激光焊接技术在汽车制造中的应用

目前，激光及其复合焊接技术已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊以及顶盖与侧围的焊接。用激光将不同厚度、材质及性能的几块薄板拼焊起来，再冲压成形。不但提高了材料利用率，由40 % ～60 %提高到70 %～80 % ，而且减轻了重量，提高了综合力学性能。与单一的激光焊接技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点: 更大的熔深、较大缝隙的焊接能力及更好的焊缝韧性，通过焊丝可以影响焊缝组织结构及无焊缝背面下垂现象等。
一、激光焊原理
激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。激光热源的特殊优势在于，它有着超乎寻常的加热能力，能把大量的能量集中在很小的作用点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快及焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。
当激光光斑上的功率密度足够大( >106 W/ cm2 )时，金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。金属蒸气以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凹坑。随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。当金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。小孔随着光束相对于工件而沿着焊接方向前进。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成的焊缝如图1 所示。
二、激光焊接设备
激光焊接设备主要由激光器、光导系统、焊接机和控制系统组成所示。
1. 激光器
用于激光焊接的激光器主要有CO2 气体激光器和YAG 固体激光器两种。激光器最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方向考虑，CO2 激光器比YAG 激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在6 ～15kW 范围。YAG 激光器一般功率小于1kW，用于薄小零件的微连接。近年来，国外在研制和生产大功率YAG 激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达5kW，并已投人市场。由于其波长短，仅为CO2 激光的1/ 10 ，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输，简化光导系统。因此，大功率YAG 激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为CO2 激光焊接强有力的竞争对手。
2. 光导和聚焦系统
光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤以及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态及方向，传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件尤其是透镜性能会劣化使透过率下降，产生热透镜效应，表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。
3. 焊接机器人
由于激光- MIG 复合焊接技术对焊接接头的装配精度要求较低，所以可以不必采用激光钎焊机器人的设计方式，既区别于常规的绞臂式焊接机器人，也无需设计焊缝自动跟踪矫正系统以及激光在线检测系统，这样可以大大降低工装设备的成本投资，降低工装设计的复杂程度。
三、激光焊接方法的特点
激光焊接方法具有如下特点：