1、引言
        激光焊接從上世紀(jì)60 年代激光器誕生不久就開(kāi)始了研究，從開(kāi)始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近40 年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國(guó)防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問(wèn)題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。這也是激光焊接能夠吸引國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科技人員從事研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的原因。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外激光焊接技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的一些進(jìn)展，并介紹了激光焊接在汽車零件和車身制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。
2、激光焊接技術(shù)的進(jìn)展
  2.1 激光器技術(shù)
       在汽車制造和其它工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的大功率激光器主要包括兩類，CO2激光器和Nd:YAG 激光器，而大功率半導(dǎo)體激光器在焊接領(lǐng)域的研究還處于起步階段。
(1) CO2激光器
      用于大熔深激光焊接的CO2激光器一般以連續(xù)方式工作，主要包括快軸流和Slab型兩種類型。同快軸流激光器相比，Slab型激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、氣體消耗量少、維護(hù)成本低的特點(diǎn)。目前世界上CO2激光器最大輸出功率為45kW，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的激光器輸出功率范圍約在700W至12kW之間。我國(guó)目前可以自主生產(chǎn)的快軸流激光器最大輸出功率為3kW。
(2) Nd:YAG 激光器
       Nd:YAG激光可以通過(guò)光纖傳輸，在柔性制造系統(tǒng)或遠(yuǎn)程加工場(chǎng)合更具有適應(yīng)性。目前國(guó)外Nd：YAG激光器的最大輸出功率達(dá)10kW，而包括汽車在內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的則是3kW和4kW的Nd:YAG激光器。最近幾年，半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG激光器制造技術(shù)有了飛速發(fā)展，最大輸出功率已經(jīng)達(dá)到和氙燈泵浦的Nd:YAG 激光器同樣級(jí)別。例如，Trumpf 公司生產(chǎn)的氙燈泵浦Nd:YAG 激光器的輸出功率最大為5500W，而半導(dǎo)體泵浦的Nd:YAG 激光器最大輸出功率已達(dá)到6000W。
我國(guó)在大功率Nd:YAG 激光器技術(shù)方面還相當(dāng)落后，目前還不能自主生產(chǎn)千瓦級(jí)Nd:YAG 激光器。 
 (3) 半導(dǎo)體激光器
       半導(dǎo)體激光器具有波長(zhǎng)短、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是未來(lái)激光器發(fā)展的重要方向之一。國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了利用大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鋁合金焊接的研究工作，可以獲得2mm的焊接熔深。但半導(dǎo)體激光器面臨的最大問(wèn)題是光束模式差，光斑大，因此功率密度較低，這是半導(dǎo)體激光器今后用于工業(yè)生產(chǎn)必須解決的問(wèn)題。
2.2 激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制
        激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制一直是激光焊接領(lǐng)域研究和發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，利用電感、電容、聲波、光電、視覺(jué)等各種傳感器，通過(guò)人工智能和計(jì)算機(jī)處理方法，針對(duì)不同的激光焊接過(guò)程和要求，實(shí)現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測(cè)、焊縫成形質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，并通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的自動(dòng)化激光焊接過(guò)程。

                                                            
                                                                         圖1 激光焊接過(guò)程檢測(cè)原理示意圖

    (1) 激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)
      利用各種傳感器對(duì)激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行檢測(cè)是常用和有效的方法，如圖1 所示。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同，激光焊接質(zhì)量檢測(cè)主要包括以下幾種方式：
1) 光信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象為激光焊接過(guò)程中的等離子體（包括工件上方和小孔內(nèi)部）光輻射和熔池光輻射等。從檢測(cè)裝置的安裝來(lái)看，主要包括與激光束同軸的直視檢測(cè)、側(cè)面檢測(cè)和背面檢測(cè)。使用的傳感器主要有光電二極管、光電池、CCD 和高速攝像機(jī)，以及光譜分析儀等。
2) 聲音信號(hào)檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象主要為焊接過(guò)程中等離子體的聲振蕩和聲發(fā)射。
3) 等離子體電荷信號(hào)。檢測(cè)對(duì)象為焊接噴嘴和工件表面等離子體的電荷。
        利用光電傳感器檢測(cè)激光焊接過(guò)程中等離子體光輻射強(qiáng)度的變化是激光焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制的重要方法之一。國(guó)內(nèi)外研究工作表明，利用光電傳感器可以自動(dòng)檢測(cè)出焊接過(guò)程中因激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、噴嘴至工件表面距離、對(duì)接間隙等工藝條件的波動(dòng)引起的焊縫熔深和成形質(zhì)量的變化，不僅可以診斷出諸如咬邊、燒穿、駝峰等焊縫成形缺陷，而且在一定工藝條件下還可以檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量，例如，氣孔傾向的嚴(yán)重程度。
       采用激光視覺(jué)傳感器可以實(shí)時(shí)觀察焊縫的成形質(zhì)量，迅速及時(shí)診斷高速焊接中容易出現(xiàn)的咬邊和氣孔缺陷，同時(shí)可以在線測(cè)量焊縫的寬度變化。采用這種在線檢測(cè)方法替代手動(dòng)檢查，大大減少了返修率，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。例如，在Nd:YAG 焊接系統(tǒng)中，采用Ar+激光作為輔助光源照亮焊接區(qū)，在CCD 前安裝只允許Ar+激光通過(guò)的濾波片，就可以獲得非常清晰的焊接熔池圖象。這項(xiàng)技術(shù)在日本汽車制造領(lǐng)域已得到相當(dāng)應(yīng)用。
 (2) 激光焊接過(guò)程控制
       激光焊接過(guò)程控制的主要內(nèi)容就是對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時(shí)，光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時(shí)，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個(gè)范圍，熔深則下降，甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過(guò)程，變?yōu)槟Ｊ讲环�(wěn)定焊接或熱導(dǎo)焊。但實(shí)際激光焊接時(shí)，存在多種因素影響焦點(diǎn)位置的穩(wěn)定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴－工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應(yīng)引起焦點(diǎn)位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點(diǎn)位置的變化等。如何迅速確定激光焦點(diǎn)位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。
 圖2是清華大學(xué)研制的CO2激光焊接焦點(diǎn)位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)控激光焊接機(jī)床(CNC)、特殊設(shè)計(jì)的激光焊炬以及檢測(cè)控制系統(tǒng)。焊接噴嘴－工件距離可以通過(guò)上下調(diào)節(jié)焊炬位置實(shí)現(xiàn)，而聚焦透鏡位置則由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在焊炬內(nèi)獨(dú)立上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)。檢測(cè)系統(tǒng)由電荷傳感器(pcs噴嘴)和裝在噴嘴側(cè)面的光學(xué)傳感器(ps 傳感器)組成。焊接過(guò)程中，根據(jù)檢測(cè)到的PCS信號(hào)變化，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴至工件表面距離，保證在焊接過(guò)程中保持噴嘴－工件距離恒定；同時(shí)根據(jù)PS信號(hào)調(diào)整聚焦透鏡的位置，用于補(bǔ)償因熱透鏡效應(yīng)引起的焦點(diǎn)位置波動(dòng)，使焦點(diǎn)位置始終處在最佳焦點(diǎn)位置范圍。
圖2 激光焊接焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成
圖3顯示的是這種質(zhì)量檢測(cè)與閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)在450mm長(zhǎng)的彎板上進(jìn)行，包括了上坡焊、平焊和下坡焊三種情況。圖中焊縫A      為只采用PCS信號(hào)單獨(dú)控制焊接噴嘴－工件距離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出雖然噴嘴受控隨工件斜率升降能保持噴嘴-工件距離不變，但由于熱透鏡效應(yīng)的影響，焊接過(guò)程中焦點(diǎn)位置逐漸偏離最佳焦點(diǎn)位置，由穩(wěn)定的深熔焊變?yōu)槟Ｊ讲环�(wěn)定焊和熱導(dǎo)焊。而焊縫B則采用了雙閉環(huán)控制，既控制了噴嘴-工件距離，又能自動(dòng)調(diào)節(jié)透鏡的高度，對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行全閉環(huán)控制，補(bǔ)償了包括熱透鏡效應(yīng)在內(nèi)的各種因素的的影響，所以焊接過(guò)程中能始終保證熔深和熔寬均勻。

圖3 焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)控制激光焊接樣品
  2.3 新型激光焊接工藝與方法
(1) 雙/多光束焊接
       雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深和更穩(wěn)定的焊接過(guò)程和更好的焊縫成形質(zhì)量，其基本方法是同時(shí)將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置，以提高總的激光能量。后來(lái)，隨著激光焊接技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為減小在厚板焊接，特別是鋁合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)氣孔傾向，采用以前后排列或平行排列的兩束激光實(shí)施焊接，這樣可以適當(dāng)提高焊接小孔的穩(wěn)定性，減少焊接缺陷的產(chǎn)生幾率。
(2) 激光－電弧復(fù)合焊
        激光－電弧復(fù)合焊是近年激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。該方法的提出是由于隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)激光焊接的要求，激光焊接本身存在的間隙適應(yīng)性差，即極小的激光聚焦光斑對(duì)焊前工件的加工裝配要求過(guò)高，此外，激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法，一般不采用填充金屬，因此在焊接一些高性能材料時(shí)對(duì)焊縫的成分和組織控制困難。而激光－電弧復(fù)合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點(diǎn)，又具有間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。其特點(diǎn)在于：

• 
  

  可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好。

  
  


• 
  

  有利于減小氣孔傾向。

  
  


• 
  

  可以實(shí)現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。

  
  


• 
  

  電弧對(duì)等離子體有稀釋作用，可減小對(duì)激光的屏蔽效應(yīng)，同時(shí)激光對(duì)電弧有引導(dǎo)和聚焦作用，使焊接過(guò)程穩(wěn)定性提高。

  
  


• 
  

  利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對(duì)焊接特種材料或異種材料有重要意義。
         激光與電弧復(fù)合焊的方法包括兩種，即旁軸復(fù)合焊和同軸復(fù)合焊。旁軸激光-電弧復(fù)合焊方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對(duì)稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對(duì)稱的復(fù)合熱源，大大提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，并可方便地實(shí)現(xiàn)二維和三維焊接。目前，對(duì)旁軸復(fù)合焊的研究較多，而同軸復(fù)合焊的還處于研究階段。在復(fù)合焊的應(yīng)用方面，許多汽車制造商正將其用于新型汽車的制造。例如，在進(jìn)行汽車車身拼焊時(shí)，利用3kW Nd:YAG激光焊接1.2mm和0.7mm厚的拼板時(shí)焊接速度最高為4.0m/min，采用復(fù)合焊后最大速度可達(dá)7.4m/min，而允許的對(duì)接坡口間隙從原來(lái)的0.05mm提高到0.15mm。國(guó)內(nèi)近年來(lái)也開(kāi)始了激光－電弧復(fù)合焊的初步研究。
  3、激光焊接在汽車制造中的典型應(yīng)用
      汽車制造領(lǐng)域是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最大規(guī)模使用激光焊接技術(shù)的行業(yè)，從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造生產(chǎn)中的最主要焊接方法之一。總體上講，激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面。
  3.1 汽車零部件的激光焊接
     激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用始于變速箱的齒輪焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齒輪幾乎沒(méi)有焊接變形，不需要焊后熱處理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了應(yīng)用。國(guó)外到目前為止，激光焊接已經(jīng)在汽車零部件生產(chǎn)中得到非常廣泛的應(yīng)用，包括尾氣排放系統(tǒng)（歧管、排氣管、消聲器等）、變速箱雙聯(lián)齒輪、減振器儲(chǔ)油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲(chǔ)油缸筒的焊接。 
   3.2 激光拼焊技術(shù)
      激光焊接在汽車制造應(yīng)用最為成功，同時(shí)效益最為明顯的一項(xiàng)技術(shù)就是汽車車身的拼焊技術(shù)。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，即在進(jìn)行車身的設(shè)計(jì)制造時(shí)，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級(jí)和厚度不同的鋼板，通過(guò)激光裁剪和拼焊技術(shù)完成車身某一部位的制造。激光拼焊技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期；減少材料浪費(fèi)；最合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性。
        德國(guó)大眾最早于1985年將激光拼焊用于Audi車型底盤的焊接，日本豐田于1986年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993年，當(dāng)時(shí)美國(guó)為了提高美國(guó)汽車同日本汽車的競(jìng)爭(zhēng)力而提出了2mm工程。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。 3.3 汽車車身激光焊接技術(shù)
       激光焊接在汽車制造中的另一個(gè)重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個(gè)典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，如圖4a 所示，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替（圖4b）。比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時(shí)提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長(zhǎng)多達(dá)30m。國(guó)內(nèi)，上海通用的Polo、上海大眾 Passat 車型和一汽Bora 的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國(guó)汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志。

  
  

4、小結(jié)
        激光焊接在汽車制造領(lǐng)域的大量成功應(yīng)用顯示出激光焊接強(qiáng)大的生命力和非常廣闊的應(yīng)用前景。雖然我國(guó)激光焊接技術(shù)的整體應(yīng)用水平還比較低，在激光器制造技術(shù)上還較發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多，但是應(yīng)當(dāng)看到我國(guó)一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國(guó)一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。