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[摘 要]激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广泛，成为未来制造系统共同的加工手段，其激光焦点的功率密度为104～107W/cm2，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功率密度和峰值功率。这种焊接工艺在未来工业事业中将会得到广泛的应用与研究。
[关键词]激光焊接 质量控制 工艺加工
中图分类号：TE838 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0385-01
1 引言
激光焊接與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，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。
1.1 激光焊接的一般特点
激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，有许多优点：
（1）激光束激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度合金材料；
（2）激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；
（3）激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；
（4）激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；
（5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；
（6）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；
（7）激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；
（8）激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。
1.2 汽车构件及复盖件的组合
轿车车身都采用金属构件和复盖件的分块组合。将各种预先制好的结构件，例如风窗立柱门立柱、门上横、前后冀子板、前后围板、顶盖等零部件通过焊接和铆接的方式进行组合装配。其中焊接是汽车装配流水线上不可缺少的工序。车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加在点焊电极上的电流将零件的接觸表面熔化，然后在压力作用下连接在一起，主要用于车身构件及车架的焊接。激光打标机，激光打标机缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极，滚轮电极传递焊接电流和压力，其转动与零件的移动相互协调，产生连续的焊缝，主要用于密封性焊接或缝点焊工件，二氧化碳焊是一种电弧焊，即局部加热来熔化和连接零件而不需要施压的一种焊接方法，在电极与工件之间的电弧作为热源，同时施加二氧化碳遮住电弧和熔化区，使之与大气隔开，主要用于车身蒙皮的焊接。
2 激光焊接工艺与方法
2.1 双、多光束焊接
双、多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。
2.2 激光电弧复合焊
激光电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存在的间隙适应性差，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光-电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法，利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激光-电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。
2.3 激光技术采用偏光镜反射
激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工件，工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，激光打标机，激光焊接机。一类是固体激光器，又称Nd：YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd：YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd：YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。
3 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。
3.1 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。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。
3.2 激光焊接过程控制
激光焊接过程控制的主要内容是对焊接工艺参数控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。
4 激光焊接汽车工业应用
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。目前用激光焊接技术，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，零件焊接部位几乎没有变形，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、车门铰链等。
5 结论
激光焊接技术是一种高新技术，由于其独有的特点，特别适合在传感器密封焊中使用，为提高国内传感器整体水平以及发展民族激光产业，我国的传感器生产厂家应尽快采用国产激光焊接机来生产加工传感器，以增加产品竞争力，开拓国际市场。
[关键词]激光焊接 质量控制 工艺加工
中图分类号：TE838 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）21-0385-01
1 引言
激光焊接與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，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。
1.1 激光焊接的一般特点
激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，有许多优点：
（1）激光束激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度合金材料；
（2）激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可调，可以多种焊接加工；
（3）激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制，焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；
（4）激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；
（5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；
（6）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；
（7）激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操作方便；
（8）激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。
1.2 汽车构件及复盖件的组合
轿车车身都采用金属构件和复盖件的分块组合。将各种预先制好的结构件，例如风窗立柱门立柱、门上横、前后冀子板、前后围板、顶盖等零部件通过焊接和铆接的方式进行组合装配。其中焊接是汽车装配流水线上不可缺少的工序。车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加在点焊电极上的电流将零件的接觸表面熔化，然后在压力作用下连接在一起，主要用于车身构件及车架的焊接。激光打标机，激光打标机缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极，滚轮电极传递焊接电流和压力，其转动与零件的移动相互协调，产生连续的焊缝，主要用于密封性焊接或缝点焊工件，二氧化碳焊是一种电弧焊，即局部加热来熔化和连接零件而不需要施压的一种焊接方法，在电极与工件之间的电弧作为热源，同时施加二氧化碳遮住电弧和熔化区，使之与大气隔开，主要用于车身蒙皮的焊接。
2 激光焊接工艺与方法
2.1 双、多光束焊接
双、多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接的质量高低是相辅相成的。
2.2 激光电弧复合焊
激光电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求，激光焊接本身存在的间隙适应性差，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光-电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法，利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
激光与电弧复合焊的方法包括两种，即旁轴复合焊和同轴复合焊。旁轴激光-电弧复合焊方法实现较为简单，但最大缺点是热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，难以用于曲线或三维焊接。而激光和电弧同轴的焊接方法则可以形成一种同轴对称的复合热源，大大提高焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。
2.3 激光技术采用偏光镜反射
激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工件，工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，激光打标机，激光焊接机。一类是固体激光器，又称Nd：YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd：YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd：YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。
3 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。
3.1 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。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。
3.2 激光焊接过程控制
激光焊接过程控制的主要内容是对焊接工艺参数控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。
4 激光焊接汽车工业应用
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。目前用激光焊接技术，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，零件焊接部位几乎没有变形，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、车门铰链等。
5 结论
激光焊接技术是一种高新技术，由于其独有的特点，特别适合在传感器密封焊中使用，为提高国内传感器整体水平以及发展民族激光产业，我国的传感器生产厂家应尽快采用国产激光焊接机来生产加工传感器，以增加产品竞争力，开拓国际市场。