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摘 要：铝合金材料自身的物理化学属性导致其焊接性能较差，传统电阻焊以及弧焊设备已经无法满足铝合金的连接及应用需求，而新型的激光深熔焊技术具有热量密度集中、受热对母材损伤较小、焊缝熔深与焊缝宽度的比值大、热影响区小等优点，在新能源轻量化铝车身产业中得到了广泛应用。
关键词：激光深熔焊 激光器 光导聚焦系统
Application of Laser Deep Penetration Welding on New Energy Aluminum Body
Meng Yuan Wang Chengwen Li Shengliang
Abstract：The physical and chemical properties of aluminum alloy materials lead to poor welding performance. Traditional resistance welding and arc welding equipment can no longer meet the connection and application requirements of aluminum alloys. The new laser deep penetration welding technology has a concentrated heat density and heat resistance. The advantages of less damage to the base material， large ratio of weld penetration to weld width， and small heat-affected zone have been widely used in the new energy lightweight aluminum body industry.
Key words：laser deep penetration welding， laser， light guide focusing system
当今社会越来越多的汽车制造商采用铝合金材料替代普通碳钢的车身制造技术路线，奇瑞新能源为提升绿色制造技术水平，满足大批量纯电动汽车定制化需求，采用了大量激光深熔焊技术解决当前纯电动铝车身制造自动化、产品一致性等关键问题。
1 激光深熔焊系统构成
激光深熔焊系统主要由激光器、光导聚焦系统、温度控制单元、机器人控制系统组成，如图1所示。
1.1 激光器
奇瑞新能源激光深熔焊系统选用了光纤激光器。光纤激光器由激光发生模块、合束器、传输光纤、光纤接头四部分组成，根据激光输出功率的要求，由多个激光发生模块并联叠加出光，再经过合束器整合形成稳定的激光输出。它具有激光光束质量好、能量密度高、电光转换效率高、可加工材料范围广等优点，被广泛应用在激光深熔焊系统。
1.2 光导聚焦系统
光导聚焦系统由安装支架、聚焦系统、光学防护机构，激光嘴等组成。聚焦系统固定在安装支架上与机器人第六轴连接，使系统能够自动调整激光焦距，获得准确的焊接光斑直径。光学防护机构安装在聚焦系统与激光嘴之间，对焊接过程中产生的焊渣飞溅、灰尘等进行隔离，保护聚焦系统安全。光导聚焦系统的状态直接影响激光焊接质量，应对内部原件的工作状态、表面污染及热传导性能进行动态监测来保证焊接质量。
1.3 温度控制单元
温度控制单元由水循环管路、加热机构、冷却机构、电控单元等组成。它是激光深熔焊设备中激光器、光导聚焦系统的空调，确保整个系统工作时温度范围稳定。
1.4 机器人控制系统
机器人控制系统由机器人、外部轴、控制柜及PLC电控单元等组成。其中机器人是主控部分，实现焊接各种轨迹姿态的控制、激光的正常出光/关光命令，并联调PLC对接安全保护的动作，机器人的自动运行确保了整个焊接工作精准化。
2 激光深熔焊焊接原理
激光深熔焊铝合金焊缝形成过程（如图2所示）：当激光功率密度大于105～107W/cm2时，激光光束连续照射铝合金焊缝表面，使铝合金材料熔化，并在激光光束照射点形成一个小孔，产生小孔效应，这个小孔继续吸收激光光束的能量，使小孔周围形成一个铝合金的熔池，热能由熔池向周围传播，激光功率越大，熔池越深，当激光光束相对于铝合金焊件移动时，熔池冷却凝固形成铝合金焊缝。
3 激光深熔焊的主要工艺参数
3.1 激光器功率
激光器功率是激光焊接中的关键参数，它存在一个激光光束能量密度阈值。此阈值与铝合金焊件的厚度成正比。当焊接材质一定时，激光功率应超过此能量阈值，才能获得较好熔深的焊缝，反之焊缝熔深波动大质量不稳定。根据新能源铝合金车身焊接材料厚度的不同，激光器输出功率一般选择在500～4000W范围内。
3.2 激光脉冲参数
由于铝合金是高反射率材料，激光反射会导致焊接能量损失。根据焊接试验反馈，铝合金焊件激光焊接开始时激光反射率高，焊接能量损失较大，当铝合金焊件达到熔点时，激光反射率较低。应调整激光脉冲参数使激光温度快速提升至熔点，减少反射导致的焊接能量损失。所以在激光焊接生产中应根据铝合金表面特性，设置相应的激光脉冲参数减少焊接能量損失。
3.3 激光光斑直径
激光光斑直径决定了激光聚焦的能量密度程度。激光深熔焊时，焊缝宽度与光斑直径、激光功率、焊接速度密切相关。当激光功率和焊接速度不变时，光斑直径与焊缝宽度成正比，与焊缝熔深成反比。光斑直径的尺寸可以采用CCD测量系统和等温剖面法进行测量。
3.4 激光透镜焦距 激光深熔焊需提前对激光进行聚焦处理，聚焦中心点光束能量密度阈值最高。新能源激光焊系统常选用126～253mm的焦距镜头，能够避免焊接过程中大多数熔池飞溅，还能减少焊接区域的焊头干涉问题。焦距的变化影响熔池深度，焦距增大熔池变深，一般情况下激光透镜聚焦中心点设置在焊件的第二层板上，焊接效果较好。
3.5 焊接速度
在汽车生产制造中，为了提高工作效率，激光焊接通常采用较大的焊接速度。但是焊接速度直接影响熔深，速度过快会使焊件熔深变浅，焊接不牢，速度过低会使焊件过度熔化，导致焊件焊穿。所以必须针对铝合金材料特性，在激光焊接实验室充分验证焊接速度、功率、焦距等激光参数，得出精准的参数表，并固化在工艺文件中监督执行才能保证焊接质量。
4 激光深熔焊在铝车身制造中的应用
4.1 优化铝合金材料的焊接变形
铝合金热导率高，大约是钢材的2～4倍，同时耐热性能差，大多数铝合金均不耐高温，膨胀系数大，容易产生焊接变形，其中越薄的铝合金板材越难焊接（容易焊穿）。激光深熔焊技术优化了此项问题。激光深熔焊具有较小的热输入：激光深熔焊焊接过程中铝合金工件熔化过程发生得极快，输入工件热量较低，热变形影响区很小，减少了铝合金材料的变形及内部的损伤。
4.2 非触摸式焊接技术在焊接干涉区域的广泛应用
新能源铝车身由挤压成形的铝型材构成，铝板件的空间搭接结构特点，导致焊点较多，焊接操作空间被其它零部件、定位夹头、夹紧气缸遮挡区域较多，通用的接触式焊接设备难以满足现场使用要求。激光深熔焊非触摸式焊接技术解决了此项难点。根据激光镜头焦距的选型，激光焊头远离焊件可达228 mm以上，完美解决了此类问题。
4.3 激光深熔焊偏差校正系统在焊接工艺中的应用
汽车零部件组装过程中，零部件的加工公差、装配误差导致生产工序产生微量偏差，随着工序的顺流，这些偏差的积累会使焊件焊缝空间坐标位置产生微量偏差，为了保证激光焊接质量，传统的轨迹固定式焊接已经无法满足焊接工艺要求，激光深熔焊焊缝偏差校正系统（目前常用视觉导引和激光测距导引），满足了焊接前轨迹偏差检测、反馈、校正，实现了焊缝轨迹偏差自动校正功能，保证了产品焊接质量，提升了生产节拍。如图3、4所示，激光深熔焊技术已经大量应用在奇瑞新能源铝合金车身制造工艺中。
5 结语
激光深熔焊对待连接件之间的间隙配合较为敏感，一般情况下，焊接夹具夹头设计紧密、待连接件之间的间隙越小，对焊接越有利。随着新能源汽车轻量化水平的不断提高，汽车车身使用铝结构件实现减重已经成为汽车技术的前沿和热点，激光深熔焊技术必将在新能源汽车产业中得到广泛应用。
参考文献：
[1]张大文. 铝合金激光焊接工艺研究[D]. 长春理工大学，2012.
[2]李亚江、李嘉宁、高华兵. 激光焊接/切割/熔覆技术，第3版. 化学工业出版社，2019.
[3]陈武柱.激光焊接与切割质量控制. 机械工业出版社，2010.
[4]曹鳳国. 激光加工. 化学工业出版社，2015.
[5]荣佑民、黄禹. 激光焊接应力变形分析及其抑制.华中科技大学出版社，2020.
关键词：激光深熔焊 激光器 光导聚焦系统
Application of Laser Deep Penetration Welding on New Energy Aluminum Body
Meng Yuan Wang Chengwen Li Shengliang
Abstract：The physical and chemical properties of aluminum alloy materials lead to poor welding performance. Traditional resistance welding and arc welding equipment can no longer meet the connection and application requirements of aluminum alloys. The new laser deep penetration welding technology has a concentrated heat density and heat resistance. The advantages of less damage to the base material， large ratio of weld penetration to weld width， and small heat-affected zone have been widely used in the new energy lightweight aluminum body industry.
Key words：laser deep penetration welding， laser， light guide focusing system
当今社会越来越多的汽车制造商采用铝合金材料替代普通碳钢的车身制造技术路线，奇瑞新能源为提升绿色制造技术水平，满足大批量纯电动汽车定制化需求，采用了大量激光深熔焊技术解决当前纯电动铝车身制造自动化、产品一致性等关键问题。
1 激光深熔焊系统构成
激光深熔焊系统主要由激光器、光导聚焦系统、温度控制单元、机器人控制系统组成，如图1所示。
1.1 激光器
奇瑞新能源激光深熔焊系统选用了光纤激光器。光纤激光器由激光发生模块、合束器、传输光纤、光纤接头四部分组成，根据激光输出功率的要求，由多个激光发生模块并联叠加出光，再经过合束器整合形成稳定的激光输出。它具有激光光束质量好、能量密度高、电光转换效率高、可加工材料范围广等优点，被广泛应用在激光深熔焊系统。
1.2 光导聚焦系统
光导聚焦系统由安装支架、聚焦系统、光学防护机构，激光嘴等组成。聚焦系统固定在安装支架上与机器人第六轴连接，使系统能够自动调整激光焦距，获得准确的焊接光斑直径。光学防护机构安装在聚焦系统与激光嘴之间，对焊接过程中产生的焊渣飞溅、灰尘等进行隔离，保护聚焦系统安全。光导聚焦系统的状态直接影响激光焊接质量，应对内部原件的工作状态、表面污染及热传导性能进行动态监测来保证焊接质量。
1.3 温度控制单元
温度控制单元由水循环管路、加热机构、冷却机构、电控单元等组成。它是激光深熔焊设备中激光器、光导聚焦系统的空调，确保整个系统工作时温度范围稳定。
1.4 机器人控制系统
机器人控制系统由机器人、外部轴、控制柜及PLC电控单元等组成。其中机器人是主控部分，实现焊接各种轨迹姿态的控制、激光的正常出光/关光命令，并联调PLC对接安全保护的动作，机器人的自动运行确保了整个焊接工作精准化。
2 激光深熔焊焊接原理
激光深熔焊铝合金焊缝形成过程（如图2所示）：当激光功率密度大于105～107W/cm2时，激光光束连续照射铝合金焊缝表面，使铝合金材料熔化，并在激光光束照射点形成一个小孔，产生小孔效应，这个小孔继续吸收激光光束的能量，使小孔周围形成一个铝合金的熔池，热能由熔池向周围传播，激光功率越大，熔池越深，当激光光束相对于铝合金焊件移动时，熔池冷却凝固形成铝合金焊缝。
3 激光深熔焊的主要工艺参数
3.1 激光器功率
激光器功率是激光焊接中的关键参数，它存在一个激光光束能量密度阈值。此阈值与铝合金焊件的厚度成正比。当焊接材质一定时，激光功率应超过此能量阈值，才能获得较好熔深的焊缝，反之焊缝熔深波动大质量不稳定。根据新能源铝合金车身焊接材料厚度的不同，激光器输出功率一般选择在500～4000W范围内。
3.2 激光脉冲参数
由于铝合金是高反射率材料，激光反射会导致焊接能量损失。根据焊接试验反馈，铝合金焊件激光焊接开始时激光反射率高，焊接能量损失较大，当铝合金焊件达到熔点时，激光反射率较低。应调整激光脉冲参数使激光温度快速提升至熔点，减少反射导致的焊接能量损失。所以在激光焊接生产中应根据铝合金表面特性，设置相应的激光脉冲参数减少焊接能量損失。
3.3 激光光斑直径
激光光斑直径决定了激光聚焦的能量密度程度。激光深熔焊时，焊缝宽度与光斑直径、激光功率、焊接速度密切相关。当激光功率和焊接速度不变时，光斑直径与焊缝宽度成正比，与焊缝熔深成反比。光斑直径的尺寸可以采用CCD测量系统和等温剖面法进行测量。
3.4 激光透镜焦距 激光深熔焊需提前对激光进行聚焦处理，聚焦中心点光束能量密度阈值最高。新能源激光焊系统常选用126～253mm的焦距镜头，能够避免焊接过程中大多数熔池飞溅，还能减少焊接区域的焊头干涉问题。焦距的变化影响熔池深度，焦距增大熔池变深，一般情况下激光透镜聚焦中心点设置在焊件的第二层板上，焊接效果较好。
3.5 焊接速度
在汽车生产制造中，为了提高工作效率，激光焊接通常采用较大的焊接速度。但是焊接速度直接影响熔深，速度过快会使焊件熔深变浅，焊接不牢，速度过低会使焊件过度熔化，导致焊件焊穿。所以必须针对铝合金材料特性，在激光焊接实验室充分验证焊接速度、功率、焦距等激光参数，得出精准的参数表，并固化在工艺文件中监督执行才能保证焊接质量。
4 激光深熔焊在铝车身制造中的应用
4.1 优化铝合金材料的焊接变形
铝合金热导率高，大约是钢材的2～4倍，同时耐热性能差，大多数铝合金均不耐高温，膨胀系数大，容易产生焊接变形，其中越薄的铝合金板材越难焊接（容易焊穿）。激光深熔焊技术优化了此项问题。激光深熔焊具有较小的热输入：激光深熔焊焊接过程中铝合金工件熔化过程发生得极快，输入工件热量较低，热变形影响区很小，减少了铝合金材料的变形及内部的损伤。
4.2 非触摸式焊接技术在焊接干涉区域的广泛应用
新能源铝车身由挤压成形的铝型材构成，铝板件的空间搭接结构特点，导致焊点较多，焊接操作空间被其它零部件、定位夹头、夹紧气缸遮挡区域较多，通用的接触式焊接设备难以满足现场使用要求。激光深熔焊非触摸式焊接技术解决了此项难点。根据激光镜头焦距的选型，激光焊头远离焊件可达228 mm以上，完美解决了此类问题。
4.3 激光深熔焊偏差校正系统在焊接工艺中的应用
汽车零部件组装过程中，零部件的加工公差、装配误差导致生产工序产生微量偏差，随着工序的顺流，这些偏差的积累会使焊件焊缝空间坐标位置产生微量偏差，为了保证激光焊接质量，传统的轨迹固定式焊接已经无法满足焊接工艺要求，激光深熔焊焊缝偏差校正系统（目前常用视觉导引和激光测距导引），满足了焊接前轨迹偏差检测、反馈、校正，实现了焊缝轨迹偏差自动校正功能，保证了产品焊接质量，提升了生产节拍。如图3、4所示，激光深熔焊技术已经大量应用在奇瑞新能源铝合金车身制造工艺中。
5 结语
激光深熔焊对待连接件之间的间隙配合较为敏感，一般情况下，焊接夹具夹头设计紧密、待连接件之间的间隙越小，对焊接越有利。随着新能源汽车轻量化水平的不断提高，汽车车身使用铝结构件实现减重已经成为汽车技术的前沿和热点，激光深熔焊技术必将在新能源汽车产业中得到广泛应用。
参考文献：
[1]张大文. 铝合金激光焊接工艺研究[D]. 长春理工大学，2012.
[2]李亚江、李嘉宁、高华兵. 激光焊接/切割/熔覆技术，第3版. 化学工业出版社，2019.
[3]陈武柱.激光焊接与切割质量控制. 机械工业出版社，2010.
[4]曹鳳国. 激光加工. 化学工业出版社，2015.
[5]荣佑民、黄禹. 激光焊接应力变形分析及其抑制.华中科技大学出版社，2020.