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1、激光焊接应用秦可涵 2011年4月【摘要】20世纪70年代美国进行了两大研究：一是福特汽车公司进行的车身钢 板的激光焊接，二是通用汽车公司进行的动力转向变速器内表面的激光淬火。这 两项研究推动了之后机械制造业中的激光加工技术的发展。到80年代后期，以 激光焊接、激光切割和激光淬火为代表的激光加工得到了迅速增长。激光加工具 有独特的优异性能和高柔性、高效率等优点被广泛应用于航空航天领域、汽车制 造业、铁路机车制造业和金属材料加工等行业。在欧美发达国家中，大约有50% 70%的汽车零部件都用到了激光加工技术，并以激光焊接和激光切割为主。上海 大众等汽车制造厂采用激光加工技术焊接车身与箱体等部件。【
2、关键词】激光，焊接，发展，应用【正文】1、原理：激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用， 金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结品形成焊接。激光焊接的机理有两 种：(1) 热传导焊接当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能 转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递， 最后将两焊件熔接在一起。(2) 激光深熔焊当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能， 材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用 力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹
3、坑穿 人更深，当激光停止照射后，叫坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在 起。此外，激光一电弧复合是激光焊接的主要手段，通过激光与电弧的相互影响, 产生良好的复合效应。深熔焊接时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；可 提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加 焊接的稳定性和可靠性。2、特点:激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、厚 度的金属间的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属 焊接特别有利。激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，儿乎可以气化所有 的材料，有广泛的适用性；激光功率可控，易于实现自动化；激光束
4、功率密度很 高，焊缝熔深大，速度快，效率高；激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形很小, 可实现精密焊接；激光焊缝组织均匀，品粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械 性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。3、性能指标：可焊材料：碳钢、不锈钢，难熔金属，高温合金，钛合金，铝合金，铜合金 等；所焊材料厚度：0.1-5mm （丝材、板材等）；焊缝强度：许多情况下可与母材等强；焊接速度：可达3.3m/min；焊后变形：微小或无。4、适用范围：航空、航天、兵器、舰船、石化、医疗、仪表、电子、汽车等行业。5、两种主要分类：（1）、激光拼焊：激光拼焊板是目前汽车车身设计中被广泛应用的新技术, 它可将经不同表
5、面处理、不同钢种、不同厚度的钢板采用激光焊的方法，自由组 合使之成为一个毛坯件。优势在于能够将非常高的能量聚焦于一点，激光束打在 两个要焊接部分的边缘，输入能量把金属加热并将其融化。在激光束作用以后， 溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中，有一小部分的数量将进入被焊接的零件 中。在焊接减少热变形的同时，也减少了输入的热能量。减少因热量影响的变形, 并增加对准确性的纠正，可以节省大量金钱和时间。（2）、激光塑焊：对塑料件进行激光束透射焊接。如将一种透明的塑料件 与另一种带有吸附充填材料的塑料件相联接。激光束穿透上部透明的塑料件，使 下部连接件瞬间熔化，通过熔化膨胀将上部件湿润并局部熔化，上下零件焊
6、接在 一起。BLZ开发出一种安全气囊控制装置的（塑料）外壳激光束透射焊接技术, 采用的是二极管激光器，与传统的焊接技术相比，不仅工艺过程柔性高，而且电 子部件也很少受到焊接过程产生的机械和热损害。本文主要介绍激光（拼）焊的应用和发展。二、激光（拼）焊技术在汽车工业中的应用汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在 车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过 激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、 车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化 材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸
7、精度等好处，目前己经被许多大 汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如 顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。 采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配 公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，筒化装配步骤，同时使车 辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封胶，也使 其更具有环保性。德国蒂森克虏伯激光拼焊板有限公司从1985年开始生产拼焊板，激光拼焊 技术的出现使得汽车生产制造从整车制造商向材料供应商转移。在激光焊接中， 材料是对接而不是搭接，这将带来如下焊缝特性：（1 ）
8、降低焊缝区域的体积，例如，焊缝宽度不超过0.51mm；（2）不增加焊缝高度；（3）对冲压成形性能影响较小；（4）在焊缝上附加镀锌后，可保持其阴极保护功能；（5）焊接过程中，热影响区小。铝质车身数量的增长，将加速激光焊接在汽车制造中的应用。奥迪公司A2 型轿车全铝车身采用激光焊接的部件，其焊缝总长达30m。铝材料使用激光焊 的主要优点是：焊接速度快。与传统的车身点焊技术相比，经激光焊接的部位， 其强度和刚性更好。此外，激光焊可省掉焊接凸缘，这无疑可减少材料消耗，有 利于汽车自身重量的下降。激光焊既可使铝薄板与铝薄板（件）之间实现联接， 亦可使铝薄板（件）与铝铸件相联接。奥迪A6的车身强度和钢度一
9、直备受赞扬, 国产金新奥辿A6L在原有基础上进行了再次改进：采用了激光拼焊技术的车身 设计。新奥辿A6L经过强化的车身，其抗扭转强度提高了 34% o配合全新的车 身、底盘设计加之采用先进激光焊接技术的坚固车身结构，使国产全新奥辿A6L 在遭遇碰撞时，预测的车身变形区、侧面防撞保护梁以及合理的车内空间结构等 能够为乘客提供有效保护。这些看不到摸不着的设计和选材不但能降低车辆的制 造成本和重量，还能在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全。拼焊板已被广泛的应用于车身部位，ULSAB （世界轻质钢制车身协会）的最 新研究结果表明：最新型的钢制车身结构中，50%采用了拼焊板制造。激光拼焊板的采用，不仅
10、提高了车门部件制成品质量的稳定性，使车门部件 的调校不再是个难题，同时可降低部件的重量，而旦原有接缝处密封措施的省略， 也使其更具有环保性。此外，拼焊板在车门上的应用还使饺接区域的刚性得到整 体加强，车门的配合公差得到大幅改善。重量降低、生产工艺得到优化，则必然 使成本下降。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量，减轻构件重量，为 生产宽体车提供可能。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量，减轻构件 重量，为生产宽体车提供可能。激光拼焊板工艺与传统点焊搭接工艺的产品相比有诸多优势：不仅降低了整 车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且减少了外 围加强件数量，简化了装配
11、步骤及工艺，同时使车辆的碰撞能力增强，冲压成型 率及抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封胶，也为环保带来利益。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用 量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件，零件焊接部位儿乎没有变形，焊接速 度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经广泛采用，常见于变速 器齿轮、气门挺杆、车门皎链等。激光焊接儿乎可以不受限制地把厚度、牌号、 等级、镀层等不同的钢板连结在一起，制成各种形状的零件，大大提高了汽车设 计的灵活性，不仅大大减少了模具数量，还增加了材料利用率，也使车身结构大 大简化。除此之外还有激光切割技术。采用激光焊割的部件结构受力合
12、理、撞击性能 好，接头连续，强度和刚度均优于点、缝焊，变形少、内应力小，可套裁落料， 材料利用率高，可根据结构和受力要求在不同部位采用不同的厚度,使零件减少、 结构减轻。激光焊、割技术的应用可使产品质量和生产率提高、制造成本降低， 这项技术的应用对推动汽车工业的技术进步具有重要意义，将为企业带来巨大的 经济效益，并进一步提升企业产品的高科技含量和市场竞争力。三、激光（拼）焊在汽车工业中的发展20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产 线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥辿、奔 驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率
13、先采用 激光焊接车顶、车身、侧框等饭金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公 司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发展很快。意大利菲亚特在 大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本ID和丰田汽车公 司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因 其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至 2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70 000t比1 998年增加3倍。根 据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向 发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与Pratt Witney联合进行在激
14、光焊 接过程中添加粉木金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用 激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有 助于消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的 工厂投入生产。IT前，世界汽车工业使用的激光加工系统（切割、焊接、表面处理等）已经超 过5000台套。其中，在激光焊接领域硕果累累。激光焊接工艺使采用各种复合 拼焊板（之后进行深拉冲压）生产轿车零件（车身、车架等）成为了可能。这些拼焊 板由2到3块精确”裁剪”的、物理一化学性能、表面状态、厚度各不相同的板 材拼焊而成。然后在把这种半成品冲压成车身零件。激光拼焊工艺改善了车身零
15、 部件的使用性能，降低了汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。世界汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产。目前，法国阿赛 洛在激光拼焊领域经过十儿年的研究和发展，现激光拼焊生产线已达到35条， 其产品在欧洲市场占有率超过50%，成为当今世界规模最大的钢铁巨头。而且 欧洲许多冶金公司也都在生产这种拼焊板。其中，意大利Sollak公司在不断扩 大产能，其子公司Solblank公司己经投入了 1 4条生产线，而且还准备在英国 及美国建立4条激光拼焊线，每条的产能将达到2万t/年。一些大型冶金联合 企业也正在加快在其他国家组建合资公司的步伐。德国Tissen冶金公司就已经 在印度尼西亚及美国
16、（底特律）建立了合资公司，主要为卡迪拉克轿车新车型提供 激光焊接车门及其它板件。名为”英国钢铁”的英国工业集团建成了好儿个冶金产 品客户服务中心，其中包括能向汽车制造商提供拼焊板的专门中心（企业），而且 产能达到了 12.5万t/年，并向土耳其丰田汽车公司提供拼焊板。美国及日本也 都建立了类似的独立的专门公司。目前，西欧生产的拼焊板占世界总产量的70%,美国生产的占20%,日本 生产的占1 0%,其中每年由装配一焊接流水线生产的大约有2.9亿件，由单个 机床及成套设备生产的有1亿件。中国的激光拼焊板技术应用起步较晚，直到2002年10月25 口，我国第 一条激光拼焊板专业化商业生产线才在武汉正式投入运行。目前，国内激光拼焊板需求量迅速上升，国产高品质车型，如：帕萨特、别 克、奥迪、雅阁等都开始采用激光拼焊板。基于这种情况，宝钢集团在2004年 11月和12月相继在上海和长春成
