姜志公 李天

（鞍鋼鋼材加工配送（長春）有限公司，長春 130103）

1 前言

激光拼焊板技術(shù)在汽車車身設(shè)計制造中的應(yīng)用已經(jīng)有30余年。1985年，德國建立了第一套激光焊接板材定制系統(tǒng)，開始用于生產(chǎn)奧迪汽車底板，采用激光拼焊板對于汽車輕量化、減少模具種類和數(shù)量等成效顯著；因此，現(xiàn)在幾乎所有的汽車制造商都已在汽車生產(chǎn)中大量使用激光拼焊板。激光拼焊板是將兩塊板材邊緣對接到一起，激光器穩(wěn)定輸出激光并聚焦到兩塊板材拼縫的對接處，通過激光輸出的高能量瞬間熔化兩塊板材對接的部位，形成焊接熔池，冷卻后兩塊板材被焊接到一起，完成焊接。在焊接過程中，由于高溫等離子的存在，影響焊接熔深，如果等離子體處理不當(dāng)，會產(chǎn)生斷焊或未焊透等焊接缺陷。重點研究激光焊接原理、等離子體的產(chǎn)生及降低等離子體干擾的方法，為激光焊接過程優(yōu)化提供參考。

2 汽車用激光拼焊板介紹

2.1 汽車用激光拼焊板分類

汽車用激光拼焊板主要用于沖壓生產(chǎn)汽車門內(nèi)板、主地板、B柱、門環(huán)、防撞梁等零部件；根據(jù)零部件焊道的幾何形態(tài)，分為直線拼焊加工和曲線拼焊加工，焊道為直線的零部件主要有主地板、B柱、縱梁內(nèi)板等，焊道為曲線的零部件主要有門內(nèi)板、門環(huán)等產(chǎn)品，汽車用激光拼焊板的特征描述見表1。

表1 汽車用激光拼焊板的特征描述

2.2 汽車用激光拼焊板的加工工藝

a.上料：將待焊接的兩塊或若干塊板料的焊接邊對接；

b.焊接：激光聚焦在兩塊板料的焊接邊對接處，通過高能量密度實施焊接；

c.下料：完成焊接，進(jìn)行下料堆垛。加工過程如圖1所示[1]。

圖1 激光拼焊板的加工過程[1]

2.3 激光焊接原理

在激光拼焊板焊接過程中，激光束聚焦在焊接點，使焊接點的金屬熔化，形成熔池，之后急速冷卻，形成焊道，使兩張板料焊接在一起從而完成焊接。激光拼焊原理見圖2。

圖2 激光拼焊原理

2.4 液態(tài)金屬的流動方向

在焊接開始后，匙孔被液相（熔池）包圍，由于巨大的溫度和壓力梯度，熔池中的熔化循環(huán)強(qiáng)烈，液態(tài)金屬在沿著與焊接方向相反的方向流動的同時也有橫向流動和回流的趨勢[2]，并在其背面固化，由此，產(chǎn)生具有均勻結(jié)構(gòu)的窄焊縫，由于具有高能量的小而有限的熱影響范圍，工件的整體熱效應(yīng)較低。

3 等離子體對激光焊接過程的影響

3.1 等離子體的產(chǎn)生[3]

當(dāng)激光功率密度超過106W/cm2時，被輻照的金屬材料表面強(qiáng)烈氣化，產(chǎn)生金屬蒸氣。蒸氣中的起始自由電子通過反韌致輻射吸收激光能量而被加速，直至有足夠的能量碰撞電離材料和周圍氣體，使電子密度雪崩地增長而形成等離子體。在熔池的中部，激光束將金屬材料在短時間內(nèi)劇烈加熱，以至于液態(tài)金屬在工件表面蒸發(fā)。通過金屬材料的蒸發(fā)和金屬蒸氣流的壓力，工件上形成一個小孔，被稱之為“匙孔”，激光停止后四周的熔化金屬迅速將匙孔填滿形成焊縫。匙孔在激光焊接過程中起到非常關(guān)鍵的作用，通過在線高速相機(jī)觀察匙孔有無、匙孔大小，針對相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可有效控制焊縫形態(tài)，保證焊接質(zhì)量。

3.2 等離子體對焊接的影響

焊接過程中，料厚度越大，金屬蒸氣羽流的蒸發(fā)量越大，產(chǎn)生的等離子體越多，等離子體阻礙激光通過，導(dǎo)致待焊接部位的金屬材料未熔化或僅部分熔化。從而導(dǎo)致在工件上表面仍然可以看到接縫，但工件下表面的焊縫中斷，如圖3所示。

圖3 由于等離子體干擾導(dǎo)致的未焊透現(xiàn)象

3.3 等離子體對激光干擾的形式[3]

激光能量的損失主要表現(xiàn)為等離子體對激光的吸收和散射2種方式，能量損失的方式與入射光的波長有關(guān)，長波長主要表現(xiàn)為等離子體對激光的吸收損失，短波長主要表現(xiàn)為等離子體對激光的散射損失。

3.4 等離子體的檢測方法[4]

等離子體的檢測方法主要包括等離子體聲音信號檢測、等離子體光信號檢測、等離子體溫度檢測、等離子體電信號檢測。

等離子體光信號檢測：光致等離子體由高溫的中性原子、離子和電子所組成，它產(chǎn)生的輻射形式有熱電子輻射、反韌致輻射和光電子輻射。其中前兩者產(chǎn)生連續(xù)光譜，后者產(chǎn)生線光譜，主要分布在可見藍(lán)光范圍內(nèi)，通過測量光譜強(qiáng)度和頻譜分布可以檢測等離子體的狀態(tài)。Miyamoto等人[5]將兩個光電二極管分別置于等離子體的上方和水平側(cè)面，并用高速攝影機(jī)記錄連續(xù)激光焊接過程中等離子體、小孔、熔池之間的作用關(guān)系，從而得到在連續(xù)激光焊接中產(chǎn)生的等離子體在控制和未控制情況下的動態(tài)行為。光信號相對聲音信號有滯后效應(yīng)，檢測結(jié)果表明，等離子體在控制最佳時，除了起焊點瞬間外，光強(qiáng)幅值減小，側(cè)面信號起伏較大。這是因為在控制達(dá)到最佳時，等離子體稀薄且主要集中在小孔內(nèi)部。

高速相機(jī)以其可獲得大量信息，直觀清晰，不與被檢測對象接觸不會擾動等優(yōu)點，是檢測等離子體的一種十分有效的手段，也是近年來普遍采用的一種檢測方法。高速相機(jī)通常安裝在激光聚焦鏡之上，激光焦點處由于焊接、等離子體等產(chǎn)生的工藝強(qiáng)光透過偏振鍍膜鏡，再經(jīng)過工藝折射鏡，傳輸?shù)礁咚傧鄼C(jī)，高速相機(jī)成像后投放到顯示屏上，從而獲得清晰的圖像。激光傳輸光路及高速相機(jī)光路見圖4，高速相機(jī)實物見圖5。

圖4 激光傳輸光路及高速相機(jī)光路

圖5 高速相機(jī)

4 等離子體的控制方法

在實際焊接過程中，通過對等離子體的行為及特性研究，結(jié)合實際產(chǎn)品焊縫形貌狀態(tài)，控制等離子體的方法如下。

4.1 保護(hù)氣體吹掃法

在激光焊接過程中，常使用惰性氣體吹掃來保護(hù)焊接熔池，在大多數(shù)應(yīng)用場合則常使用氦、氬、氮氣體作保護(hù)，降低等離子體對焊接過程的干擾。

保護(hù)氣體的第一個作用為吹散等離子體，降低等離子體的密度，減少等離子體對激光的阻礙，從而使更多的激光能量聚集到熔池，保證焊接質(zhì)量。

保護(hù)氣體的第二個作用為減少氣體介質(zhì)及金屬蒸汽的電離，保護(hù)氣體全部為惰性氣體，電離能相對較高，本身不易電離，可使激光順利通過，從而保證焊接質(zhì)量。電離能最高的惰性氣體為氦氣，將氦氣作為二氧化碳激光焊接過程中的保護(hù)氣體保護(hù)效果最好，由于二氧化碳激光波長較長，光束密度高，極容易使介質(zhì)氣體電離，所以需要采用電離能最高的氦氣作為保護(hù)氣體，但是氦氣價格昂貴，所以在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，通常采用氦氣與氬氣的混合氣體作為保護(hù)氣體，在這一混合氣體比例中，通常氦氣所占的比例不低于30%。氬氣的價格便宜，密度較大，保護(hù)效果好，但是氬氣分子量大，容易被二氧化碳激光電離，將氬氣作為半導(dǎo)體激光焊接過程中保護(hù)氣體保護(hù)效果最好。

保護(hù)氣體的第三個作用為使工件在焊接過程中免受氧化，焊道表面更光滑，無氧化皮；當(dāng)某些材料焊接可不計較表面氧化時則也可不考慮保護(hù)。

4.1.1保護(hù)氣體流量對焊接的影響

實驗所用焊機(jī)的激光源為Laserline7000W半導(dǎo)體激光器，保護(hù)氣體為氬氣，吹掃方式為同軸異管吹氣法，共2個吹氣噴嘴，見圖6，側(cè)面為吸塵裝置進(jìn)行吸塵。通過高速相機(jī)拍攝等離子體狀態(tài)。

圖6 同軸異管吹氣法

當(dāng)保護(hù)氣體總流量為9 L/min時，等離子體基本懸浮在熔池上方，未被吸塵裝置吸至熔池側(cè)面，等離子體狀態(tài)見圖7a，等離子體對激光的阻礙作用最大，焊接過程中發(fā)生斷焊缺陷的頻次明顯增多，焊接缺陷見圖8a。

當(dāng)保護(hù)氣體總流量為16 L/min時，等離子體被驅(qū)散并被吸塵裝置吸至熔池的側(cè)面，等離子體狀態(tài)見圖7b,等離子體對激光的阻礙作用較小，焊接效果最好，斷焊發(fā)生頻率很低，焊接過程穩(wěn)定，焊接結(jié)果見圖8b。

當(dāng)保護(hù)氣體流量為24 L/min時，等離子體被驅(qū)散并被吸塵裝置吸至熔池的側(cè)面，等離子體狀態(tài)見圖7c，等離子體對激光的阻礙作用較小，斷焊發(fā)生頻率很低，但是焊孔缺陷增加，焊接缺陷見圖8c。當(dāng)保護(hù)氣體流量過大時，在焊接熔池的上方，保護(hù)氣體強(qiáng)烈的吹掃，熔池上方的金屬蒸氣、等離子體被強(qiáng)烈驅(qū)散。由于焊接過程短暫，反應(yīng)劇烈，高能激光束將金屬瞬間熔化、氣化，在熔池中部形成匙孔，匙孔中有大量的金屬蒸氣噴發(fā)而出，金屬蒸氣在熔池的上方形成一道穩(wěn)定的保護(hù)屏障，當(dāng)保護(hù)氣劇烈吹掃時，會迅速吹掃保護(hù)性的金屬蒸氣，從而導(dǎo)致匙孔放大，液態(tài)金屬無法有效填充，產(chǎn)生焊孔缺陷。

圖7 等離子體狀

圖8 焊接狀態(tài)

通過對等離子體狀態(tài)觀察，結(jié)合實際零部件焊接狀態(tài)，可以得出，采用同軸異管吹氣法進(jìn)行焊接保護(hù)，保護(hù)氣體流量最優(yōu)選范圍為14～20 L/min。

4.1.2 保護(hù)氣體吹掃方向?qū)附拥挠绊?/p>

實驗所用焊機(jī)的激光源為Laserline7000W半導(dǎo)體激光器，保護(hù)氣體為氬氣，吹掃方式分別為同軸異管吹氣法和側(cè)向吹氣法，側(cè)面為吸塵裝置進(jìn)行吸塵。通過高速相機(jī)拍攝兩種吹掃方式下等離子體狀態(tài)。

同軸異管吹氣法：同軸異管保護(hù)氣總流量為16 L/min，采用同軸保護(hù)氣吹掃時等離子體驅(qū)散效果好，焊接質(zhì)量好，見圖7b、圖8b。

側(cè)向吹氣法：側(cè)向保護(hù)氣總流量為16 L/min，在焊接過程中通過高速相機(jī)拍攝發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣對等離子體的驅(qū)散效果不好，等離子體漂浮狀態(tài)不穩(wěn)定，在焊接起始處，等離子體飄向熔池的側(cè)面，隨著焊接的進(jìn)行，等離子體重新聚集到激光焦點的上方，阻礙激光穿過，等離子體狀態(tài)見圖9，焊縫表面狀態(tài)不均勻，有波浪，見圖10。

圖9 側(cè)向保護(hù)氣吹掃等離子體狀態(tài)

圖10 側(cè)向保護(hù)氣吹掃產(chǎn)品缺陷

側(cè)向保護(hù)氣吹掃使等離子體被驅(qū)散的方向發(fā)生改變，由偏向未焊接側(cè)變?yōu)槠蚝附油瓿蓚?cè)，該驅(qū)散方向?qū)附硬焕?，并且焊接過程中產(chǎn)生的煙塵、飛濺雜質(zhì)也會由于側(cè)向保護(hù)氣的吹掃而掉落到零部件表面，出現(xiàn)焊道臟污的情況。

4.2 壓縮空氣吹掃法

采用壓縮空氣吹掃熔池上方，壓縮空氣吹掃的位置距離焦點的距離通常大于60 mm，工作原理為通過強(qiáng)氣流快速的吹掃，吹掃的方向與激光軸線的方向垂直，且正對吸塵口，強(qiáng)氣流將等離子體、煙塵等懸浮物快速抽運走，減少其對激光的阻擋。壓縮空氣吹掃的流量優(yōu)選范圍為55～70 L/min，當(dāng)吹掃流量小于55 L/min時，吹掃效果不好，等離子體對焊接干擾明顯，焊接效果不好；當(dāng)流量大于70 L/min時，吹掃效果不會隨著流量的增加而變好。壓縮空氣吹掃的原理如圖11所示。

圖11 壓縮空氣吹掃原理

4.3 吸塵法

在熔池附近增加吸塵口，可有效減少等離子體對激光的阻礙。吸塵口處的產(chǎn)生負(fù)氣壓，氣體快速的向吸塵口流動，氣體流動過程中有帶走焊接過程中產(chǎn)生的金屬蒸氣、煙塵、飛濺雜質(zhì)，等離子體對焊接的干擾也會被降低。在實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，由于焊接點附近的部件布置比較緊湊，包括保護(hù)氣噴嘴、填絲裝置等，會影響到除塵裝置的布置空間，一旦除塵裝置的吸塵口遠(yuǎn)離焊接點，除塵效果將不理想，從而導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定、板料臟污設(shè)備維護(hù)頻次高等問題。

4.4 外加磁場焊接法

等離子體是由大量帶電粒子組成的，在外加磁場作用下，可改變等離子體中粒子的運動方向，從而達(dá)到增加熔深的目的。一般將磁體放置于工件薄板的下面，與激光束同軸。該方法具有成本低、設(shè)備簡單、操作方便的優(yōu)點，并能降低激光焊接中保護(hù)氣體的消耗，有重要的推廣價值[4]。

5 結(jié)論

a.在激光焊接過程中，高能激光束將金屬材料在短時間內(nèi)劇烈加熱，以至于液態(tài)金屬在工件表面蒸發(fā)，金屬蒸氣、空氣介質(zhì)等進(jìn)一步吸收高能激光的能量被電離，產(chǎn)生等離子體，等離子體阻礙激光通過，從而影響焊接。

b.通過高速相機(jī)拍攝，可直觀的反饋出等離子的運動狀態(tài)，根據(jù)等離子的運動狀態(tài)調(diào)整焊接參數(shù)，可有效降低等離子體對焊接的干擾。

c.在焊接過程中采用焊接保護(hù)氣保護(hù)熔池可有效減少等離子體的產(chǎn)生；保護(hù)氣體的流量、保護(hù)氣體的吹掃方向會直接影響到等離子的驅(qū)散效果；通常采用同軸異管吹氣法進(jìn)行焊接保護(hù)，保護(hù)氣體流量最優(yōu)選范圍為14～20 L/min。

d.壓縮空氣吹掃法、吸塵法、外加磁場焊接法均可有有效降低等離子體對焊接過程的干擾。