校正，實(shí)現(xiàn)了焊縫軌跡偏差自動校正功能，保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量，提升了生產(chǎn)節(jié)拍。如圖3、4所示，激光深熔焊技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用在奇瑞新能源鋁合金車身制造工藝中。

5 結(jié)語

激光深熔焊對待連接件之間的間隙配合較為敏感，一般情況下，焊接夾具夾頭設(shè)計(jì)緊密、待連接件之間的間隙越小，對焊接越有利。隨著新能源汽車輕量化水平的不斷提高，汽車車身使用鋁結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)減重已經(jīng)成為汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)，激光深熔焊技術(shù)必將在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

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