激光加工具有熱影響很低、材料變形很小、加工速度快、無(wú)需接觸和無(wú)需后處理等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前中國(guó)本土的汽車(chē)廠商，尤其是大量的零部件生產(chǎn)廠家對(duì)激光焊接、激光切割以及激光打孔等的應(yīng)用并不夠。
    對(duì)于飛速發(fā)展的中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)而言，我們都多次在各類(lèi)場(chǎng)合聽(tīng)到關(guān)于用激光加工的論題。在實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中，很多歐美汽車(chē)整車(chē)和零部件廠商早在十幾年前就積極投入大量的研發(fā)力量，聯(lián)合激光制造企業(yè)開(kāi)發(fā)出很多激光加工的工藝和生產(chǎn)線，并在大規(guī)模生產(chǎn)中廣泛地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但放眼看目前中國(guó)本土的汽車(chē)廠商，尤其是大量的零部件生產(chǎn)廠家，除了簡(jiǎn)單的激光打標(biāo)外，其他方面的應(yīng)用如激光焊接、激光切割以及激光打孔等的應(yīng)用并不夠。作為在這類(lèi)應(yīng)用加工領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位的激光廠家，GSI在此愿意概括激光在汽車(chē)制造業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域和特點(diǎn)，拋磚引玉，幫助大量的中國(guó)本土企業(yè)認(rèn)識(shí)到激光這一特殊高端技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并竭誠(chéng)為廣大讀者提供相應(yīng)的技術(shù)支持。
激光加工的特有優(yōu)勢(shì)
    1.熱影響很低，相對(duì)與傳統(tǒng)的焊接和切割方式而言，激光加工無(wú)需產(chǎn)生高溫，從而最大限度地減少了對(duì)母材及涂層的材料破壞；
    2.材料變形很小，大量的材料變形都能控制在百分之幾毫米的范圍內(nèi)；
    3.高速加工，對(duì)于較薄的不銹鋼材料，焊接速度可達(dá)到10～20m/min，針對(duì)不同的材料及厚度會(huì)有響應(yīng)的變化；
    4.加工處理后的材料表面會(huì)很干凈、光潔。大部分的鋼材、鋁材及合金等材料在激光加工后，表面都不會(huì)出現(xiàn)明顯的變形或破壞，最大程度地保持了原有材料的外觀和特性；
    5.單邊加工，無(wú)需接觸，因?yàn)榧す獾墓ぷ髟�理為非接觸式的光束聚焦，所以只需要單邊在一定距離之外作用在材料上即可；
    6.無(wú)需后處理。
激光焊接
    焊接可以細(xì)分為車(chē)身焊接和零備件焊接。對(duì)于車(chē)身而言，最普遍的是可以完成車(chē)頂?shù)絺?cè)身及車(chē)門(mén)的車(chē)體焊接。通常是鍍鋅鋼材的2層搭焊，有時(shí)也會(huì)有3層的焊接需求，長(zhǎng)度可達(dá)2～3m。此外因?yàn)榧す饧庸た梢詫⒉煌�厚度和等�?jí)的材料容易地焊接起來(lái)，這種優(yōu)勢(shì)可以減少很多額外的工序，大量節(jié)省成本和材料，所以在更多的與車(chē)身相關(guān)的焊接處理上，如擋板、面板、車(chē)門(mén)內(nèi)層、座椅和搖桿等，都越來(lái)越多地出現(xiàn)了用激光來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接方式。在這些焊接中，所涉及的材料目前多為鋼材（無(wú)鍍層低碳鋼或10～20mm鍍鋅鋼）和鋁合金（如5000系列鋁鎂合金、6000系列鋁鎂硅合金或7000系列鋁鋅合金）。需要注意的是，在鍍鋅鋼的焊接過(guò)程中，因?yàn)殇摰娜埸c(diǎn)（1 500℃）和鋅的熔點(diǎn)（800℃）相差很多，實(shí)際操作中容易產(chǎn)生多余的孔隙，成為很多廠家的困惑，而GSI專(zhuān)業(yè)應(yīng)用工程師經(jīng)過(guò)多次的研究和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)解決了這個(gè)困難。而對(duì)于鋁合金而言，因?yàn)殇X的高反射性能，也會(huì)有很多廠家在應(yīng)用中遇到多孔、斷裂等問(wèn)題，同樣在這方面GSI也成功地通過(guò)添加填充物（特別是2000到6000系列的鋁合金）、雙光斑等技術(shù)克服了這些問(wèn)題。
    在汽車(chē)零部件方面，激光焊接應(yīng)用領(lǐng)域就更廣泛了，常見(jiàn)的有：ABS系統(tǒng)組件、安全氣囊組件、螺線管、電池和燃油噴嘴等，使用GSI具有超級(jí)調(diào)制功能的連續(xù)型激光器可以為這些產(chǎn)品的高性能焊接提供最適合的解決方案。超級(jí)調(diào)制可以瞬間成倍提高激光的輸出功率而達(dá)到一般激光器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的熔深和焊接效果。
    例如對(duì)燃油噴嘴的焊接，我們采用圖1所示的參數(shù)設(shè)置，采用后的實(shí)際輸出功率只有平均功率500W的65%，從而最終實(shí)現(xiàn)了較少的熱影響、更低的運(yùn)營(yíng)成本、更長(zhǎng)的燈管使用壽命和最終非常穩(wěn)定一致的焊接效果。GSI推出的JK125P型激光器（見(jiàn)圖2）專(zhuān)門(mén)用于高精確度的焊接和細(xì)微切割，適合多種不同的工業(yè)用途。

圖1  燃油噴嘴焊接的參數(shù)設(shè)置

圖2  JK125P型激光器

激光切割
激光切割是除了焊接外激光的另一大類(lèi)應(yīng)用，其主要的特點(diǎn)有：
    1.非常細(xì)的切口寬度，筆直的切邊和漂亮的外觀；
    2.在切邊附近最小的熱影響區(qū)域從而實(shí)現(xiàn)最小的工件變形；
    3.在加速或減速時(shí)由于有對(duì)平均輸出功率的良好控制所以消除了多余的材料熔燒；
    4.沒(méi)有機(jī)械變形；
    5.相對(duì)于傳統(tǒng)的切割方式而言，沒(méi)有切割刀具的磨損；
    目前在汽車(chē)加工領(lǐng)域，工程塑料、液壓成型管等都有很廣泛的激光切割使用。
汽車(chē)氣囊組件的激光焊接解決方案
    在這里向大家介紹一下GSI激光事業(yè)部在北美為一家汽車(chē)氣囊組件提供的激光焊接解決案例。
    Oberg Industries（以下簡(jiǎn)稱“Oberg”）是一家精密沖壓件制造商，主要服務(wù)于汽車(chē)、醫(yī)療及航天航空等諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以高精度成品部件（Finished Part）而聞名。一家汽車(chē)領(lǐng)域的客戶曾告知該公司，另一家制造商提供的某種氣囊組件的焊接有質(zhì)量問(wèn)題。這家供應(yīng)商采用傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊（TIG）焊接工藝，很難確保提供必要的可靠性。
    Oberg采用自己獨(dú)特的專(zhuān)業(yè)沖壓技術(shù)提高了組件的精確度與質(zhì)量，但客戶還希望提供配套的完整而可靠的焊接管。于是，Oberg開(kāi)始考慮采用激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。在其位于賓夕法尼亞州匹茲堡附近的Sarver廠房中，Oberg采用低功耗脈沖YAG激光器進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。Oberg的客戶對(duì)試驗(yàn)結(jié)果在視覺(jué)外觀和強(qiáng)度方面的表現(xiàn)感到非常滿意，但認(rèn)為整個(gè)工藝過(guò)程還是太慢。
    鑒于此，Oberg請(qǐng)GSI激光事業(yè)部幫忙，看他們能否通過(guò)其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室分析提高速度的方法。就自身的要求而言，Oberg需要一種不僅能支持50mm/s的焊接速度，而且還能滿足最終客戶強(qiáng)度要求的激光源。
    焊接管是一根厚度約為1.2mm的1008帶孔碳鋼碎片過(guò)濾管（debris screen tube）。焊接前，先在平板上打孔，然后再讓平板形成間隙約1.5mm的管，這樣便于進(jìn)行接縫對(duì)齊與定位。這一工藝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是確保表面和底部外形良好，而且即使有超大球狀物強(qiáng)行通過(guò)過(guò)濾管，也不會(huì)影響焊接。制造過(guò)程中階段性進(jìn)行檢測(cè)。
    位于密歇根州Novi市的GSI應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的最初任務(wù)是測(cè)定原型部件的精確的激光源以及合適的焊接技術(shù)。與Oberg進(jìn)行探討后發(fā)現(xiàn)，盡管1kW連續(xù)Nd : YAG激光器能輕松實(shí)現(xiàn)50mm/s的焊接速率，但是這樣該項(xiàng)目就毫無(wú)經(jīng)濟(jì)性可言。從預(yù)算的角度來(lái)說(shuō)，500W激光器更適用。原型部件于2006年7月焊接成功，其采用的是支持連續(xù)波(CW)與Super ModulatedTM 兩種輸出的JK501SM Nd : YAG激光器。原型部件焊接試驗(yàn)時(shí)，以不帶孔的實(shí)管部件為對(duì)象。為達(dá)到不同的熔透以及檢測(cè)其強(qiáng)度，分別采用了不同的焊接速度和參數(shù)。
    Super ModulatedTM  輸出以正弦波和方波波形可提供更高的激光峰值功率，最大可達(dá)額定激光功率的2倍，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)激光全額定平均功率。這樣，焊接速度就提高了40%，而消耗的熱量則比僅采用CW輸出降低了很多。
    此外，Super ModulationTM 還能大幅減少焊接過(guò)程中焊接熔池上方煙塵所散射的激光能。CW 輸出在焊接開(kāi)始幾毫秒后會(huì)在焊接處一直產(chǎn)生大量的煙塵，煙塵為顆粒狀，會(huì)發(fā)生散射，從而導(dǎo)致光束偏離焦點(diǎn)，產(chǎn)生較大焊縫熔寬并降低熔透。
    當(dāng)采用周期性峰值正弦波或方波波形時(shí)，超級(jí)調(diào)制激光器的激光能可在煙塵量達(dá)到一定散射影響之前幾毫秒內(nèi)發(fā)出。在調(diào)制低能量循環(huán)階段，煙塵量會(huì)快速降到接近零，而后激光源再通過(guò) Super ModulatedTM 輸出開(kāi)始下一工作循環(huán)。不管激光功率大小或光束質(zhì)量如何，都會(huì)產(chǎn)生該效果。CW、正弦波及方形波調(diào)制的截面圖清晰顯示了熔透的改善情況。
    為此，Oberg選擇了最平穩(wěn)的500W CW焊接法，焊接速度為50mm/s，熔透達(dá)100%，采用100mm的調(diào)焦鏡頭，焦點(diǎn)直徑為300mm。將這些初始部件放入簡(jiǎn)單的虎鉗中，夾到縫隙密閉，保護(hù)性氬氣體通過(guò)側(cè)噴嘴排出。
    2006年間，隨著部件設(shè)計(jì)的進(jìn)展與制造工具的推出，Oberg又進(jìn)行了更多焊接測(cè)試。在所有情況下，部件都手動(dòng)放入固定裝置中，再用虎鉗將其夾到縫隙密閉，激光工藝過(guò)程非常一致。
    激光系統(tǒng)抵達(dá)Oberg開(kāi)始進(jìn)行激光焊接后，在原型焊接轉(zhuǎn)型為自動(dòng)化制造焊接過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題。對(duì)接焊縫的縫隙由于部件位置與彈力問(wèn)題出現(xiàn)了某些不一致性。制造固定情況下的保護(hù)氣體排放設(shè)計(jì)未經(jīng)過(guò)檢測(cè)，此外焊接部件也沒(méi)有通過(guò)客戶的機(jī)械測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)暮附訌?qiáng)度，焊接速度降至23mm/s。
    GSI應(yīng)用工程設(shè)計(jì)中心對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行了檢查，并派工程師與Oberg相關(guān)人員一道解決了工藝問(wèn)題。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，某些固定部件中存在縫隙，而且焊接位置的差異導(dǎo)致焊縫與中央定位不佳的激光焊接中能量損耗。提高調(diào)焦鏡頭的焦距可擴(kuò)大焦點(diǎn)尺寸，從而可避免相關(guān)縫隙問(wèn)題。
    為將焊接速度提升至50mm/s并確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，激光參數(shù)改為方波Super ModulationTM。這就加快了焊接速度，而且能滿足焦點(diǎn)尺寸擴(kuò)大20%的要求。
    最后，為了實(shí)現(xiàn)足夠的焊接強(qiáng)度與韌度，必須優(yōu)化焊接固定設(shè)備給的保護(hù)性氬氣體排放，確保工藝過(guò)程中與冷卻過(guò)程中焊料中的含氧量極低。
    最后為實(shí)現(xiàn)50mm/s的焊接速度，可采用方波超級(jí)調(diào)制技術(shù)，頻率為300Hz，峰值功率為900W，焦點(diǎn)尺寸為360mm，并排出保護(hù)性氬氣。使用平均功率為500W的Super ModulationTM 技術(shù)使系統(tǒng)可彌補(bǔ)項(xiàng)目原型開(kāi)發(fā)階段難以預(yù)計(jì)的縫隙差異問(wèn)題，同時(shí)還能通過(guò)低成本、功耗適中的YAG激光技術(shù)同步設(shè)計(jì)部件與工藝。
    成功實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)后，Oberg的焊接部件達(dá)到了所需強(qiáng)度，而功耗則比預(yù)估的還低。通過(guò)使用具有超級(jí)調(diào)制功能的500W持續(xù)波形激光器，Oberg不僅以低成本實(shí)現(xiàn)了必需的速度要求，而且還能確保制造工藝中的焊接速度與質(zhì)量，解決所有工藝容限問(wèn)題。通過(guò)采用該系統(tǒng)，估計(jì)Oberg可節(jié)約約10萬(wàn)美元的機(jī)械成本。
    Oberg對(duì)上述結(jié)果非常滿意，這不僅有助于贏得新的商機(jī)，而且還能使它為新老客戶推出全新的制造工藝。