如今，激光焊接應用于汽車(chē)白車(chē)身成為一種發(fā)展趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車(chē)身重量、進(jìn)步車(chē)身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強車(chē)身的強度，在用戶(hù)享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。

20世紀80年代中期，激光焊接技術(shù)開(kāi)始被應用到汽車(chē)領(lǐng)域。自1993年大眾汽車(chē)首次在車(chē)頂蓋焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已經(jīng)作為一種成熟、應用廣泛的技術(shù)被越來(lái)越多的汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用。

激光焊接中高強度的激光經(jīng)過(guò)特殊的光學(xué)透鏡聚焦，匯聚于一點(diǎn)，從而產(chǎn)生高能量密度的光束，并作用于加工工件表面，使金屬在瞬間熔化甚至蒸發(fā)，被熔化的金屬在原子層面上進(jìn)行重新接合，焊接后的強度等同于甚至強于一整塊金屬板的強度，從而達到焊接的目的。

產(chǎn)業(yè)上的激光焊接多采用發(fā)光介質(zhì)為Nd:YAG（釹釔鋁石榴石）的固體激光發(fā)生器，由于其發(fā)出的激光波長(cháng)為1 064nm，金屬（特別是鐵）對它的吸收率接近40%，因而被大范圍的應用。

激光焊接的種類(lèi)

應用于車(chē)身的激光焊接主要分為兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質(zhì)，激光直接作用在工件表面上進(jìn)行焊接；另一種為填充焊，即通常所說(shuō)的釬焊，主要應用于汽車(chē)頂蓋的焊接。

根據激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導焊和穿透焊。

圖2   伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)

由于激光匯聚于一點(diǎn)時(shí)會(huì )產(chǎn)生相當高的溫度（與能量密度大小有關(guān)），當溫度達到1 490℃時(shí)鋼鐵就會(huì )熔化，利用此種熱效應進(jìn)行焊接的方式為熱傳導焊。其過(guò)程為：首先通過(guò)激光將工件表面加熱到熔點(diǎn)，金屬熔化后會(huì )形成一個(gè)半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當吸收的激光能量與熔池向四周擴散的熱量達到平衡時(shí)，熔池便不再擴大。沿預定軌跡移動(dòng)激光光束，熔池也隨之移動(dòng)，熔池前方的金屬不斷熔化，后方的金屬冷卻，從而形成一條焊縫。熱傳導焊的優(yōu)點(diǎn)體現在焊縫光滑且飛濺少，速度為1～3m/min，焊縫深度與寬度比小于1。綜上特點(diǎn)，此焊接方式多用于平板拼焊。

在汽車(chē)白車(chē)身上，由于焊接鋼板有2～4層，厚度可達4mm，所以對焊縫的深度有更高的要求，此時(shí)熱傳導焊無(wú)法滿(mǎn)足工藝的要求，我們需要另一種焊接方式——穿透焊。

穿透焊具有速度快、熔深更深的特點(diǎn)，它對激光能量密度的要求遠高于熱傳導焊。當激光作用于工件表面時(shí)，金屬迅速汽化（在2 590℃鋼鐵就會(huì )汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴散出熔池，并形成一個(gè)蒸汽通道，激光在通道內進(jìn)行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%，我們稱(chēng)之為“小孔效應”，當產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴散出熔池時(shí)，熔池便不再加深，形成一個(gè)穩定的焊接狀態(tài)。熔池經(jīng)過(guò)的位置，在蒸汽通道四周形成金屬熔液活動(dòng)，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強度焊縫。與熱傳導焊相比，穿透焊的上風(fēng)在于其焊接深度更深、速度更快，對于4mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達5m/min；而其缺點(diǎn)在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺輕易損傷工件及加工設備。

圖3   焊接工作站示意圖

區別于熔焊的另一種焊接方式為填充焊，此種方式并不熔化工件本身，而是利用激光的熱效應熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個(gè)工件之間，其優(yōu)點(diǎn)在于焊縫美觀(guān)，產(chǎn)生的熱變形小，汽車(chē)頂蓋的焊接多采用此種方式。下面結合實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明上述焊接方式。

汽車(chē)頂蓋激光釬焊技術(shù)

汽車(chē)頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應用于車(chē)身加工的激光工藝，其原理為利用激光將焊絲（一般為銅硅合金）熔化并填充到頂蓋與側圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進(jìn)行密封。激光源采用YAG連續型激光發(fā)生器，最高輸出可達4kW，由于焊絲的熔點(diǎn)相對鋼板要低，所以選擇激光的輸出功率范圍為（1.8～2）kW，在熔化焊絲的同時(shí)，保證頂蓋和側圍不產(chǎn)生熱變形。激光采用柔性的光纜傳輸，可以使激光發(fā)生器與焊接工位分開(kāi)，避免設備受到損傷。根據焊絲直徑的大小，在焊接端利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊絲直徑為1.0mm，將激光聚焦的光斑直徑調整為1.2mm，使激光最大限度地作用于焊絲上。焊接過(guò)程中由機器人帶動(dòng)自適應式焊接鏡頭（見(jiàn)圖1），轉動(dòng)軸帶動(dòng)伸縮臂在水平方向上轉動(dòng)，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動(dòng)（見(jiàn)圖2）。

由于焊絲具有一定的強度，可以在焊接過(guò)程中作為導向指針，整個(gè)伸縮臂由焊絲導向運動(dòng)軌跡，這樣就彌補了理論編程與實(shí)際焊縫上的位置偏差。

圖4   焊接后頂蓋的一部分

焊接工作站如圖3所示，整個(gè)系統采用PLC（可編程邏輯控制器）編程控制，機器人帶動(dòng)鏡頭移動(dòng)至焊接起始點(diǎn)，使焊絲切進(jìn)焊縫，壓縮空氣打開(kāi)，此時(shí)機器人控制器向激光發(fā)生器與送絲機發(fā)出指令，保證激光發(fā)射與送絲同步進(jìn)行。焊絲被熔化后填進(jìn)縫隙，經(jīng)冷卻形成光滑平整的焊縫，焊接速度可達2m/min。焊接過(guò)程中使用保護氣體（氬氣或氮氣），可避免焊縫周邊工件被氧化，使焊縫視覺(jué)效果更加美觀(guān)。圖4為焊接后頂蓋的一部分。

穿透焊的過(guò)程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進(jìn)行穿透焊接，無(wú)焊絲填充，機器人帶動(dòng)鏡頭按照預先編定的軌跡直接焊接，無(wú)需導向裝置。穿透焊采用激光功率為4kW，遠高于釬焊。由于焊接中需要熔化工件，所以在焊縫的兩端需要設置功率斜坡，即在焊接起始時(shí)，功率在30ms內從1kW線(xiàn)性增加至4kW，結束時(shí)功率在30ms內從4kW降到1kW。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于避免在起弧和收弧時(shí)將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質(zhì)量。圖5中，車(chē)身B柱采用穿透焊，焊接厚度達到4mm。

為了防止銹蝕，大眾汽車(chē)的白車(chē)身均采用雙面鍍鋅鋼板。由于鋅的沸點(diǎn)（907℃）遠比鋼鐵（2 590℃）的沸點(diǎn)低，因此在焊接時(shí)，表面的鋅會(huì )首先汽化。假如兩層鋼板貼得非常緊密，汽化后的鋅蒸汽無(wú)法排出，冷卻后將存留在焊縫中，這樣會(huì )大大降低焊縫的強度，影響焊接質(zhì)量。因此，焊接前應先將工件沖出高度為0.3～0.5mm的小坑，以保證工件之間有足夠的縫隙排出鋅蒸汽。由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙，但是強度比普通點(diǎn)焊要強得多。

如今，激光焊接應用于汽車(chē)白車(chē)身已經(jīng)成為一種趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車(chē)身重量、進(jìn)步車(chē)身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強車(chē)身的強度，在用戶(hù)享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。