激光深熔焊工(gōng)藝在鋁車(chē)身上的集成應用(yòng)

汽車(chē)輕量化能(néng)有(yǒu)效地節約油耗、減少排放，在日益嚴峻的環境和能(néng)源形勢下，各大汽車(chē)企業都在不斷積極探索汽車(chē)輕量化方案。

鋁和鋁合金材料具(jù)有(yǒu)比重小(xiǎo)、塑性好、比強度高（0.113N/kg）、導熱性能(néng)好、化學(xué)性能(néng)以及減重效果好（25%～40%）等一系列優良的使用(yòng)特性。因此，近年來，越來越多(duō)的企業選擇了采用(yòng)鋁及鋁合金材料替代普通碳鋼的車(chē)身輕量化技(jì )術路線(xiàn)。美國(guó)、德(dé)國(guó)、英國(guó)等先後開發出标志(zhì)性鋁基輕量化産(chǎn)品A8、XFL等。奇瑞 eQ1 上市，标志(zhì)着國(guó)内首款全鋁車(chē)身誕生。

為(wèi)顯著提升純電(diàn)動汽車(chē)行業的制造技(jì )術水平，滿足大批量定制化制造和産(chǎn)品市場定位，基于奇瑞新(xīn)能(néng)源eQ1産(chǎn)品的綠色關鍵制造工(gōng)藝激光深熔焊技(jì )術，目的就是要解決當前純電(diàn)動汽車(chē)制造自動化、綠色制造、産(chǎn)品一緻性等問題，促進先進技(jì )術與制造業融合，保證本公(gōng)司産(chǎn)品的可(kě)持續發展和競争力。

激光器的選擇

常見的激光器種類，按其工(gōng)作(zuò)介質(zhì)分(fēn)為(wèi)五類，分(fēn)别是：氣體(tǐ)、固體(tǐ)、半導體(tǐ)、染料以及光纖。

1.氣體(tǐ)激光器

氣體(tǐ)激光器可(kě)以是純氣體(tǐ)，也可(kě)以是混合氣體(tǐ)。最常見的CO2激光器具(jù)有(yǒu)峰值功率高、光束集中(zhōng)、功率可(kě)選範圍大、連續和脈沖兼具(jù)、波長(cháng)範圍廣（9000～12 000nm）以及體(tǐ)積小(xiǎo)等優勢，多(duō)應用(yòng)于軍事、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穩定性、輸出功率連續可(kě)調節，高光束質(zhì)量，工(gōng)作(zuò)性能(néng)可(kě)靠，激光器壽命長(cháng)，可(kě)長(cháng)時間連續工(gōng)作(zuò)。電(diàn)源自帶過熱、限流保護電(diàn)路，TEC及激光頭風扇制冷，可(kě)外接信号發生器進行高速調制（TTL調制及模拟調制）。可(kě)實現加載單模/多(duō)模光纖耦合輸出，耦合效率高，操作(zuò)方便，光纖可(kě)拆卸更換。

采用(yòng)多(duō)級串聯來實現高功率輸出，目前平均功率最高可(kě)達到上600～800W，重頻可(kě)達80～200次/s，單脈沖能(néng)量可(kě)達80J。主要應用(yòng)：校準光路、熒光激發、光譜分(fēn)析、光電(diàn)檢測、幹涉實驗及拉曼實驗等。

3.半導體(tǐ)二極管激光器

半導體(tǐ)二極管激光器利用(yòng)電(diàn)子發光，用(yòng)半導體(tǐ)晶體(tǐ)的解理(lǐ)面形成兩個平行反射鏡面作(zuò)為(wèi)反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩和反饋，産(chǎn)生光束放大，輸出激光。應用(yòng)場景：熒光激發、光譜分(fēn)析、材料、細胞、腫瘤、活體(tǐ)照射及光動力治療等。

4.染料激光器

染料激光器具(jù)有(yǒu)輸出波長(cháng)可(kě)調功能(néng)。它是光譜範圍0.4～1.4μm可(kě)調的窄帶寬激光器，通過混頻技(jì )術獲得紫外到中(zhōng)紅外波段的可(kě)調諧相幹光。主要用(yòng)于高光譜特征參量與光譜庫研究。

5.光纖激光器

光纖激光器應用(yòng)領域較多(duō)，包括空間遠(yuǎn)距離通訊、千兆光纖通訊儀、船舶、汽車(chē)、切割、打标、鑽孔、焊接、醫(yī)療器械及基建等。玻璃光纖具(jù)有(yǒu)成本低、應用(yòng)成熟、産(chǎn)品空間尺寸小(xiǎo)及質(zhì)量輕等優點；它不需要像晶體(tǐ)一樣對入射光進行相對嚴格的相位匹配，原因是玻璃基體(tǐ)的星分(fēn)裂引起的不均勻加寬導緻了寬吸收帶。

材料體(tǐ)積比極低，功耗低，熱量去除快，交換效率高，阈值低；輸出的激光波長(cháng)多(duō)。這是因為(wèi)稀土離子能(néng)級非常豐富，而且有(yǒu)多(duō)種稀土離子。由于這種激光器諧振腔内沒有(yǒu)透鏡，不需要調整焦距而且免維護，應用(yòng)場景較為(wèi)普遍。光纖輸出形式使得激光器能(néng)夠容易适應3D空間應用(yòng)，能(néng)适應惡劣的環境，對振動、沾污、沖擊及溫濕度有(yǒu)很(hěn)好的耐受性。

隻需簡單的風冷。各類激光器各有(yǒu)特點，需要結合鋁合金框架車(chē)身所用(yòng)材料的特點并結合投資成本、維護成本等方面綜合考慮，進行充分(fēn)的驗證和對比，從而選擇合适的激光器類型。

1.激光器參數的選擇

1. 激光器功率激光功率是激光焊接中(zhōng)的一個關鍵因素，使用(yòng)激光來焊接金屬和非金屬已經成熟應用(yòng)，其中(zhōng)存在一個激光光束能(néng)量密度阈值，低于該阈值，熔透很(hěn)淺，大于或等于此值，穿透性将大大增加。激光功率超過能(néng)量阈值（也就是激光問題高），空氣會産(chǎn)生離子，産(chǎn)生穩定可(kě)靠的高深寬比焊縫。

2. 當功率小(xiǎo)于能(néng)量阈值，焊接熔深不足，焊縫連接強度不足。而當激光功率接近形成小(xiǎo)孔的臨界條件時，激光深熔焊和熱傳導焊不間斷運行，導緻焊縫熔深波動很(hěn)大。使用(yòng)激光深熔焊工(gōng)藝時，功率和速度與焊縫熔深有(yǒu)關系。焊接的熔深直接與光束功率密度有(yǒu)關。

深熔焊和導電(diàn)焊交替進行，成為(wèi)不穩定的焊接過程，導緻熔透波動較大。激光深熔焊過程中(zhōng)，激光功率可(kě)以同時控制熔深和焊接速度。熔透率與入射光束的功率密度直接相關，是入射光束功率和光束焦點的函數。一般來說，對于一定直徑的激光束，穿透深度随光束功率的增加而增大。

2.激光脈沖波形針對高反射率材料，使用(yòng)激光進行焊接必然會産(chǎn)生60%～85%的能(néng)量損失，通過調整激光脈沖寬度參數，可(kě)有(yǒu)效抑制能(néng)量損失。在激光脈沖信号處理(lǐ)過程中(zhōng)，高光金屬的反射率随焊接時間變化。當被焊接零件材料達到熔點時，反射率會快速下降，當被焊接零件表面形成焊縫熔池時，材料反射率會穩定下來。

多(duō)數高光材料能(néng)量輸入開始階段反射率高，一般采用(yòng)前置尖峰的激光輸出波形，利用(yòng)波形出現尖峰使激光溫度提升至熔點，減少反射率。對于黑金屬材料，材料反射率低一般采用(yòng)平整的波形。在應用(yòng)中(zhōng)需根據材料表面特性不同，對脈沖波形進行調整。

3.激光脈沖寬度

激光脈沖寬度主要由焊縫深度與寬度确定，脈沖寬度越長(cháng)熱影響區(qū)越大，焊縫深度是随着脈沖寬度的0.5次方增加。但脈寬的加大峰值功率會降低，此方法主要用(yòng)于激光熱傳導焊接形式，焊縫形貌尺寸深寬比低，用(yòng)于兩種闆材厚度差異較大的搭接焊。但低的峰值功率使得激光功率損失較大。通過實驗可(kě)得出，各種材料熔深達到最大時最佳脈沖寬度參數。

4.光斑直徑

光斑直徑決定激光的能(néng)量密度的聚焦程度。但對于功率較高的激光束，目前對光斑尺寸的測量是個難題，目前已經有(yǒu)一些間接測量方法。根據衍射理(lǐ)論，可(kě)以計算出光束聚焦的衍射極限光斑大小(xiǎo)。但由于焦距透鏡存在像差，實際光斑尺寸大于計算值。常用(yòng)的測量方法是等溫剖面法，即燃燒厚紙和穿透PP闆後測量焦點和射孔直徑。采用(yòng)此手段要有(yǒu)一定經驗，在測量過程中(zhōng)掌握好激光的功率和激光的作(zuò)用(yòng)時間。

5.激光透鏡焦距

焊接時需對激光進行聚焦，常采用(yòng) 62～253mm焦距的鏡頭。焦斑的大小(xiǎo)與焦距的關系成正比，焦距變短，光斑變小(xiǎo)。但焦距也影響震源深度，也就是說，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)，鏡頭和工(gōng)件之間的距離較大，且熔深較小(xiǎo)。由于焊接過程中(zhōng)的受熔池飛濺影響，實際焊接使用(yòng)的最短焦深一般為(wèi)126mm。

當連接零件之間存在較大縫隙時，可(kě)增加激光光斑尺寸，一般采用(yòng)254mm焦距的鏡頭。為(wèi)了達到焊接小(xiǎo)孔效果，可(kě)提高焊接激光輸出的功率能(néng)量。當功率超過2kW時，尤其是CO2激光束10.6μm，由于透鏡采用(yòng)精(jīng)密材料構成，為(wèi)了避免聚焦透鏡光學(xué)損壞的風險，一般采用(yòng)反射聚焦方法，通常使用(yòng)抛光銅鏡子反射器。由于其冷卻效果好，常被推薦用(yòng)于大功率激光聚焦。

鋁及鋁合金材料具(jù)有(yǒu)高反射性，選擇激光器參數時需采用(yòng)與之匹配的參數。除此之外，投資成本也是一個不得不考慮的問題，按目前國(guó)内市場的行情，一台3kW激光器的價格大約在150萬～180萬元，應在滿足焊接要求的同時，選擇盡可(kě)能(néng)低的功率，以保證最終的投資效益。