激光技術(shù)的競爭強化了激光焊接技術(shù)在汽車(chē)制造工業(yè)中的應用。新的激光焊接電源和更高的功率使得激光焊接進(jìn)入了長(cháng)期以來(lái)一直被傳統焊接技術(shù)所壟斷的汽車(chē)車(chē)身的制造領(lǐng)域，使得激光技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中得到了極為廣泛的應用。利用激光混合焊接技術(shù)可大大提高沖壓件縫隙的連接能力，更加充分地利用激光高速焊接時(shí)電弧焊接的工藝穩定性。

目前，激光及其復合焊接技術(shù)已在許多工業(yè)部門(mén)得到應用，而汽車(chē)是其中最重要的部門(mén)，最典型的例子是車(chē)身覆蓋件剪裁激光拼焊以及頂蓋與側圍的焊接。用激光將不同厚度、材質(zhì)及性能的幾塊薄板拼焊起來(lái)，再沖壓成形。不但提高了材料利用率，由40%～60%提高到70%～80%，而且減輕了重量，提高了綜合力學(xué)性能。與單一的激光焊接技術(shù)相比，激光混合焊接技術(shù)具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn):更大的熔深、較大縫隙的焊接能力及更好的焊縫韌性，通過(guò)焊絲可以影響焊縫組織結構及無(wú)焊縫背面下垂現象等。

一、激光焊原理激光焊采用激光作為焊接熱源，機器人作為運動(dòng)系統。激光熱源的特殊優(yōu)勢在于，它有著(zhù)超乎尋常的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的作用點(diǎn)上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現薄板的快速連接。當激光光斑上的功率密度足夠大(>106W/cm2)時(shí)，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內升高至沸點(diǎn)，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸氣以一定的速度離開(kāi)金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個(gè)附加應力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。隨著(zhù)加熱過(guò)程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細長(cháng)的“小孔”。當金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續深入。光斑密度很大時(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著(zhù)光束相對于工件而沿著(zhù)焊接方向前進(jìn)。金屬在小孔前方熔化，繞過(guò)小孔流向后方，重新凝固形成的焊縫如圖1所示。

二、激光焊接設備激光焊接設備主要由激光器、光導系統、焊接機和控制系統組成如圖2所示。

1.激光器用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有很大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生產(chǎn)上應用大多數還處在6～15kW范圍。YAG激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微連接。近年來(lái)，國外在研制和生產(chǎn)大功率YAG激光器方面取得了突破性的進(jìn)展，最大功率已達5kW，并已投人市場(chǎng)。由于其波長(cháng)短，僅為CO2激光的1/10，有利于金屬表面吸收，可以用光纖傳輸，簡(jiǎn)化光導系統。因此，大功率YAG激光焊接技術(shù)在今后一段時(shí)間內將獲得迅速發(fā)展，成為CO2激光焊接強有力的競爭對手。

2.光導和聚焦系統光導聚焦系統由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖以及聚焦鏡等組成，實(shí)現改變光束偏振狀態(tài)及方向，傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件尤其是透鏡性能會(huì )劣化使透過(guò)率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應，表面污染也會(huì )增加傳輸損耗。所以光學(xué)部件的質(zhì)量、維護和工作狀態(tài)監測對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

3.焊接機器人由于激光-MIG復合焊接技術(shù)對焊接接頭的裝配精度要求較低，所以可以不必采用激光釬焊機器人的設計方式，既區別于常規的絞臂式焊接機器人，也無(wú)需設計焊縫自動(dòng)跟蹤矯正系統以及激光在線(xiàn)檢測系統，這樣可以大大降低工裝設備的成本投資，降低工裝設計的復雜程度。三、激光焊接方法的特點(diǎn)激光焊接方法具有如下特點(diǎn)：

(1)能量密度高、適合于高速焊接。

(2)焊接時(shí)間短、材料本身的熱變形及熱影響區小，尤其適合高熔點(diǎn)、高硬度加工。

(3)無(wú)電極、工具等的磨損消耗。

(4)對環(huán)境無(wú)污染。

(5)可通過(guò)光纖實(shí)現遠距離、普通方法難以達到的部位、多路同時(shí)或分時(shí)焊接。

(6)很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。

(7)很容易搭載到機器人裝置上。激光復合焊接技術(shù)具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。對于激光復合焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現在：無(wú)燒穿時(shí)焊縫背面下垂的現象，適用范圍更廣；對于激光-MIG焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現在：較高的焊接速度、熔焊深度大、產(chǎn)生的焊接熱少、焊縫的強度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使得整個(gè)系統的生產(chǎn)過(guò)程穩定性好，設備可用性好及焊縫準備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，焊接生產(chǎn)工時(shí)短、費用低、生產(chǎn)效率高。

四、激光-電弧復合熱源焊接的主要形式1.激光-TIG復合焊接激光與TIG復合焊接的特點(diǎn)是：

(1)利用電弧增強激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料。

(2)在焊接薄件時(shí)可高速焊接。

(3)可增加熔深，改善焊縫成形，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。

(4)可以緩和母材端面接口精度要求。例如，當CO2激光功率為0.8kW，TIG電弧的電流為90A，焊接速度2m/min時(shí)，可相當5kW的CO2激光焊機的焊接能力，5kW的CO2激光束與300A的TIG電弧復合，焊接速度0.5～5m/min時(shí)，獲得的熔深是單獨使用5kW的CO2激光束焊接時(shí)的1.3～1.6倍。

2.激光-等離子弧復合焊接激光等離子復合焊接采用如圖3所示的同軸方式。等離子弧由環(huán)狀電極產(chǎn)生，激光束從等離子弧的中間穿過(guò)，等離子弧主要有兩個(gè)功能：一方面為激光焊接提供額外的能量，提高焊接速度，進(jìn)而提高整個(gè)焊接過(guò)程的效率；另一方面等離子弧環(huán)繞在激光周?chē)?，可以產(chǎn)生熱處理的效果，延長(cháng)冷卻時(shí)間，也就減少了硬化和殘余應力的敏感性，改善了焊縫的微觀(guān)組織性能。

3.激光-MIG復合焊接激光-MIG復合焊的基本原理如圖4所示。除了電弧向焊接區輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量。激光復合焊技術(shù)并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時(shí)作用于焊接區。激光和電弧在不同程度和形式上影響復合焊接的性能。在激光-MIG復合焊接時(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時(shí)也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。MIG焊的特點(diǎn)在于電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好，電弧穩定性好，易于通過(guò)填充金屬改善焊縫結構。而激光束焊的特點(diǎn)在于熔深大，焊接速度高，熱輸入低，焊縫窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同時(shí)激光復合焊接的熔池比MIG焊的要小，工件變形小，大大減少了焊后糾正焊接變形的工作。激光-MIG復合焊接，會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)獨立的熔池，而后面的電弧輸入的熱量同時(shí)起到了焊后回火處理的作用，降低焊縫硬度(尤其是焊鋼)。由于激光復合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本。

4.雙激光束焊接技術(shù)在激光焊接過(guò)程中，由于激光功率密度大，使得焊接母材被迅速加熱熔化、氣化，生成高溫金屬蒸氣。在高功率密度激光的繼續作用下，很容易生成等離子體云，不僅減小工件對激光的吸收，而且使焊接過(guò)程不穩定。如果在較大的深熔小孔形成后，減小繼續照射的激光功率密度，而已經(jīng)形成的較大深熔小孔對激光的吸收較多，結果激光對金屬蒸氣的作用減小，等離子體云就能減小或消失。因而，用一束峰值功率較高的脈沖激光和一束連續激光，或者兩束脈沖寬度、重復頻率和峰值功率有較大差異的脈沖激光對工件進(jìn)行復合焊接，在焊接過(guò)程中,兩束激光共同照射工件，周期地形成較大深熔小孔，然后適時(shí)停止一束激光的照射，可使等離子體云很小或消失，改善工件對激光能量的吸收與利用，加大焊接熔深，提高焊接能力，如圖5所示。

五、激光復合焊接技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身制造中的應用國內關(guān)于激光-電弧復合熱源焊接實(shí)際應用的報道較少，國外尤其是德國對此項技術(shù)的研究較深入。

激光-電弧復合焊接廣泛應用于汽車(chē)工業(yè)。

以德國大眾Phaeton的車(chē)門(mén)焊接為例(見(jiàn)圖6)：為了在保證強度的同時(shí)又減輕車(chē)門(mén)的重量，大眾公司采用沖壓、鑄件和擠壓成形的鋁件。車(chē)門(mén)的焊縫總長(cháng)4980mm，現工藝是7條MIG焊縫(總長(cháng)380mm)，11條激光焊縫(總長(cháng)1030mm)，48條激光-MIG復合焊縫(總長(cháng)3570mm)。激光復合焊同樣用于新型奧迪A8汽車(chē)的生產(chǎn)。在A(yíng)8側頂梁上有各種規格和形式的接頭，就是采用激光-MIG復合焊工藝，焊縫共計4.5m長(cháng)。激光復合焊另一特點(diǎn)就是具有很寬的焊速調整范圍。例如，復合焊在焊接Phaeton車(chē)門(mén)對接接頭時(shí)，焊接速度1.2～4.8m/min都是可行的。通常焊絲送絲速度為4～9m/min，激光功率為2～4kW。最優(yōu)化的焊速是4.2m/min，送絲速度6.5m/min，激光功率2.9kW。MIG-激光復合焊接最大焊接速度可達9m/min。

近年來(lái)，隨著(zhù)車(chē)輛運輸設備向輕量化發(fā)展，汽車(chē)車(chē)身結構由空間框架向鋁復合車(chē)體開(kāi)始發(fā)展。隨著(zhù)大斷面鋁型材的生產(chǎn)和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋁合金在汽車(chē)中的應用也不斷增加。目前，汽車(chē)鋁車(chē)身主要采用激光焊接工藝，由于光束直徑很細，要求坡口裝配間隙小于0.5mm，跟蹤精度很高，一開(kāi)始尚未形成熔池時(shí)熱效率很低。另外，還存在著(zhù)設備成本高、工件準備工序要求嚴格等問(wèn)題，這些問(wèn)題可以通過(guò)激光-電弧復合焊接解決。由于電弧焊的復合，熔池寬度增加，使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易。由于電弧可以解決初始熔化問(wèn)題，使鋁合金對激光的反射減少，提高了激光的吸收率，從而可以大大降低激光器的輸出功率，減少使用激光器的功率。同時(shí)電弧焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問(wèn)題，從而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低熱輸入特點(diǎn)仍保持。德國大眾汽車(chē)工程公司的T.GRAF等人自主開(kāi)發(fā)了用于汽車(chē)車(chē)身制造的激光-MIG復合焊接機頭。該機頭安裝在弧焊機器人手臂上，幾何尺寸小，適合任何空間位置焊接，在各方向上的調節精度達到0.1mm。激光復合焊接技術(shù)由激光與其他熱源的相互作用,焊接速度提高了，焊接周期縮短了，而且達到同樣焊接目的所需的激光功率降低，這些都能使焊接成本大大降低。另外，這種方法能夠改善像鋁合金、異種材料等的焊接性。因此，激光復合焊接技術(shù)無(wú)論從工藝角度，還是從經(jīng)濟角度來(lái)看都具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

六、結語(yǔ)激光復合焊將兩種焊接方法結合起來(lái)，它采用了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，獲得了最佳的焊接效果，更高的焊接速度與良好的焊縫搭橋能力。它是目前最先進(jìn)的焊接方法之一，實(shí)現了高焊接速度與良好焊接質(zhì)量的完美結合。激光復合焊技術(shù)是汽車(chē)工業(yè)中一種全新的焊接技術(shù)，尤其是對于激光束焊無(wú)法實(shí)現或在經(jīng)濟上不可行的裝配間隙要求。它具有寬廣的應用范圍和高效的特性,同時(shí)減少投資成本、縮短生產(chǎn)時(shí)間、節約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率，具有更強的競爭力。