钣金激光焊接技术与应用浅析

文/丁启飞，黄宣凯·格力电器（珠海）股份有限公司

焊接是钣金加工后工序最主要的加工工艺，其劳动强度大、工作环境较为恶劣，需要具备较高的技能要求，因此焊接自动化和新型连接方式一直是焊接技术工作者们致力研究的方向。焊接自动化的关键技术是焊接质量和效率的控制，焊接过程中需要解决电弧与焊缝对中、零件间隙均匀、焊透以及焊接变形控制等问题。随着激光焊接技术日新月异的发展，激光焊接技术发生了质的飞跃，已经在家电产品、高科技电子、汽车制造、高铁制造、精密加工等领域得到了成熟应用。

激光焊接的特点

激光焊接是利用激光器将高能激光束耦合进入光纤，传输后通过准直镜准直为平行光，再聚焦于工件上，聚集成能量密度极高的热源，熔化连接处材料，随后液态金属快速冷却后形成高质量焊缝的焊接方法，如图1 所示。激光焊接钣金件外形如图2 所示。

图2 激光焊接产品外形

操作简单

激光焊接机焊接设备简单，操作过程简单易学，上手容易。对工作人员的专业性要求不高，节省人工成本。

灵活性高

激光焊接机可实现任意角度焊接，可焊接难以接近的部位，也可焊接各种复杂的焊接工件和形状不规则的大型工件，实现任意角度焊接具有很大的灵活性。

安全性能强

高安全焊嘴只有在接触金属时才能触动开关，触摸开关具有体温感应。专用激光发生器在操作时有安全要求，操作时需佩戴激光发生器防护眼镜，以减少对眼睛的伤害。

激光光束质量好

激光聚焦后，功率密度高，高功率低阶模激光聚焦后，焦斑直径小，对发展薄板自动化焊接有着极大的促进作用。

焊接速度快，深度大，变形小

由于激光焊接功率密度高，焊接过程中在金属材料中形成小孔，激光能量通过小孔传递到工件深处，横向扩散较少；激光束扫描过程中材料熔合深度较大；速度快，单位时间焊接面积大。

人工成本低

由于激光焊接时的热输入极低，焊后变形量很小，可以达到表面非常漂亮的焊接效果，因此激光焊接的后续处理很少，可以大大减少或消除巨大的抛光和整平工序上的人工成本。

可以焊接难焊接的材料

激光焊接不仅可用于多种异质金属材料之间的焊接，还可用于钛、镍、锌、铜、铝、铬、铌、金、银等金属及其合金以及钢、可伐合金等材料的焊接，能很好地满足家电产品新材料的开发应用。

特别适合焊接薄板非喷涂外观零件

由于激光焊接机焊接纵横比大，比能量小，热影响区小，焊接变形小，特别适用于焊接薄板非喷涂外观零件以及精密和热敏零件，可减少焊后修正和二次加工。

激光焊接的优势对比

激光焊接根据焊接时焊缝的形成特点，可以把激光焊分为热导焊和深熔焊。热导焊使用激光功率低，熔池形成时间长且熔深浅，多用于小型零件的焊接；深熔焊功率密度高，激光辐射区金属融化速度快，在金属熔化的同时伴有强烈的汽化，能获得较大熔深的焊缝，焊缝宽深比可达10∶1。光纤传输激光焊接机选配CCD 摄像监视系统，方便观察和精确定位；其焊斑能量分布均匀，具有焊接特性所需要的最佳光斑；适用于各种复杂焊缝、各种器件的点焊、满焊以及1mm 以内薄板的缝焊。通过使用双摆头技术，双轴振镜控制可调模式（圆、直线、8 字形、三角形、实心圆）增大可调摆动宽度，实现0～5mm焊缝的焊接。

影响激光焊接的主要因素有光束特性、焊接特性、保护气体以及材料特性。⑴光束特性包括激光器、光学配置等。⑵焊接特性包括焊接接头形式、焊缝分布、装配精度、焊接工艺参数等。⑶保护气体包括保护气体的种类、流量、保护方式等。⑷材料特性：材料对激光的吸收，主要与激光的波长、材料的性质、温度、表面状况有关，大部分材料对短波长的激光吸收率更高，室温时材料对激光吸收率较低，温度升高时吸收率急剧增大；材料的焊接性；热导率、热膨胀系数、熔点、沸点等其他特性。

薄板件常用的焊接方法很多，如激光焊接、钎焊、氩弧焊、电阻焊、等离子弧焊、电子束焊等，而激光焊接与其他常用的焊接方法相比在热影响区、热变形、焊缝质量、是否添加焊料、焊接环境等方面有较大的优势。激光焊接与其他焊接方式对比见表1。

表1 激光焊接与其他焊接方式对比

激光焊接应用实例

我司焊接车间配备的焊接设备有：松下YC-315TX 氩弧焊机、松下YC-300WX 氩弧焊机、米勒二氧化碳气体保护焊机、佳士WF-21 二氧化碳气体保护焊机、OTC 二氧化碳气体保护焊机和MIG 焊机等，如图3 所示。

图3 传统焊接设备

2022 年度完成焊接部件31.5 万个，如果采用上述焊接设备焊接，需投入焊工16 人、打磨工6 人，而采用新投入的2 台激光焊接机，投入操作人员10 人，激光焊接单工位生产效率比人工焊接效率提升150%～200%，用工成本节省110 万元。经过产品工艺质量验证和生产操作验证，激光焊接机可以完全替代传统焊接，效果非常明显。随着我司涉足大巴空调、智轨空调以及高端家电等产品开始涌现，为满足机组轻量化和高端材料的客户要求，只有激光焊接才可以完全满足此类机组结构件的焊接连接，这是传统焊接无法达到的。

结束语

焊接是支撑我国成为制造大国的关键技术，焊接技术发展到今天，几乎所有的领域如机械制造、石油化工、交通能源、冶金、电子、航空航天等领域都离不开焊接技术。目前，以电子束焊和激光焊接为代表的新一代焊接技术的应用越来越广泛，从环保层面和企业经营成本方面来说，激光焊接具有功率密度高、没有电极污染、非接触、机具损耗少，且不受磁场影响，能精准对准焊缝等诸多优势，因此，全面实施激光焊接是未来焊接的发展趋势，这也需要企业的技术人员能在应用层面提出更好、更高的要求，以推进激光焊接企业共同前行。