激光深熔焊工(gōng)艺在铝車(chē)身上的集成应用(yòng)

汽車(chē)轻量化能(néng)有(yǒu)效地节约油耗、减少排放，在日益严峻的环境和能(néng)源形势下，各大汽車(chē)企业都在不断积极探索汽車(chē)轻量化方案。

铝和铝合金材料具(jù)有(yǒu)比重小(xiǎo)、塑性好、比强度高（0.113N/kg）、导热性能(néng)好、化學(xué)性能(néng)以及减重效果好（25%～40%）等一系列优良的使用(yòng)特性。因此，近年来，越来越多(duō)的企业选择了采用(yòng)铝及铝合金材料替代普通碳钢的車(chē)身轻量化技(jì )术路線(xiàn)。美國(guó)、德(dé)國(guó)、英國(guó)等先后开发出标志(zhì)性铝基轻量化产(chǎn)品A8、XFL等。奇瑞 eQ1 上市，标志(zhì)着國(guó)内首款全铝車(chē)身诞生。

為(wèi)显著提升纯電(diàn)动汽車(chē)行业的制造技(jì )术水平，满足大批量定制化制造和产(chǎn)品市场定位，基于奇瑞新(xīn)能(néng)源eQ1产(chǎn)品的绿色关键制造工(gōng)艺激光深熔焊技(jì )术，目的就是要解决当前纯電(diàn)动汽車(chē)制造自动化、绿色制造、产(chǎn)品一致性等问题，促进先进技(jì )术与制造业融合，保证本公(gōng)司产(chǎn)品的可(kě)持续发展和竞争力。

激光器的选择

常见的激光器种类，按其工(gōng)作(zuò)介质(zhì)分(fēn)為(wèi)五类，分(fēn)别是：气體(tǐ)、固體(tǐ)、半导體(tǐ)、染料以及光纤。

1.气體(tǐ)激光器

气體(tǐ)激光器可(kě)以是纯气體(tǐ)，也可(kě)以是混合气體(tǐ)。最常见的CO2激光器具(jù)有(yǒu)峰值功率高、光束集中(zhōng)、功率可(kě)选范围大、连续和脉冲兼具(jù)、波長(cháng)范围广（9000～12 000nm）以及體(tǐ)积小(xiǎo)等优势，多(duō)应用(yòng)于军事、材料切割等。

2.固體(tǐ)激光器

固體(tǐ)激光器的特征是高功率稳定性、输出功率连续可(kě)调节，高光束质(zhì)量，工(gōng)作(zuò)性能(néng)可(kě)靠，激光器寿命長(cháng)，可(kě)長(cháng)时间连续工(gōng)作(zuò)。電(diàn)源自带过热、限流保护電(diàn)路，TEC及激光头风扇制冷，可(kě)外接信号发生器进行高速调制（TTL调制及模拟调制）。可(kě)实现加载单模/多(duō)模光纤耦合输出，耦合效率高，操作(zuò)方便，光纤可(kě)拆卸更换。

采用(yòng)多(duō)级串联来实现高功率输出，目前平均功率最高可(kě)达到上600～800W，重频可(kě)达80～200次/s，单脉冲能(néng)量可(kě)达80J。主要应用(yòng)：校准光路、荧光激发、光谱分(fēn)析、光電(diàn)检测、干涉实验及拉曼实验等。

3.半导體(tǐ)二极管激光器

半导體(tǐ)二极管激光器利用(yòng)電(diàn)子发光，用(yòng)半导體(tǐ)晶體(tǐ)的解理(lǐ)面形成两个平行反射镜面作(zuò)為(wèi)反射镜，组成谐振腔，使光振荡和反馈，产(chǎn)生光束放大，输出激光。应用(yòng)场景：荧光激发、光谱分(fēn)析、材料、细胞、肿瘤、活體(tǐ)照射及光动力治疗等。

4.染料激光器

染料激光器具(jù)有(yǒu)输出波長(cháng)可(kě)调功能(néng)。它是光谱范围0.4～1.4μm可(kě)调的窄带宽激光器，通过混频技(jì )术获得紫外到中(zhōng)红外波段的可(kě)调谐相干光。主要用(yòng)于高光谱特征参量与光谱库研究。

5.光纤激光器

光纤激光器应用(yòng)领域较多(duō)，包括空间遠(yuǎn)距离通讯、千兆光纤通讯仪、船舶、汽車(chē)、切割、打标、钻孔、焊接、医(yī)疗器械及基建等。玻璃光纤具(jù)有(yǒu)成本低、应用(yòng)成熟、产(chǎn)品空间尺寸小(xiǎo)及质(zhì)量轻等优点；它不需要像晶體(tǐ)一样对入射光进行相对严格的相位匹配，原因是玻璃基體(tǐ)的星分(fēn)裂引起的不均匀加宽导致了宽吸收带。

材料體(tǐ)积比极低，功耗低，热量去除快，交换效率高，阈值低；输出的激光波長(cháng)多(duō)。这是因為(wèi)稀土离子能(néng)级非常丰富，而且有(yǒu)多(duō)种稀土离子。由于这种激光器谐振腔内没有(yǒu)透镜，不需要调整焦距而且免维护，应用(yòng)场景较為(wèi)普遍。光纤输出形式使得激光器能(néng)够容易适应3D空间应用(yòng)，能(néng)适应恶劣的环境，对振动、沾污、冲击及温湿度有(yǒu)很(hěn)好的耐受性。

只需简单的风冷。各类激光器各有(yǒu)特点，需要结合铝合金框架車(chē)身所用(yòng)材料的特点并结合投资成本、维护成本等方面综合考虑，进行充分(fēn)的验证和对比，从而选择合适的激光器类型。

1.激光器参数的选择

1. 激光器功率激光功率是激光焊接中(zhōng)的一个关键因素，使用(yòng)激光来焊接金属和非金属已经成熟应用(yòng)，其中(zhōng)存在一个激光光束能(néng)量密度阈值，低于该阈值，熔透很(hěn)浅，大于或等于此值，穿透性将大大增加。激光功率超过能(néng)量阈值（也就是激光问题高），空气会产(chǎn)生离子，产(chǎn)生稳定可(kě)靠的高深宽比焊缝。

2. 当功率小(xiǎo)于能(néng)量阈值，焊接熔深不足，焊缝连接强度不足。而当激光功率接近形成小(xiǎo)孔的临界条件时，激光深熔焊和热传导焊不间断运行，导致焊缝熔深波动很(hěn)大。使用(yòng)激光深熔焊工(gōng)艺时，功率和速度与焊缝熔深有(yǒu)关系。焊接的熔深直接与光束功率密度有(yǒu)关。

深熔焊和导電(diàn)焊交替进行，成為(wèi)不稳定的焊接过程，导致熔透波动较大。激光深熔焊过程中(zhōng)，激光功率可(kě)以同时控制熔深和焊接速度。熔透率与入射光束的功率密度直接相关，是入射光束功率和光束焦点的函数。一般来说，对于一定直径的激光束，穿透深度随光束功率的增加而增大。

2.激光脉冲波形针对高反射率材料，使用(yòng)激光进行焊接必然会产(chǎn)生60%～85%的能(néng)量损失，通过调整激光脉冲宽度参数，可(kě)有(yǒu)效抑制能(néng)量损失。在激光脉冲信号处理(lǐ)过程中(zhōng)，高光金属的反射率随焊接时间变化。当被焊接零件材料达到熔点时，反射率会快速下降，当被焊接零件表面形成焊缝熔池时，材料反射率会稳定下来。

多(duō)数高光材料能(néng)量输入开始阶段反射率高，一般采用(yòng)前置尖峰的激光输出波形，利用(yòng)波形出现尖峰使激光温度提升至熔点，减少反射率。对于黑金属材料，材料反射率低一般采用(yòng)平整的波形。在应用(yòng)中(zhōng)需根据材料表面特性不同，对脉冲波形进行调整。

3.激光脉冲宽度

激光脉冲宽度主要由焊缝深度与宽度确定，脉冲宽度越長(cháng)热影响區(qū)越大，焊缝深度是随着脉冲宽度的0.5次方增加。但脉宽的加大峰值功率会降低，此方法主要用(yòng)于激光热传导焊接形式，焊缝形貌尺寸深宽比低，用(yòng)于两种板材厚度差异较大的搭接焊。但低的峰值功率使得激光功率损失较大。通过实验可(kě)得出，各种材料熔深达到最大时最佳脉冲宽度参数。

4.光斑直径

光斑直径决定激光的能(néng)量密度的聚焦程度。但对于功率较高的激光束，目前对光斑尺寸的测量是个难题，目前已经有(yǒu)一些间接测量方法。根据衍射理(lǐ)论，可(kě)以计算出光束聚焦的衍射极限光斑大小(xiǎo)。但由于焦距透镜存在像差，实际光斑尺寸大于计算值。常用(yòng)的测量方法是等温剖面法，即燃烧厚纸和穿透PP板后测量焦点和射孔直径。采用(yòng)此手段要有(yǒu)一定经验，在测量过程中(zhōng)掌握好激光的功率和激光的作(zuò)用(yòng)时间。

5.激光透镜焦距

焊接时需对激光进行聚焦，常采用(yòng) 62～253mm焦距的镜头。焦斑的大小(xiǎo)与焦距的关系成正比，焦距变短，光斑变小(xiǎo)。但焦距也影响震源深度，也就是说，震源深度增加焦距也随之增加，因此短焦距可(kě)以增加功率能(néng)量，但由于震源深度很(hěn)小(xiǎo)，镜头和工(gōng)件之间的距离较大，且熔深较小(xiǎo)。由于焊接过程中(zhōng)的受熔池飞溅影响，实际焊接使用(yòng)的最短焦深一般為(wèi)126mm。

当连接零件之间存在较大缝隙时，可(kě)增加激光光斑尺寸，一般采用(yòng)254mm焦距的镜头。為(wèi)了达到焊接小(xiǎo)孔效果，可(kě)提高焊接激光输出的功率能(néng)量。当功率超过2kW时，尤其是CO2激光束10.6μm，由于透镜采用(yòng)精(jīng)密材料构成，為(wèi)了避免聚焦透镜光學(xué)损坏的风险，一般采用(yòng)反射聚焦方法，通常使用(yòng)抛光铜镜子反射器。由于其冷却效果好，常被推荐用(yòng)于大功率激光聚焦。

铝及铝合金材料具(jù)有(yǒu)高反射性，选择激光器参数时需采用(yòng)与之匹配的参数。除此之外，投资成本也是一个不得不考虑的问题，按目前國(guó)内市场的行情，一台3kW激光器的价格大约在150万～180万元，应在满足焊接要求的同时，选择尽可(kě)能(néng)低的功率，以保证最终的投资效益。