汽車生產用激光釬焊系統設計

潘波

(神龍汽車有限公司，湖北武漢430056)

汽車生產用激光釬焊系統設計

潘波

(神龍汽車有限公司，湖北武漢430056)

隨著汽車工業的發展以及人們需求的不斷提高，節能、安全、環保成為汽車技術的三大主題，而激光加工工藝的發展對解決汽車節能、安全和環保具有重要的意義。激光以其光束能量密度高、熱影響區域小、焊接速度快、深寬比大和變形小等優點，在白車身制造領域得到廣泛應用。近幾年，伴隨著我國逐漸邁向汽車產銷大國的步伐，激光焊接這一前沿技術已相繼出現在國內主流汽車企業的生產線上，而其中又以激光釬焊的應用最為廣泛。在此以某量產車型的行李箱蓋激光釬焊為例，結合其工藝特點，系統介紹激光釬焊系統的設計方案，并著重分析了主要核心設備的技術特點。

激光釬焊；光釬激光器；激光焊接頭；焊絲輸送；焊接機器人；夾緊工裝

0 前言

從20世紀80年代開始，激光技術運用于汽車車身制造領域。激光以其光束能量密度極高、加熱范圍小、焊縫及熱影響區域窄、切割和焊接速度快、深寬比大和焊接變形小等優點，在白車身制造領域得到廣泛應用。激光釬焊是激光焊接技術的一種，釬焊時母材不熔化，僅釬料熔化，可以獲得光滑的焊縫表面，這不僅使產品更加美觀，還提高了密封性，而且顯著提高了焊接區域的強度，大大提升了整車的安全性能。目前，在國內外汽車制造業，激光釬焊主要應用在可視的外圍接合件上，如行李箱上下兩部分的接合、頂蓋和左右側圍的接合、汽車C柱上下兩段的接合等。

1 激光釬焊工藝特點

1.1 激光釬焊原理

激光釬焊也稱激光填絲釬焊，是在電弧釬焊的基礎上發展起來的一種新的局部硬釬焊技術。與激光熔焊不同，其焊接原理并不是直接利用激光束熔化母材金屬來實現焊接成形，而是利用激光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲被光束能量加熱，熔化形成高溫液態金屬，液態金屬浸潤到被焊零件連接處，在適當的外部條件下，在界面層中生成均勻的固溶體和共晶組織，使之與工件間形成良好的冶金結合，激光釬焊原理如圖1所示。工件間的連接是通過釬焊層實現的，而母材本身不會被激光嚴重熔蝕損傷，使得焊縫成形美觀、質量穩定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。激光釬焊是一個獨特的焊接冶金過程，除了光和熱，在焊接過程中還伴隨著特有聲音和電荷的產生，這是因為激光的高能量輸入使焊縫上方的環境氣體和因受熱氣化的金屬鍍層蒸汽發生了電離，而焊縫上方的這層電離層被稱作等離子云。等離子云對激光有吸收、折射和散射作用，因此一般熔池上方的等離子云會削弱到達工件的激光能量，并影響光束的聚焦效果，對焊接不利。

圖1 激光填絲釬焊原理

1.2 激光釬焊的優勢和局限性

激光填絲釬焊作為一種新興的焊接技術，正在被越來越廣泛地應用到生產制造的各個環節中，特別是在汽車白車身制造領域，激光填絲釬焊的應用已經比較成熟。

近些年來，激光釬焊正在逐漸成為一種替代電阻點焊的工藝手段，而倍受人們關注。與傳統電阻點焊相比，以搭接焊結構為例，激光釬焊具有單面加工、搭邊量小(質量減輕)、結構強度增加、無電極磨損現象、焊接質量穩定、非接觸式加工、焊接速度快、焊接變形小等特點。與MIG／MAG焊以及CO2氣體保護焊相比，激光釬焊具有熱影響區小、零件不易產生熱損傷、填充劑熔化后自然浸潤、熔化帶寬、無飛濺等特點，因此可以獲得外觀質量更好的焊縫，而無需經常更換焊炬、噴嘴，可大大降低加工成本。此外由于激光熱源本身能量集中，可精確控制和調節熱輸入的特點，使加熱和冷卻的時間很短，可獲得較高的焊接速度，更容易實現自動化焊接。

激光釬焊雖有許多非常突出的優點，但也存在一定的局限性。激光釬焊因為是利用激光做熱源，而激光經過聚焦后光斑尺寸較小，所以一般焊縫較窄，這就要求焊接件的裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有明顯偏移，若工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺陷。其次，激光器及其相關系統的成本較高，一次性投資較大。激光焊接技術復雜，技術難度大，涉及到光學、焊接、自動化系統工程等專業技術，使得激光釬焊系統調試的難度較大，且系統設備需要專業維護，核心設備故障停機或損壞后，修復難度大(如激光頭、光源)，無形中增加了技術成本。再者，激光釬焊為不可見光，危險性大，防護等級高，一般需要投入特殊的安全防護設施。但正是因為工作現場的高要求，促進了激光焊接設備向小型化、模塊化、高自動化、高穩定性和易維修的方向發展。

2 激光釬焊生產系統設計

為了更好地了解激光釬焊系統，以某量產車型的行李箱蓋激光釬焊系統為例，初步介紹激光釬焊生產線的設計構成，并著重分析激光釬焊系統主要核心設備的技術特點。

2.1 激光釬焊生產線構成

激光釬焊生產系統的主要構成如圖2所示。

(1)激光發生器：產生并輸出一定波長的激光束(集成水冷卻系統)。

(2)光纖：負責傳導激光器發出的激光束到激光焊接頭(為保證設備的正常使用，一般需要有一條備用光纖)。

(3)獨立焊接工作間：由于大功率激光器的激光射線可對人造成傷害，須在封閉空間內進行焊接，以確保安全。

(4)機器人焊接系統：攜帶激光焊接頭，集成送絲系統，負責按預定焊接軌跡和焊接參數完成焊接。

(5)自動化控制電柜：負責各種電氣信號處理，協調機器人、激光焊接頭、激光器和自動化焊接夾具的信號交換。

(6)工裝夾具：確保零件裝配尺寸，保證焊縫位置的重復精度。

(7)抽風系統：焊接時會產生煙霧和有害氣體，需要安裝抽風系統。

某量產車型的行李箱蓋激光釬焊生產線的主要構成如圖2所示，這條生產線集成了目前比較先進的激光焊接技術，是某公司引入的第一套激光焊接系統，也是目前國內首次將光纖激光器運用到量產車型生產上。

圖2 激光焊接系統的主要構成

2.2 激光釬焊系統核心設備簡介

由圖2可知，對于一套應用于汽車生產的激光釬焊系統而言，其主要的核心設備是激光發生器、激光焊接頭、焊絲輸送系統、焊接機器人系統以及夾緊工裝。激光發生器是實現焊接的輸出熱源，激光焊接頭是焊接工作部件，焊絲輸送系統為焊接輸送焊絲，機器人系統是自動化焊接的工作載體，夾緊工裝保證零件的定位和裝配間隙，任何一個環節發生變化都會直接影響焊接質量。

2.2.1 激光發生器

激光發生器是激光焊接系統最核心的部件，是系統的心臟。這套激光釬焊系統最大的特點就是采用IPG全光纖連續脈沖激光器進行焊接。所謂光纖激光器，即采用摻雜稀土離子、經過特殊封裝的特質光纖作為激光介質，外部導光部分也同樣運用光纖進行傳導。簡單的說，其最大的特點就是一根光纖穿到底，整臺機器高度實現光纖一體化，而只在外部導光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。與傳統的寶石棒(YAG棒)固體激光器相比，光纖激光器有著非常突出的優勢。

傳統YAG固體激光器的簡單示意如圖3所示。其激光工作介質為固體YAG棒，通過泵浦燈強光照射YAG棒，YAG晶體粒子吸收光能后發生能級躍遷，進而實現粒子數反轉，并產生受激輻射發出激光。這時的激光射線并不是全部平行于軸線的，那些不平行于軸線的光線經由反射鏡組成的光學諧振腔內不斷地來回反射，最終被反射出諧振腔外，剩下的平行光則經由部分反射鏡變為輸出激光并耦合入傳導光纖傳輸到工作表面。

圖3 傳統YAG固體激光器基本機構

傳統YAG固體激光器，由于存在大量的非平行光束衰減，所以激光轉換效率比較低，一般只有30%左右，如果想提高激光轉換率，就必須增強泵浦光能量輸入，但過強的泵浦光又會使諧振腔內的光學鏡片發生熱變形，改變鏡片的折射率，即所謂的熱透鏡現象，從而降低輸出光束的質量。相比之下，光纖激光器巧妙的將光纖技術和激光原理有機的融合為一體，很好地解決了激光能量與光束質量這一矛盾。光纖激光器以摻雜稀土離子、經過特殊封裝的特質光纖作為激光介質，運用發光二極管作為泵浦光源，以刻在纖芯兩端、起濾光作用的光纖光柵替代傳統的光學諧振腔，經過特殊的包層封裝后制成激光光纖，結構如圖4所示。其最大的優勢在于：二極管泵浦光從光纖兩端射入光纖內包層，在光纖的內包層來回反射，不斷的穿過摻雜稀土離子的纖芯，稀土離子發生能級躍遷，實現粒子數反轉，產生受激輻射后經由纖芯輸出激光。因為泵浦光進入內包層后來回反射，很少有光線溢出，所以其泵浦光的利用率很高，提高了激光轉換效率。且因纖芯本身充當諧振腔，沒有傳統的光學鏡片，避免了熱透鏡效應，從而提高光束質量。

圖4 光纖激光示意

在現代工業應用領域，傳統的YAG棒一般如鉛筆般大小，且生長速度很慢，一般小于1 mm／h；而光纖的纖芯只有頭發般粗細，是以SiO2為基質材料制成的玻璃實體纖維，原料豐富，易于加工，相比稀缺的YAG棒，光纖則要廉價得多，再加上玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以光纖激光器不需要龐大的熱電制冷和復雜的水冷系統，只需簡單的水冷甚至只需普通的風冷即可滿足，這就使得光纖激光器擁有小型化、模塊化、集約化的優勢。由于光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片，避免了熱透鏡效應以及腔鏡對灰塵、水分、雜物和機械振動的敏感性，使其具有免調節、免維護、高穩定性的優點，可勝任惡劣的工作環境，這是傳統激光器無法比擬的。光纖激光器的可光纖導光特性，更使其能輕易勝任各種多維任意空間的加工應用，使機械系統的設計變得非常簡單。圖5為IPG全光纖連續脈沖激光器，其最大激光功率3 000 W，由六個激光功率500 W的光纖激光模塊組成，外加一個備用模塊，各模塊均可實現快速更換。采用內置水冷機，集成度高，占地面積小，現場安裝極為方便。由于其對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度，且有較高的安全級別，所以可工作于開放環境，無需特殊環境要求的空調房。這些優點大大降低了生產消耗成本和維護成本，也更適應現代汽車工業生產的需求。而此套激光釬焊系統作為國內首條量產車型的光纖激光焊接生產線，其巨大的優勢也正在逐漸的體現出來。

圖5 IPG全光纖連續脈沖激光器

2.2.2 激光焊接頭

激光焊接頭是激光焊接系統的直接工作部件，其核心部件其實就是一組根據特殊要求組合在一起的透鏡。激光發生器產生的激光經由光纖傳導，被很好的耦合入激光焊接頭，激光焊接頭通過透鏡組對激光束進行整形、傳導，最后聚焦到工作面，利用激光焦點處的高能量來實現焊接。此外它還能通過調節焦點到工作面的距離來控制激光能量密度的大小，實現焊接能量輸入的可控性，所以激光焊接頭通常也被形象的稱作激光鏡頭。根據不同的加工需求，激光鏡頭可以制作成各種各樣不同的形式，在鏡頭上集成不同的功能的自動控制模塊，來滿足復雜的實際生產要求。

介紹的這套激光釬焊系統所采用的激光鏡頭是德國Scansonic公司生產的ALO3(Adaptive Laser Optic)自適應可調節激光釬焊鏡頭，其最大的特點是具有焊縫跟蹤功能和自動對焦功能。ALO3的工作原理及基本機構如圖6所示。從激光器發出，經光纖傳導的激光束被光纖耦合器1耦合入激光鏡頭，自動對焦模塊2將發散的光束進行準直后轉換為平行光束，準直后的平行光束再經過反射模塊3和二次反射模塊6的兩次反射后由光學聚焦模塊7將激光束聚焦到工作面。整個焊接過程可以通過監控模塊5進行全程監控，縱向伸縮臂TA通過自動控制模塊STRG與自動對焦模塊關聯，實現自動對焦，安裝在伸縮臂上的壓力傳感器KS通過STRG與旋轉動作控制模塊4關聯，實現焊縫跟蹤。

焊縫跟蹤及自動對焦原理如圖7所示。焊絲尖點處通過壓力傳感器感知焊縫形狀，STRG捕獲壓力信號后控制旋轉模塊實現橫向擺動以適應焊縫形狀；焊絲尖點處的縱向變化，以伸縮臂的伸縮量形式反饋到STRG，STRG控制自動對焦模塊內透鏡組的伸縮，使光束焦點始終落在焊絲的尖點處。此外，ALO3還可以通過自動對焦模塊來調節光斑大小，實現對焊接輸入能量的控制，通過旋轉動作模塊給焊絲施加外力，使其在焊接過程中始終緊貼焊縫，避免發生偏離。

圖6 ALO3的工作原理和基本機構

圖7 焊縫跟蹤及自動對焦原理

德國Scansonic公司生產的ALO3自適應可調節激光釬焊鏡頭擁有較大的自由度，能適應不同形狀焊縫的焊接，這給生產調試工作帶來了很大的方便，大大縮短了調試周期，從而更容易保證焊接質量。

2.2.3 焊絲輸送系統

激光釬焊主要靠熔化焊絲來填充焊縫實現焊接，焊縫質量的好壞與送絲系統密切相關。激光釬焊焊絲輸送系統的工作原理與常見的MIG、MAG焊接的送絲系統基本相似，都是靠電機驅動壓緊輪旋轉，靠焊絲與壓緊輪之間的摩擦力來推動焊絲。不同的是，由于激光釬焊系統的焊接速度快，對焊接參數的敏感度比較高，且焊縫窄，一般都有很高的外觀要求，所以對送絲速度的精確性和送絲的平穩性要求很高。采用盤狀絲輸送方式的激光釬焊送絲系統的主要構成如圖8所示。為確保焊絲的穩定輸出，采用兩級送絲機構，焊絲盤安裝在從送絲機一側，從送絲機的主要作用就是確保抽絲順暢，盡量為主送絲機削減焊絲盤的轉動慣量所產生的抽絲阻力，而主送絲機安裝在盡量靠近焊絲輸出口的一側，送絲輪也增加為四個，這些設計都是為了盡可能地保證焊絲平順輸出，盡量避免對焊接造成影響。此外主送絲機上還安裝有焊絲測速器，可對送絲速度實時監控，并通過控制柜設置所需的送絲速度?？刂乒衽c整個激光釬焊系統的工藝控制柜之間建立有信號通路，能夠實現每次焊接前焊絲尖點到激光靶心的適時補償，避免焊縫起始處的缺料缺陷。

圖8 激光釬焊送絲系統

為了減少焊接缺陷，這套系統還集成了焊絲預熱裝置。焊絲預熱裝置其實就是一套電加熱裝置，裝置的兩極分別連接到焊絲和夾緊工裝上，焊接前，當焊絲與工件接觸后形成電流回路，電阻熱將焊絲和工件局部加熱到一定溫度，所需加熱溫度的高低可以通過調節輸入電流的強弱來控制。焊接前的預熱能給激光釬焊帶來兩大好處：一是，對于焊絲來說，根據熱力學原理，焊絲熔化所需的加熱溫度Δ T＝T絲－T常(T絲為焊絲的熔點溫度，T常為焊接前焊絲的常溫溫度)。經過焊絲預熱后相當于T常提高，而焊絲的熔點溫度T絲是由其本身材料決定的，可認為是個常量，因此Δ T減小，也就是說熔化焊絲所需的熱量更少。如果在焊接條件不變的情況下(激光功率和焊接時間)，焊絲熔化的時間將縮短，其處于液態的時間將延長，這能使氣體更充分地溢出，避免焊縫產生氣孔；二是，對于工件而言，預熱電流也會使工件與焊絲接觸的地方局部受熱，加熱后的工件表面會降低對激光的反射率，更好的吸收激光熱量，加熱后的工件也更有利于液態焊絲的潤濕和鋪展，易于形成美觀焊縫。

2.2.4 焊接機器人系統

焊接機器人是激光釬焊系統的執行單元，其任務是攜帶著激光焊接頭，按照預先編制好的焊接軌跡并調用相應的焊接參數來完成焊接。焊前編制好的各項參數，如激光器的激光功率、激光鏡頭的焦點能量、送絲機的送絲速度和機器人的焊接速度等，經由工藝控制電柜調配到各個焊接軌跡點，機器人通過空間運動，逐點執行這些軌跡點以完成焊接。合理的焊接軌跡對保證焊接質量至關重要，圖9為激光釬焊系統焊接軌跡參數設置。

圖9 激光釬焊軌跡參數

根據實際零件的焊縫形狀和焊接質量要求，整個焊接軌跡需要設置多個不同的特征點，每個特征點均被賦予一系列的焊接參數和機器人軌跡姿態參數等信息。為了方便焊接質量的調整和后期改善，原則上，焊縫的形狀越復雜，焊接軌跡需要劃分的特征點越多，但是過多的特征點會使焊縫的連續性降低，影響外觀質量，所以在編制軌跡時，應結合實際情況進行調整。對于激光釬焊來說，機器人的焊接姿態參數比較敏感，使得軌跡調試的難度較大，為此可設置多個機器人姿態的角度調節參數，給調試工作提供更大的自由度，能更容易獲得良好的焊縫質量。

2.2.5 夾緊工裝

激光釬焊由于熱輸入小，焊接速度快，焊縫較窄(一般焊縫的寬度只有2～3 mm)，所以通常要求零件之間的夾緊間隙控制在0.1～0.3 mm，且重復精度在0.2 mm以內。要保證如此高的夾緊間隙，夾緊工裝必須要經過特殊的設計。激光釬焊的零件夾緊工裝3D設計如圖10所示。為了滿足激光釬焊的間隙要求，這套夾緊工裝設計了多級夾緊限位機構，如圖10中的①、②、③所示，并按一定的夾緊順序完成夾緊，目的是盡量降低因零件本身型面不穩定而造成的夾緊間隙的波動。此外在靠近焊縫區域的主定位夾緊面采用了分塊設計，即將整個定位夾緊面均等分割為多個小塊，每個小塊均由各自的氣缸驅動實現夾緊。分塊設計比起整體設計更有利于夾緊面的散熱，大大減小了夾緊面在焊接過程中的受熱變形，同時分塊設計也使得主夾緊面可分開調整，更有利于整條焊縫夾緊間隙的均勻一致。

圖10 激光釬焊夾緊工裝3D設計圖

3 結論

激光焊接技術在經過長期的科學實驗階段后，在最近十幾年得到了快速的發展，由于其技術上具有極大的優勢，已經廣泛地應用于汽車制造領域。在歐美等發達國家，作為新技術應用的先驅者，激光焊接已經變得越來越普遍，大有取代傳統技術的趨勢。而在國內，隨著我國正在逐步變成世界最大的汽車產銷大國，越來越多的新制造技術將會被國內的汽車企業應用，激光焊接技術作為新制造技術的代表，一定會在汽車制造領域取得豐碩的成果。

Design of laser brazing system applied in automobile

PAN Bo
(Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China)

As the development of automobile industry and improvement of people's requirement，energy saving，safety，environment protection become the three primary topics of automobile technology.At meantime，the improvement of laser process technology have important signification for energy saving，safety，environment protection.Laser welding depend on high density of energy，small heated effect area，high welding speed，big depth breadth ratio of seam，less distortion and so on，was widely applied in the manufacture of automobile.Recent years，as China is becoming the biggest car's factory and market of the world，laser welding which is the advanced technology was applied in primary Chinese car company gradually，but the application of laser brazing is the widest in automobile field.This text illustrate that the laser brazing was applied in the trunk lid welding，for introducing the design of laser brazing system to readers，and especially analyses the primary equipments of this system.

laser brazing；fiber laser；laser welding head；welding wire feeding；welding robot；fixture

book=17,ebook=334

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0017－06

2010－09－21

潘波(1981—)，男，廣西南寧人，學士，主要從事汽車焊接工藝的研究工作。