铝合金车身激光焊接工艺设计
前言
1 激光焊接原理：
光子轰击金属外表形成蒸汽蒸发金属防止剩余金属金属反射掉果焊金属良导热性会较熔深激光材料外表反射透射吸收质光波电磁场材料相互作结果激光光波入射材料时材料中带电粒子着矢量3步调振动光子辐射变成电子动物质吸收激光首先产生某质点量量束缚电子激发者量声子原始激发定程转化热
2 激光分类：
分连续激光焊脉激光焊连续激光焊焊接程中形成条连续焊缝脉激光焊接时输入工件量断续脉激光脉焊接程中形成圆形焊点
3 激光焊接设备技术参数：
激光焊接设备包括：激光器光束传输聚焦系统气源电源工作台控制系统
技术参数包括：激光波长输出量重复率脉宽度激光工作物质尺寸
激光应：
4 汽车车身制造方面应：
汽车车身整汽车零部件载体车身制造质量优劣整车质量起着决定性作汽车车身制造方面激光焊接成种固定成形方法适量体裁衣制造半成品世界著名汽车公司宝马通福特田丰田菲亚特雷诺沃尔沃克莱斯勒公司等广泛采激光拼焊工艺生产轿车车身均激光拼焊板压成国武汉钢铁公司采激光焊接技术进行汽车超宽钢板拼接
激光拼焊23 块精确裁剪物理化学性外表状态厚度相板材拼焊起然种半成品压成车身零件采激光拼焊工艺获焊缝质量优良焊缝转接较稳车身零部件抗击性抗疲劳性显著改善
总说激光焊接技术车身制造中应减少结构件零配件数量减轻汽车质量提高车身尺寸精度耐腐蚀力增加汽车结构性稳定性安性改善车身质量前提仅减少装配工作量减少成型工具压机工装投资运输储存金属材料费节约制造钱
5 铝合金激光焊接技术研究现状
51开展前景：
铝合金激光高反射身高导热性铝合金激光焊接激光器输出功率光束质量求高铝合金激光焊接技术开展必然激光器开展紧密联系起功率CO2 激光器光束质量改善短波长YAG激光器输出功率提高改善铝合金激光焊接性 采双光束光束激光焊接技术通扩激光焊接孔开口提高焊接程中稳定性改善焊缝成型
针铝合金激光焊接程稳定性焊缝质量问题前国际铝合金激光焊接研究热点采谓复合工艺激光电弧焊接结合起种复合工艺早20 世纪70 年代末已提出电弧引入增加焊接热输入必然焊接热影响区热变形增激光电弧〞种复合工艺铝合金焊接方面否具工业应前景需深入研究
发现CO2 激光熔池中存幅度安培固电流焊接区施加定外磁场影响熔池流动状态采某种形式外磁场改善铝合金激光焊接程稳定性焊缝质量
外采辅助电流铝合金激光焊接技术通附加电极通填充焊丝焊接熔池提供辅助电流助辅助电流熔池中产生电磁力控制熔池流动状态实现熔池中热量重新分配达强化激光量效利率提高加工效率目时利辅助电流焊接熔池中形成磁流体效应熔池动乱定运动变序控改善焊接程稳定性提高焊缝质量通试验证明 焊缝深度高增加约32 面积增加约20 焊缝宽度减少约28 技术未铝合金激光焊接中起重作
激光焊接技术开展天逐步取代传统焊接方法趋势已逆转21 世纪激光焊接技术材料领域必起关重作前持续开展战略已成国济开展重战略节环保已成科研工作两题铝合金成航空航天汽车工业中种非常竞争力材料德国日等公司已投入巨资进行激光焊接
铝合金研究
铝合金激光焊接技术中工艺十分成熟存问题解决着研究深入铝合金激光焊接工艺参数进步优化
52 铝合金焊接特点
铝合金重量轻强度高耐腐蚀性磁性成形性低温性等特点广泛应种焊接结构产品中采铝合金代钢板材料焊接结构重量减轻50 铝合金焊接难点 ①铝合金焊接接头软化严重强度系数低阻碍铝合金应障碍 ②铝合金外表易产生难熔氧化膜（Al2O3 熔点2060 ℃） 需采功率密度焊接工艺 ③铝合金焊接容易产生气孔 ④铝合金焊接易产生热裂纹 ⑤线膨胀系数易产生焊接变形 ⑥率铝合金热导（约钢4 倍） 相焊接速度热输入焊接钢材2～4 倍铝合金焊接求采量密度焊接热输入焊接速度高高效焊接方法
53 铝合金激光焊接
铝铝合金激光焊接技术（Laser Welding） 十年开展起项新技术传统焊接工艺相具功强性高需真空条件效率高等特点功率密度热输入总量低等热输入量熔深热影响区焊接变形速度高易工业动化等优点特热处理铝合金较应优势提高加工速度极降低热输入提高生产效率改善焊接质量焊接高强度厚度铝合金时传统焊接方法根单道焊透激光深熔焊时形成深度匙孔发生匙孔效应实现激光焊接铝合金优点 ①量密度高热输入低热变形量熔化区热影响区窄熔深 ②冷速度高微细焊缝组织接头性良 ③接触焊相激光焊电极减少工时钱 ④需电子束焊时真空气氛保护气压力选择焊工件形状受电磁影响产生X 射线 ⑤密闭透明物体部金属材料进行焊接 ⑥激光光导纤维进行远距离传输工艺适应性配合计算机机械手实现焊接程动化精密控制
现应激光器CO2 YAG 激光器CO2 激光器功率求功率厚板焊接拟适合铝合金外表CO2 激光束吸收率拟焊接程中造成量量失YAG激光般功率拟铝合金外表YAG激光束吸收率相CO2激光较光导纤维传导适应性强工艺安排简单等采YAG激光器焊接
焊接厚度铝合金时传统焊接方法根单道焊透激光深熔焊时形成深度匙孔发生匙孔效应实现图1激光焊接时孔形状图2激光深熔焊示意图
图1 激光焊接时孔
图2 激光深熔化焊
铝铝合金激光焊接难点铝铝合金辐射吸收弱CO2 激光束（波长10 6μm） 外表初始吸收率1 7 YAG激光束（波长1 06 μm）吸收率接5图3 金属激光吸吸收率热收率导率高实际铝合金焊接程中定保证良光束聚焦时高功率密度高激光束进行射铝合金激光焊接时产生深熔焊激光功率必须达特定阈值激光器提出定求激光焊接难点铝合金电离低局部牌号焊接程中光致等离子体易热扩散焊接稳定性差焊接铝合金定求激光束量密度高光束聚焦性铝合金典型晶合金 激光焊接快速凝固程中更容易产生热裂纹激光焊接熔池深宽气泡易浮析出容易产生气孔液态铝合金流动性外表张力低焊接程稳定造成焊接熔池剧烈震荡易产生咬边成形连续严重时造成焊接程中孔突然闭合焊缝中产生直径较工艺孔洞（Process Holes） 孔闭合前外喷发等离子体液态金属吹出熔池形成谓喷射孔洞
图3 金属激光吸收率
54 YAG激光焊接
激光焊接利激光束优异方性高功率密度等特点进行工作通光学系统激光束聚焦区域极短时间焊处形成量高度集中热源区焊物熔化形成牢固焊点焊缝
常激光焊接方式两种：脉激光焊连续激光焊前者单点固定连续薄件材料焊接者厚件焊接切割
l激光焊接加工方法特征
A非接触加工需工件加压进行外表处理
B焊点量密度高适合高速加工
C短时间焊接外界热影响材料身热变形热影响区尤适合加工高熔点高硬度特种材料
D需填充金属需真空环境〔空气中直接进行〕会电子束样空气中产生X射线危险
E接触焊工艺相．电极工具等磨损消耗
F加工噪音环境污染
G微工件加工外通透明材料壁进行焊接
H通光纤实现远距离普通方法难达部位路时分时焊接
I容易改变激光输出焦距焊点位置
J容易搭载动机机器装置
K带绝缘层导体直接进行焊接性相差较异种金属焊接
二 焊接工艺：
1缝材料求钢铝激光焊焊接材料选择
11焊缝材料求
1防锈性稳定2较延展性3钢材润湿性4钢材焊缝材料连接性5铝材焊缝材料混性
12 钢铝激光焊焊接材料选择
元素钢材润湿性CuNiCoVCaAgAsAu等 关键铝材润湿性图1示钢铝连接性金属图中相交位置发现CrMnZnSiAg金属钢铝连接性镀锌钢板铝合金连接 应先考虑锌基焊接材料锌基合金制作填丝焊缝材料
锌铝合金言材料性ZnAl6~ZnAL223间获相ZnAl5言富Alα混合晶体 ZnAl22富Alβ混合晶体连接时局部铝材会熔化考虑ZnAl2作填丝 ZnAl6~ZnAl223间焊缝材料
图4 钢铝连接性金属
合金元素〔Mg〕 提高锌铝合金抗腐蚀性合金中w〔Mg〕005Cu通混合晶体生成提高强度蠕变特性 抗腐蚀性改善作w〔Ag〕1~5改善ZnAl合金变形性Bi增加ZnAl合金润湿性研究ZnAl ZnAlAg ZnAlBiZnAlCu合金性作焊丝焊缝材料性
2 钢铝薄板激光焊接程
母材中镀锌钢板采DX56D+Z 铝板采AA6016〔〕改良材料品种AC120PXT4状态未热处理状态力学性测试结果图示叠接构件尺寸图4示中钢板厚09mm铝板厚11mm
图5 钢板—铝板ZnAl5力学性
图6 钢板—铝板叠接构件尺寸图
3 Zn基合金材料性测定
31 ZnAl合金性
种ZnAl合金ZnAl混合成维氏硬度抗拉
强度伸长率图7图8示：
图7 ZnAl合金硬度
图8 合金抗拉强度伸长率
32 ZnAl合金力学性
ZnAl2合金ZnAl2熔化参加AgBi制成力学性见表1
表1 合金力学性
33 ZnAl4合金力学性
ZnAl4合金ZnAl4熔化参加Cu制成力学性见表2
表2 ZnAl4合金力学性
34 ZnAl20合金力学性
ZnAl20合金ZnAl20熔化参加AgBi制成力学性见表3
表3 ZnAl20合金力学性
4 ZnAl基合金焊缝材料性测定
41 ZnAl基合金焊缝材料成分性
ZnAl基合金作焊丝 激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表0针焊缝材料测出硬度整焊接接头〔长230mm宽200mm〕测出拉力轴拉伸变形ZnAl2ZnAl4ZnAl20合金焊缝材料力学性测试相
表4 ZnAl基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
42 ZnAl2基合金焊缝材料成分性
ZnAl2基合金分添加AgBi作焊丝激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表5
表5 ZnAl2基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
43 ZnAl4基合金焊缝材料
ZnAl4基合金添加Cu作焊丝激光焊接形成焊缝材料接头力学性见表6
表6 ZnAl4基合金焊缝材料力学性
44 ZnAl20基合金焊缝材料
ZnAl20基合金添加AgBi作焊丝激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表7
表7 ZnAl20基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
数显示ZnAl2作焊丝焊缝材料性正确拉力88KN轴伸长67 MM
〔1〕 锌铝2种金属合金铝含量增加 强度增加ZnAl20塑性AgCuBi增加锌铝合金硬度ZnAl2合金中参加Ag增加抗拉强度ZnAl2合金中参加
Ag效果明显Cu参加提高合金强度伸长率减塑性变差ZnAl2合金中Bi参加强度塑性ZnAl2合金参加w〔Bi〕05强度影响塑性减少
〔2〕锌铝合金作焊丝采NdYAG激光束连接钢板铝板〔叠接〕时ZnAl2焊丝焊缝材料抗拉强度塑性ZnAl4Cu作焊丝焊缝材料ZnAl4相强度塑性差 硬度提高参加Ag硬度加降低强度塑性Bi参加般硬度加塑性降低建议文情况采ZnAl2作焊丝添加AgCuBi
表3试验获力学性试验数表中出焊缝热影响区硬度母材高 焊缝中心硬度高 着两侧焊缝中心距离增 硬度呈抛物线降 母材趋稳定
表8试验获力学性数
焊缝断口微观形貌表现出明显韧性断裂特征断口部位呈现出许尺寸均匀次相 韧窝底部似行条纹六方马氏体滑移系特定晶体学关系决定
〔1〕Ti6Al4V合金热影响区晶粒略粗焊缝组织粗原始β相转变成片状长针状α相
〔2〕Ti6Al4V合金焊接接头抗拉强度母材高断口形貌表现塑性断裂特征
〔3〕Ti6Al4V合金焊接接头硬度母材略高焊缝中心母材渡呈抛物线状降
5 焊接结构焊缝组织：
图9 焊接部位
提高铝铝合金激光吸收率进行外表化学改性外表镀层外表涂层复合激光焊等研究连续电弧脉激光束复合够消焊缝区凝固裂纹
激光焊铝铝合金质量控制系统采参数线性回方法预测铝铝合金激光焊接时熔核直径形状喷溅情况
研究工艺参数间关系激光焊接质量影响找出焊接厚度铝铝合金正确工艺
铝合金激光焊接接头身性进行研究例铝合金进行混合气焊剂激光焊研究焊缝强度达母材90
焊接设备Rofin Sinar激光生产YAGDY044激光焊机 功率25KW激光焊焊接参数见表：
6 控制参数：
61 离焦量
离焦量指焦点偏离工件距离实质改变辐射工件外表功率密度起作止离焦方式两种焦面位工件方正离焦反负离焦离焦量影响材料外表熔化斑点直径熔池径深然正负离焦量相等时工件外表功率密度相等般说负离焦量时工件部功率密度外表处焦点处高量密度完全熔化母材获更熔深外焦点位置零工件喷嘴端部较保护气
流动路径缩短挺度增加利进步消等离子体增加熔深焊接程中般采负离焦激光器光束质量样焊接程中离焦量求样文中采300mm 焦距铜镜激光器光斑直径焦点处仅0 26mm 焦点处激光功率密度达5 2 ×106W cm2 添加电弧激光引导电弧够达激光孔焦点处量密度进步提高果继续采负离焦焦点处高密度全部熔化母材会形成量金属蒸汽喷射出金属蒸汽够吸收激光量造成等离子体屏蔽激光焊接程稳定反熔深减少激光功率1 5kW 送丝速度1 3m min
62 焊接速度
提高焊接速度然够稳定激光孔热输入降焊缝熔深会减少焊接速度熔滴渡稳定容易引起熔池稳定降低焊接速度加熔深假设焊接速度低熔深会增加反熔宽增会焊接程稳定容易造成飞溅复合焊维持孔存动力金属蒸汽反压力焊接速度低定程度热输入增加熔化金属越越金属蒸汽产生反压力缺乏维持孔存时孔
仅加深甚会崩溃熔深会增定激光功率定厚度某特定材料适宜焊接速度范围中相应速度值时获熔深焊接速度等离子体形态焊接速度12m Min 时熔滴渡稳定射滴渡 焊接速度08m Min 时没观察孔存激光孔够维持身衡发生坍塌焊接速度1 时熔滴渡激光孔稳定
焊接速度复合焊熔深熔宽深宽影响激光功率1 5kW 送丝速度1 3mmin 离焦量+ 3mm DL A + 2mm
63 激光倾斜角度
激光功率1 5kW 送丝速度1 3 离焦量+2mm DL A + 2mm 焊接速度12 m min
采激光倾斜定角度防止反射回光损伤光镜次激光倾斜定角度减少等离子体激光量吸收提高激光量利率焊接程中形成等离子体般浮焊缝外表激光垂直入射等离子体激光吸收散射拟减弱激光利率倾斜定角度激光穿透等离子层深度会减少激光倾斜角度角度会激光直接作焊缝熔融金属熔深反会减少
64 机器姿态控制
焊缝走位置机器姿态控制难点容易造成机器行走时抖动影响送丝稳定性直接导致假焊焊料堆积缩孔焊接缺陷
需通两方面策加解决合理调节焊接工艺参数指送丝速度需根实际情况焊缝段适时加调整方根位置送丝速度拐角处均需降低送丝速度防止焊料堆积（焊缝突起） 需加快送丝速度焊料充分铺展浸润焊缝中达较连接效果二控制机器行走姿态必须反复调整机器姿态机器稳滑行走般说顶点处需设置三编程点直线插值方式控制机器行走轨迹外机器点行走精度圆（ Genau） 〞设置6mm时机器行走更加稳坡时送丝速度需进行适增加减防止焊料堆积浸润缺乏时通控制机器关节运动达倾角确定机器姿态指机器头部带ALO 聚焦镜头三方角度前倾角侧角度扭转角度角度影响送丝方焊丝熔化时流明显影响焊缝成型造成种样焊接缺陷假焊单边焊缩孔焊缝度凹陷焊料堆积等焊接程中需根焊接结果时机器姿态加调整断改善焊缝成型
7 全动激光焊接线工艺流程：拆垛→料→夹紧定位→激光焊接→焊缝检测→浅坑→堆垛
8 激光焊接辅助设备机器应技术：
机器焊装车间途分点焊机器弧焊机器涂胶机器螺柱焊机器装配持件机器激光焊接机器
激光焊接机器机器操激光加工镜组进行激光焊接激光源采CO2 激光器者YAG 激光器激光焊接设备非常复杂求机器重复精度高
图10 生产线三维布置图
9 铝合金激光焊接工艺特性难点
91光束反射改善方法：
铝合金激光焊难点铝合金激光高反射国外学者针问题已作量试验研究研究说明 进行适外表预处理砂纸磨外表化学浸蚀外表镀石墨涂层空气炉中氧化等降低光束反射改善光束量吸收文献中作者实验证明3 mm 厚外表形成氧化膜A6063 铝合金 1 mm 厚外表光洁A6063 铝合金吸收率显著增C A Huntington 等文献中详细研究铝原始外表（铣车加工） 喷砂（300 目砂纸） 电解抛光阳极氧化4种外表状况入射光束量吸收情况出结阳极氧化喷砂处理显著提高铝光束量吸收时研究接头坡口形状光束吸收率影响指出尖V 形坡口接头坡口方坡口接头吸收率高外焊接结构设计方面考虑通合理设计焊接缝隙增加铝合金外表激光量吸收（图10示） 原V 形坡口采图10结构相工制孔利孔效应形成获较熔深
图11 改变工件焊缝形状
92孔诱导〞稳定性
孔诱导〞稳定性铝合金激光焊接中特困难铝合金材料特性激光光学特性造成铝合金激光高反射率高导热性想诱导出孔必须更高量密度阈值研究说明 量密度阈值受合金成分控制保护气体种类影响专家学者做YAG激光焊接5083 铝合金试验试验说明热输入影响焊接程稳定性激光功率密度处孔形成界条件附时深熔焊传热焊交进行焊接程稳定性差保证起弧功率密度前提采取定措施通控制工艺参数减少热输入助获稳定焊接程 外保护气体影响焊接程稳定性采取适宜例成分混合保护气体控制流量维持稳定焊接程
10 焊接缺陷质量控制措施
铝合金激光焊接缺陷气孔问题气孔问题然解谜般认激光焊接冷程中氢溶解度急剧降形成氢气孔低熔点高蒸气压合金元素蒸发导致气孔激光束引起熔池金属波动匙孔稳定熔池金属紊流导致气孔生成气孔存会导致焊缝力学性气密性降研究说明材料外表态保护气体种类流量保护方法焊接参数焊缝形状影响气孔产生选择适宜外表处理措施加强保护采高功率高速度离焦量（负值） 焊接时气孔产生降低少热裂纹铝合金激光焊接时常见缺陷焊缝结晶裂纹HAZ 液化裂纹铝合金激光 焊接产生结晶裂纹焊缝金属结晶时柱状晶边界形成Al2Si Mg2Si Al2Mg2 Si 等低熔点晶导致激光焊接时焊缝细HAZ 窄特脉激光焊接总输入量低冷速度快液化裂纹易产生防止热裂纹产生铝合金激光焊接关键技术国外学者方面进行量研究工作研究说明调整焊缝金属成分填加Si 减少裂纹定处填充材料采效防止焊接热裂纹提高接头强度外脉点焊时调节脉波形控制热输入样减少结晶裂纹图11示采波形焊缝熔化凝固重复进行降低熔池凝固时凝固速度
图12 减少裂纹脉波形
11 检测方法容
1 焊接程稳定性检测
焊接程稳定性实时检测早开始激光焊接质量监测容包括焊接模式变化焊接程扰动变化检测等般仅简单判断焊接质量 〞 坏〞根原理：定正常焊接信号参考值般信号时域幅值利信号频域特性功率谱作参考值焊接程中实时估计检测信号定值间偏差偏差超出定范围时认焊接程焊缝质量发生变化时容易出现焊接缺陷
2 装配质量检测
装配质量实时检测方法分两类激光材料作前线检测焊缝般采机器视觉获取焊缝二维三维图通图处理提取焊缝间隙错变量焊缝中心位置等信息进步实时调整工艺参数焊接头相位置焊接质量进行实时控制二激光材料相互作时采集焊接程中关信号通定信号分析手段判断焊接发生时否存间隙错变光束焊缝中等引起质量问题种检测方法般焊接程实时控制焊接程中紫外信号置角度路红外信号进行检测分析通模糊逻辑实现光束焊缝中问题识
3 离焦量检测
焊接程中离焦量线检测两种方法：种利喷嘴作传感器检测喷嘴等离子体电荷信号通电荷信号离焦量变化规律实现离焦量线检测闭环控制种方法效前提条件焊接喷嘴工件距离唯决定离焦量数情况种前提成立种方法通光电传感器检测焊接程中光信号离焦量分析光信号变化特性实现焦点位置实时检测控制两位置焊接程中等离子体光辐射信号进行步检测分析发现等离子体光信号离焦量变化规律
4 焊缝熔深检测
焊缝熔深激光深熔焊重质量指标实时检测研究分两类类针穿透激光深熔焊进行通检测焊接程种信号实现熔透状态检测识方面数研究仅够未熔透完全熔透两种熔透状态进行识熔深稳定性进行实时监测少数学者熔透状态作进步细化分类实时监测技术进行研究
5 熔池孔监测
焊缝质量根熔池孔决定然激光深熔焊程中存强烈等离子体弧光干扰直接观察熔池孔状态造成极障碍着年机器视觉技术断进步激光焊接熔池孔行直接观测提供
6 焊缝外表形貌检测
焊缝外表形貌检测指焊缝堆高凹检测焊缝程度存定尺寸堆高凹堆高易造成咬边焊件服役程中该处容易形成应力集中失效凹容易形成应力集中外会导致强度降投入激光焊件焊缝堆高凹程度必须定范围
7 焊接缺陷检测
焊接深熔程中缺陷气孔少数学者线检测技术进行研究通检测焊程超声波信号气孔缺陷识技术进行定程度研究通采集脉激光点焊熔池红外辐射信号结合数字模拟焊缝热影响区进行非破坏性测量
参 考 文 献
[1]谢兴华激光加工技术汽车工业生产中应[J]激光集锦1997（3）13
[2] 骆红胡伦骥黄树槐等 铝合金激光焊接[J]激光技术199822（2）9497
[3] 朱宏金忠华铝铝合金激光焊接技术研究现状[J]电子工艺技术199718（4）129132
[4]樊丁余淑荣张建斌等激光焊接开展现状动[J]甘肃工业学学报200319（1）1518
[5]关正中编激光加工手册中国计量出版社109116
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前言
1 激光焊接原理：
光子轰击金属外表形成蒸汽蒸发金属防止剩余金属金属反射掉果焊金属良导热性会较熔深激光材料外表反射透射吸收质光波电磁场材料相互作结果激光光波入射材料时材料中带电粒子着矢量3步调振动光子辐射变成电子动物质吸收激光首先产生某质点量量束缚电子激发者量声子原始激发定程转化热
2 激光分类：
分连续激光焊脉激光焊连续激光焊焊接程中形成条连续焊缝脉激光焊接时输入工件量断续脉激光脉焊接程中形成圆形焊点
3 激光焊接设备技术参数：
激光焊接设备包括：激光器光束传输聚焦系统气源电源工作台控制系统
技术参数包括：激光波长输出量重复率脉宽度激光工作物质尺寸
激光应：
4 汽车车身制造方面应：
汽车车身整汽车零部件载体车身制造质量优劣整车质量起着决定性作汽车车身制造方面激光焊接成种固定成形方法适量体裁衣制造半成品世界著名汽车公司宝马通福特田丰田菲亚特雷诺沃尔沃克莱斯勒公司等广泛采激光拼焊工艺生产轿车车身均激光拼焊板压成国武汉钢铁公司采激光焊接技术进行汽车超宽钢板拼接
激光拼焊23 块精确裁剪物理化学性外表状态厚度相板材拼焊起然种半成品压成车身零件采激光拼焊工艺获焊缝质量优良焊缝转接较稳车身零部件抗击性抗疲劳性显著改善
总说激光焊接技术车身制造中应减少结构件零配件数量减轻汽车质量提高车身尺寸精度耐腐蚀力增加汽车结构性稳定性安性改善车身质量前提仅减少装配工作量减少成型工具压机工装投资运输储存金属材料费节约制造钱
5 铝合金激光焊接技术研究现状
51开展前景：
铝合金激光高反射身高导热性铝合金激光焊接激光器输出功率光束质量求高铝合金激光焊接技术开展必然激光器开展紧密联系起功率CO2 激光器光束质量改善短波长YAG激光器输出功率提高改善铝合金激光焊接性 采双光束光束激光焊接技术通扩激光焊接孔开口提高焊接程中稳定性改善焊缝成型
针铝合金激光焊接程稳定性焊缝质量问题前国际铝合金激光焊接研究热点采谓复合工艺激光电弧焊接结合起种复合工艺早20 世纪70 年代末已提出电弧引入增加焊接热输入必然焊接热影响区热变形增激光电弧〞种复合工艺铝合金焊接方面否具工业应前景需深入研究
发现CO2 激光熔池中存幅度安培固电流焊接区施加定外磁场影响熔池流动状态采某种形式外磁场改善铝合金激光焊接程稳定性焊缝质量
外采辅助电流铝合金激光焊接技术通附加电极通填充焊丝焊接熔池提供辅助电流助辅助电流熔池中产生电磁力控制熔池流动状态实现熔池中热量重新分配达强化激光量效利率提高加工效率目时利辅助电流焊接熔池中形成磁流体效应熔池动乱定运动变序控改善焊接程稳定性提高焊缝质量通试验证明 焊缝深度高增加约32 面积增加约20 焊缝宽度减少约28 技术未铝合金激光焊接中起重作
激光焊接技术开展天逐步取代传统焊接方法趋势已逆转21 世纪激光焊接技术材料领域必起关重作前持续开展战略已成国济开展重战略节环保已成科研工作两题铝合金成航空航天汽车工业中种非常竞争力材料德国日等公司已投入巨资进行激光焊接
铝合金研究
铝合金激光焊接技术中工艺十分成熟存问题解决着研究深入铝合金激光焊接工艺参数进步优化
52 铝合金焊接特点
铝合金重量轻强度高耐腐蚀性磁性成形性低温性等特点广泛应种焊接结构产品中采铝合金代钢板材料焊接结构重量减轻50 铝合金焊接难点 ①铝合金焊接接头软化严重强度系数低阻碍铝合金应障碍 ②铝合金外表易产生难熔氧化膜（Al2O3 熔点2060 ℃） 需采功率密度焊接工艺 ③铝合金焊接容易产生气孔 ④铝合金焊接易产生热裂纹 ⑤线膨胀系数易产生焊接变形 ⑥率铝合金热导（约钢4 倍） 相焊接速度热输入焊接钢材2～4 倍铝合金焊接求采量密度焊接热输入焊接速度高高效焊接方法
53 铝合金激光焊接
铝铝合金激光焊接技术（Laser Welding） 十年开展起项新技术传统焊接工艺相具功强性高需真空条件效率高等特点功率密度热输入总量低等热输入量熔深热影响区焊接变形速度高易工业动化等优点特热处理铝合金较应优势提高加工速度极降低热输入提高生产效率改善焊接质量焊接高强度厚度铝合金时传统焊接方法根单道焊透激光深熔焊时形成深度匙孔发生匙孔效应实现激光焊接铝合金优点 ①量密度高热输入低热变形量熔化区热影响区窄熔深 ②冷速度高微细焊缝组织接头性良 ③接触焊相激光焊电极减少工时钱 ④需电子束焊时真空气氛保护气压力选择焊工件形状受电磁影响产生X 射线 ⑤密闭透明物体部金属材料进行焊接 ⑥激光光导纤维进行远距离传输工艺适应性配合计算机机械手实现焊接程动化精密控制
现应激光器CO2 YAG 激光器CO2 激光器功率求功率厚板焊接拟适合铝合金外表CO2 激光束吸收率拟焊接程中造成量量失YAG激光般功率拟铝合金外表YAG激光束吸收率相CO2激光较光导纤维传导适应性强工艺安排简单等采YAG激光器焊接
焊接厚度铝合金时传统焊接方法根单道焊透激光深熔焊时形成深度匙孔发生匙孔效应实现图1激光焊接时孔形状图2激光深熔焊示意图
图1 激光焊接时孔
图2 激光深熔化焊
铝铝合金激光焊接难点铝铝合金辐射吸收弱CO2 激光束（波长10 6μm） 外表初始吸收率1 7 YAG激光束（波长1 06 μm）吸收率接5图3 金属激光吸吸收率热收率导率高实际铝合金焊接程中定保证良光束聚焦时高功率密度高激光束进行射铝合金激光焊接时产生深熔焊激光功率必须达特定阈值激光器提出定求激光焊接难点铝合金电离低局部牌号焊接程中光致等离子体易热扩散焊接稳定性差焊接铝合金定求激光束量密度高光束聚焦性铝合金典型晶合金 激光焊接快速凝固程中更容易产生热裂纹激光焊接熔池深宽气泡易浮析出容易产生气孔液态铝合金流动性外表张力低焊接程稳定造成焊接熔池剧烈震荡易产生咬边成形连续严重时造成焊接程中孔突然闭合焊缝中产生直径较工艺孔洞（Process Holes） 孔闭合前外喷发等离子体液态金属吹出熔池形成谓喷射孔洞
图3 金属激光吸收率
54 YAG激光焊接
激光焊接利激光束优异方性高功率密度等特点进行工作通光学系统激光束聚焦区域极短时间焊处形成量高度集中热源区焊物熔化形成牢固焊点焊缝
常激光焊接方式两种：脉激光焊连续激光焊前者单点固定连续薄件材料焊接者厚件焊接切割
l激光焊接加工方法特征
A非接触加工需工件加压进行外表处理
B焊点量密度高适合高速加工
C短时间焊接外界热影响材料身热变形热影响区尤适合加工高熔点高硬度特种材料
D需填充金属需真空环境〔空气中直接进行〕会电子束样空气中产生X射线危险
E接触焊工艺相．电极工具等磨损消耗
F加工噪音环境污染
G微工件加工外通透明材料壁进行焊接
H通光纤实现远距离普通方法难达部位路时分时焊接
I容易改变激光输出焦距焊点位置
J容易搭载动机机器装置
K带绝缘层导体直接进行焊接性相差较异种金属焊接
二 焊接工艺：
1缝材料求钢铝激光焊焊接材料选择
11焊缝材料求
1防锈性稳定2较延展性3钢材润湿性4钢材焊缝材料连接性5铝材焊缝材料混性
12 钢铝激光焊焊接材料选择
元素钢材润湿性CuNiCoVCaAgAsAu等 关键铝材润湿性图1示钢铝连接性金属图中相交位置发现CrMnZnSiAg金属钢铝连接性镀锌钢板铝合金连接 应先考虑锌基焊接材料锌基合金制作填丝焊缝材料
锌铝合金言材料性ZnAl6~ZnAL223间获相ZnAl5言富Alα混合晶体 ZnAl22富Alβ混合晶体连接时局部铝材会熔化考虑ZnAl2作填丝 ZnAl6~ZnAl223间焊缝材料
图4 钢铝连接性金属
合金元素〔Mg〕 提高锌铝合金抗腐蚀性合金中w〔Mg〕005Cu通混合晶体生成提高强度蠕变特性 抗腐蚀性改善作w〔Ag〕1~5改善ZnAl合金变形性Bi增加ZnAl合金润湿性研究ZnAl ZnAlAg ZnAlBiZnAlCu合金性作焊丝焊缝材料性
2 钢铝薄板激光焊接程
母材中镀锌钢板采DX56D+Z 铝板采AA6016〔〕改良材料品种AC120PXT4状态未热处理状态力学性测试结果图示叠接构件尺寸图4示中钢板厚09mm铝板厚11mm
图5 钢板—铝板ZnAl5力学性
图6 钢板—铝板叠接构件尺寸图
3 Zn基合金材料性测定
31 ZnAl合金性
种ZnAl合金ZnAl混合成维氏硬度抗拉
强度伸长率图7图8示：
图7 ZnAl合金硬度
图8 合金抗拉强度伸长率
32 ZnAl合金力学性
ZnAl2合金ZnAl2熔化参加AgBi制成力学性见表1
表1 合金力学性
33 ZnAl4合金力学性
ZnAl4合金ZnAl4熔化参加Cu制成力学性见表2
表2 ZnAl4合金力学性
34 ZnAl20合金力学性
ZnAl20合金ZnAl20熔化参加AgBi制成力学性见表3
表3 ZnAl20合金力学性
4 ZnAl基合金焊缝材料性测定
41 ZnAl基合金焊缝材料成分性
ZnAl基合金作焊丝 激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表0针焊缝材料测出硬度整焊接接头〔长230mm宽200mm〕测出拉力轴拉伸变形ZnAl2ZnAl4ZnAl20合金焊缝材料力学性测试相
表4 ZnAl基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
42 ZnAl2基合金焊缝材料成分性
ZnAl2基合金分添加AgBi作焊丝激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表5
表5 ZnAl2基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
43 ZnAl4基合金焊缝材料
ZnAl4基合金添加Cu作焊丝激光焊接形成焊缝材料接头力学性见表6
表6 ZnAl4基合金焊缝材料力学性
44 ZnAl20基合金焊缝材料
ZnAl20基合金添加AgBi作焊丝激光焊接形成焊缝材料成分接头力学性见表7
表7 ZnAl20基合金焊缝材料成分〔质量分数〕〔〕力学性
数显示ZnAl2作焊丝焊缝材料性正确拉力88KN轴伸长67 MM
〔1〕 锌铝2种金属合金铝含量增加 强度增加ZnAl20塑性AgCuBi增加锌铝合金硬度ZnAl2合金中参加Ag增加抗拉强度ZnAl2合金中参加
Ag效果明显Cu参加提高合金强度伸长率减塑性变差ZnAl2合金中Bi参加强度塑性ZnAl2合金参加w〔Bi〕05强度影响塑性减少
〔2〕锌铝合金作焊丝采NdYAG激光束连接钢板铝板〔叠接〕时ZnAl2焊丝焊缝材料抗拉强度塑性ZnAl4Cu作焊丝焊缝材料ZnAl4相强度塑性差 硬度提高参加Ag硬度加降低强度塑性Bi参加般硬度加塑性降低建议文情况采ZnAl2作焊丝添加AgCuBi
表3试验获力学性试验数表中出焊缝热影响区硬度母材高 焊缝中心硬度高 着两侧焊缝中心距离增 硬度呈抛物线降 母材趋稳定
表8试验获力学性数
焊缝断口微观形貌表现出明显韧性断裂特征断口部位呈现出许尺寸均匀次相 韧窝底部似行条纹六方马氏体滑移系特定晶体学关系决定
〔1〕Ti6Al4V合金热影响区晶粒略粗焊缝组织粗原始β相转变成片状长针状α相
〔2〕Ti6Al4V合金焊接接头抗拉强度母材高断口形貌表现塑性断裂特征
〔3〕Ti6Al4V合金焊接接头硬度母材略高焊缝中心母材渡呈抛物线状降
5 焊接结构焊缝组织：
图9 焊接部位
提高铝铝合金激光吸收率进行外表化学改性外表镀层外表涂层复合激光焊等研究连续电弧脉激光束复合够消焊缝区凝固裂纹
激光焊铝铝合金质量控制系统采参数线性回方法预测铝铝合金激光焊接时熔核直径形状喷溅情况
研究工艺参数间关系激光焊接质量影响找出焊接厚度铝铝合金正确工艺
铝合金激光焊接接头身性进行研究例铝合金进行混合气焊剂激光焊研究焊缝强度达母材90
焊接设备Rofin Sinar激光生产YAGDY044激光焊机 功率25KW激光焊焊接参数见表：
6 控制参数：
61 离焦量
离焦量指焦点偏离工件距离实质改变辐射工件外表功率密度起作止离焦方式两种焦面位工件方正离焦反负离焦离焦量影响材料外表熔化斑点直径熔池径深然正负离焦量相等时工件外表功率密度相等般说负离焦量时工件部功率密度外表处焦点处高量密度完全熔化母材获更熔深外焦点位置零工件喷嘴端部较保护气
流动路径缩短挺度增加利进步消等离子体增加熔深焊接程中般采负离焦激光器光束质量样焊接程中离焦量求样文中采300mm 焦距铜镜激光器光斑直径焦点处仅0 26mm 焦点处激光功率密度达5 2 ×106W cm2 添加电弧激光引导电弧够达激光孔焦点处量密度进步提高果继续采负离焦焦点处高密度全部熔化母材会形成量金属蒸汽喷射出金属蒸汽够吸收激光量造成等离子体屏蔽激光焊接程稳定反熔深减少激光功率1 5kW 送丝速度1 3m min
62 焊接速度
提高焊接速度然够稳定激光孔热输入降焊缝熔深会减少焊接速度熔滴渡稳定容易引起熔池稳定降低焊接速度加熔深假设焊接速度低熔深会增加反熔宽增会焊接程稳定容易造成飞溅复合焊维持孔存动力金属蒸汽反压力焊接速度低定程度热输入增加熔化金属越越金属蒸汽产生反压力缺乏维持孔存时孔
仅加深甚会崩溃熔深会增定激光功率定厚度某特定材料适宜焊接速度范围中相应速度值时获熔深焊接速度等离子体形态焊接速度12m Min 时熔滴渡稳定射滴渡 焊接速度08m Min 时没观察孔存激光孔够维持身衡发生坍塌焊接速度1 时熔滴渡激光孔稳定
焊接速度复合焊熔深熔宽深宽影响激光功率1 5kW 送丝速度1 3mmin 离焦量+ 3mm DL A + 2mm
63 激光倾斜角度
激光功率1 5kW 送丝速度1 3 离焦量+2mm DL A + 2mm 焊接速度12 m min
采激光倾斜定角度防止反射回光损伤光镜次激光倾斜定角度减少等离子体激光量吸收提高激光量利率焊接程中形成等离子体般浮焊缝外表激光垂直入射等离子体激光吸收散射拟减弱激光利率倾斜定角度激光穿透等离子层深度会减少激光倾斜角度角度会激光直接作焊缝熔融金属熔深反会减少
64 机器姿态控制
焊缝走位置机器姿态控制难点容易造成机器行走时抖动影响送丝稳定性直接导致假焊焊料堆积缩孔焊接缺陷
需通两方面策加解决合理调节焊接工艺参数指送丝速度需根实际情况焊缝段适时加调整方根位置送丝速度拐角处均需降低送丝速度防止焊料堆积（焊缝突起） 需加快送丝速度焊料充分铺展浸润焊缝中达较连接效果二控制机器行走姿态必须反复调整机器姿态机器稳滑行走般说顶点处需设置三编程点直线插值方式控制机器行走轨迹外机器点行走精度圆（ Genau） 〞设置6mm时机器行走更加稳坡时送丝速度需进行适增加减防止焊料堆积浸润缺乏时通控制机器关节运动达倾角确定机器姿态指机器头部带ALO 聚焦镜头三方角度前倾角侧角度扭转角度角度影响送丝方焊丝熔化时流明显影响焊缝成型造成种样焊接缺陷假焊单边焊缩孔焊缝度凹陷焊料堆积等焊接程中需根焊接结果时机器姿态加调整断改善焊缝成型
7 全动激光焊接线工艺流程：拆垛→料→夹紧定位→激光焊接→焊缝检测→浅坑→堆垛
8 激光焊接辅助设备机器应技术：
机器焊装车间途分点焊机器弧焊机器涂胶机器螺柱焊机器装配持件机器激光焊接机器
激光焊接机器机器操激光加工镜组进行激光焊接激光源采CO2 激光器者YAG 激光器激光焊接设备非常复杂求机器重复精度高
图10 生产线三维布置图
9 铝合金激光焊接工艺特性难点
91光束反射改善方法：
铝合金激光焊难点铝合金激光高反射国外学者针问题已作量试验研究研究说明 进行适外表预处理砂纸磨外表化学浸蚀外表镀石墨涂层空气炉中氧化等降低光束反射改善光束量吸收文献中作者实验证明3 mm 厚外表形成氧化膜A6063 铝合金 1 mm 厚外表光洁A6063 铝合金吸收率显著增C A Huntington 等文献中详细研究铝原始外表（铣车加工） 喷砂（300 目砂纸） 电解抛光阳极氧化4种外表状况入射光束量吸收情况出结阳极氧化喷砂处理显著提高铝光束量吸收时研究接头坡口形状光束吸收率影响指出尖V 形坡口接头坡口方坡口接头吸收率高外焊接结构设计方面考虑通合理设计焊接缝隙增加铝合金外表激光量吸收（图10示） 原V 形坡口采图10结构相工制孔利孔效应形成获较熔深
图11 改变工件焊缝形状
92孔诱导〞稳定性
孔诱导〞稳定性铝合金激光焊接中特困难铝合金材料特性激光光学特性造成铝合金激光高反射率高导热性想诱导出孔必须更高量密度阈值研究说明 量密度阈值受合金成分控制保护气体种类影响专家学者做YAG激光焊接5083 铝合金试验试验说明热输入影响焊接程稳定性激光功率密度处孔形成界条件附时深熔焊传热焊交进行焊接程稳定性差保证起弧功率密度前提采取定措施通控制工艺参数减少热输入助获稳定焊接程 外保护气体影响焊接程稳定性采取适宜例成分混合保护气体控制流量维持稳定焊接程
10 焊接缺陷质量控制措施
铝合金激光焊接缺陷气孔问题气孔问题然解谜般认激光焊接冷程中氢溶解度急剧降形成氢气孔低熔点高蒸气压合金元素蒸发导致气孔激光束引起熔池金属波动匙孔稳定熔池金属紊流导致气孔生成气孔存会导致焊缝力学性气密性降研究说明材料外表态保护气体种类流量保护方法焊接参数焊缝形状影响气孔产生选择适宜外表处理措施加强保护采高功率高速度离焦量（负值） 焊接时气孔产生降低少热裂纹铝合金激光焊接时常见缺陷焊缝结晶裂纹HAZ 液化裂纹铝合金激光 焊接产生结晶裂纹焊缝金属结晶时柱状晶边界形成Al2Si Mg2Si Al2Mg2 Si 等低熔点晶导致激光焊接时焊缝细HAZ 窄特脉激光焊接总输入量低冷速度快液化裂纹易产生防止热裂纹产生铝合金激光焊接关键技术国外学者方面进行量研究工作研究说明调整焊缝金属成分填加Si 减少裂纹定处填充材料采效防止焊接热裂纹提高接头强度外脉点焊时调节脉波形控制热输入样减少结晶裂纹图11示采波形焊缝熔化凝固重复进行降低熔池凝固时凝固速度
图12 减少裂纹脉波形
11 检测方法容
1 焊接程稳定性检测
焊接程稳定性实时检测早开始激光焊接质量监测容包括焊接模式变化焊接程扰动变化检测等般仅简单判断焊接质量 〞 坏〞根原理：定正常焊接信号参考值般信号时域幅值利信号频域特性功率谱作参考值焊接程中实时估计检测信号定值间偏差偏差超出定范围时认焊接程焊缝质量发生变化时容易出现焊接缺陷
2 装配质量检测
装配质量实时检测方法分两类激光材料作前线检测焊缝般采机器视觉获取焊缝二维三维图通图处理提取焊缝间隙错变量焊缝中心位置等信息进步实时调整工艺参数焊接头相位置焊接质量进行实时控制二激光材料相互作时采集焊接程中关信号通定信号分析手段判断焊接发生时否存间隙错变光束焊缝中等引起质量问题种检测方法般焊接程实时控制焊接程中紫外信号置角度路红外信号进行检测分析通模糊逻辑实现光束焊缝中问题识
3 离焦量检测
焊接程中离焦量线检测两种方法：种利喷嘴作传感器检测喷嘴等离子体电荷信号通电荷信号离焦量变化规律实现离焦量线检测闭环控制种方法效前提条件焊接喷嘴工件距离唯决定离焦量数情况种前提成立种方法通光电传感器检测焊接程中光信号离焦量分析光信号变化特性实现焦点位置实时检测控制两位置焊接程中等离子体光辐射信号进行步检测分析发现等离子体光信号离焦量变化规律
4 焊缝熔深检测
焊缝熔深激光深熔焊重质量指标实时检测研究分两类类针穿透激光深熔焊进行通检测焊接程种信号实现熔透状态检测识方面数研究仅够未熔透完全熔透两种熔透状态进行识熔深稳定性进行实时监测少数学者熔透状态作进步细化分类实时监测技术进行研究
5 熔池孔监测
焊缝质量根熔池孔决定然激光深熔焊程中存强烈等离子体弧光干扰直接观察熔池孔状态造成极障碍着年机器视觉技术断进步激光焊接熔池孔行直接观测提供
6 焊缝外表形貌检测
焊缝外表形貌检测指焊缝堆高凹检测焊缝程度存定尺寸堆高凹堆高易造成咬边焊件服役程中该处容易形成应力集中失效凹容易形成应力集中外会导致强度降投入激光焊件焊缝堆高凹程度必须定范围
7 焊接缺陷检测
焊接深熔程中缺陷气孔少数学者线检测技术进行研究通检测焊程超声波信号气孔缺陷识技术进行定程度研究通采集脉激光点焊熔池红外辐射信号结合数字模拟焊缝热影响区进行非破坏性测量
参 考 文 献
[1]谢兴华激光加工技术汽车工业生产中应[J]激光集锦1997（3）13
[2] 骆红胡伦骥黄树槐等 铝合金激光焊接[J]激光技术199822（2）9497
[3] 朱宏金忠华铝铝合金激光焊接技术研究现状[J]电子工艺技术199718（4）129132
[4]樊丁余淑荣张建斌等激光焊接开展现状动[J]甘肃工业学学报200319（1）1518
[5]关正中编激光加工手册中国计量出版社109116
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