激光焊接技术在汽车制造中的应用.pdf

激光焊接技术在汽车制造中的应用

1、引言

激光焊接从上世纪60年代激光器诞生不久就开始了研究，从开

始的薄小零件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的

大量的应用，经历了近40年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、

变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的

优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地

应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领

域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方

法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问

题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效

率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制

造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激

光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制

造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。这也是

激光焊接能够吸引国内外越来越多的科技人员从事研究和技术开发

的原因。本文综述了近年来国内外激光焊接技术领域研究和应用的一

些进展，并介绍了激光焊接在汽车零件和车身制造领域的典型应用。

2、激光焊接技术的进展

2.1激光器技术
在汽车制造和其它工业生产中广泛应用的大功率激光器主要包

括两类，CO2激光器和Nd:YAG激光器，而大功率半导体激光器在焊

接领域的研究还处于起步阶段。

(1)CO2激光器

用于大熔深激光焊接的CO2激光器一般以连续方式工作，主要包

括快轴流和Slab型两种类型。同快轴流激光器相比，Slab型激光器

具有结构紧凑、气体消耗量少、维护成本低的特点。目前世界上CO2

激光器最大输出功率为45kW，工业生产中应用的激光器输出功率范

围约在700W至12kW之间。

我国目前可以自主生产的快轴流激光器最大输出功率为3kW。

(2)Nd:YAG激光器

Nd:YAG激光可以通过光纤传输，在柔性制造系统或远程加工场

合更具有适应性。目前国外Nd：YAG激光器的最大输出功率达10kW，

而包括汽车在内的工业生产中应用较多的则是3kW和4kW的Nd:YAG

激光器。最近几年，半导体泵浦的Nd:YAG激光器制造技术有了飞速

发展，最大输出功率已经达到和氙灯泵浦的Nd:YAG激光器同样级别。

例如，Trumpf公司生产的氙灯泵浦Nd:YAG激光器的输出功率最大

为5500W，而半导体泵浦的Nd:YAG激光器最大输出功率已达到

6000W。
我国在大功率Nd:YAG激光器技术方面还相当落后，目前还不能

自主生产千瓦级Nd:YAG激光器。

(3)半导体激光器

半导体激光器具有波长短、重量轻、转换效率高、运行成本低、

寿命长的特点，是未来激光器发展的重要方向之一。国外学者已经开

始了利用大功率半导体激光器进行铝合金焊接的研究工作，可以获得

2mm的焊接熔深。但半导体激光器面临的最大问题是光束模式差，光

斑大，因此功率密度较低，这是半导体激光器今后用于工业生产必须

解决的问题。

2.2激光焊接过程监测与质量控制

激光焊接过程监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展

的一个重要内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，

通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，

实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控

制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。

图1激光焊接过程检测原理示意图

(1)激光焊接过程监测

利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是

常用和有效的方法，如图1所示。根据检测信号的不同，激光焊接

质量检测主要包括以下几种方式：

1)光信号检测。检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括

工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来

看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用

的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机，以及光谱

分析仪等。

2)声音信号检测。检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振

荡和声发射。
3)等离子体电荷信号。检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子

体的电荷。

利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变

化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表

明，利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速

度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引

起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、

驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质

量，例