姜志公 李天

（鞍钢钢材加工配送（长春）有限公司，长春 130103）

1 前言

激光拼焊板技术在汽车车身设计制造中的应用已经有30余年。1985年，德国建立了第一套激光焊接板材定制系统，开始用于生产奥迪汽车底板，采用激光拼焊板对于汽车轻量化、减少模具种类和数量等成效显著；因此，现在几乎所有的汽车制造商都已在汽车生产中大量使用激光拼焊板。激光拼焊板是将两块板材边缘对接到一起，激光器稳定输出激光并聚焦到两块板材拼缝的对接处，通过激光输出的高能量瞬间熔化两块板材对接的部位，形成焊接熔池，冷却后两块板材被焊接到一起，完成焊接。在焊接过程中，由于高温等离子的存在，影响焊接熔深，如果等离子体处理不当，会产生断焊或未焊透等焊接缺陷。重点研究激光焊接原理、等离子体的产生及降低等离子体干扰的方法，为激光焊接过程优化提供参考。

2 汽车用激光拼焊板介绍

2.1 汽车用激光拼焊板分类

汽车用激光拼焊板主要用于冲压生产汽车门内板、主地板、B柱、门环、防撞梁等零部件；根据零部件焊道的几何形态，分为直线拼焊加工和曲线拼焊加工，焊道为直线的零部件主要有主地板、B柱、纵梁内板等，焊道为曲线的零部件主要有门内板、门环等产品，汽车用激光拼焊板的特征描述见表1。

表1 汽车用激光拼焊板的特征描述

2.2 汽车用激光拼焊板的加工工艺

a.上料：将待焊接的两块或若干块板料的焊接边对接；

b.焊接：激光聚焦在两块板料的焊接边对接处，通过高能量密度实施焊接；

c.下料：完成焊接，进行下料堆垛。加工过程如图1所示[1]。

图1 激光拼焊板的加工过程[1]

2.3 激光焊接原理

在激光拼焊板焊接过程中，激光束聚焦在焊接点，使焊接点的金属熔化，形成熔池，之后急速冷却，形成焊道，使两张板料焊接在一起从而完成焊接。激光拼焊原理见图2。

图2 激光拼焊原理

2.4 液态金属的流动方向

在焊接开始后，匙孔被液相（熔池）包围，由于巨大的温度和压力梯度，熔池中的熔化循环强烈，液态金属在沿着与焊接方向相反的方向流动的同时也有横向流动和回流的趋势[2]，并在其背面固化，由此，产生具有均匀结构的窄焊缝，由于具有高能量的小而有限的热影响范围，工件的整体热效应较低。

3 等离子体对激光焊接过程的影响

3.1 等离子体的产生[3]

当激光功率密度超过106W/cm2时，被辐照的金属材料表面强烈气化，产生金属蒸气。蒸气中的起始自由电子通过反韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体，使电子密度雪崩地增长而形成等离子体。在熔池的中部，激光束将金属材料在短时间内剧烈加热，以至于液态金属在工件表面蒸发。通过金属材料的蒸发和金属蒸气流的压力，工件上形成一个小孔，被称之为“匙孔”，激光停止后四周的熔化金属迅速将匙孔填满形成焊缝。匙孔在激光焊接过程中起到非常关键的作用，通过在线高速相机观察匙孔有无、匙孔大小，针对相应工艺参数进行调节可有效控制焊缝形态，保证焊接质量。

3.2 等离子体对焊接的影响

焊接过程中，料厚度越大，金属蒸气羽流的蒸发量越大，产生的等离子体越多，等离子体阻碍激光通过，导致待焊接部位的金属材料未熔化或仅部分熔化。从而导致在工件上表面仍然可以看到接缝，但工件下表面的焊缝中断，如图3所示。

图3 由于等离子体干扰导致的未焊透现象

3.3 等离子体对激光干扰的形式[3]

激光能量的损失主要表现为等离子体对激光的吸收和散射2种方式，能量损失的方式与入射光的波长有关，长波长主要表现为等离子体对激光的吸收损失，短波长主要表现为等离子体对激光的散射损失。

3.4 等离子体的检测方法[4]

等离子体的检测方法主要包括等离子体声音信号检测、等离子体光信号检测、等离子体温度检测、等离子体电信号检测。

等离子体光信号检测：光致等离子体由高温的中性原子、离子和电子所组成，它产生的辐射形式有热电子辐射、反韧致辐射和光电子辐射。其中前两者产生连续光谱，后者产生线光谱，主要分布在可见蓝光范围内，通过测量光谱强度和频谱分布可以检测等离子体的状态。Miyamoto等人[5]将两个光电二极管分别置于等离子体的上方和水平侧面，并用高速摄影机记录连续激光焊接过程中等离子体、小孔、熔池之间的作用关系，从而得到在连续激光焊接中产生的等离子体在控制和未控制情况下的动态行为。光信号相对声音信号有滞后效应，检测结果表明，等离子体在控制最佳时，除了起焊点瞬间外，光强幅值减小，侧面信号起伏较大。这是因为在控制达到最佳时，等离子体稀薄且主要集中在小孔内部。

高速相机以其可获得大量信息，直观清晰，不与被检测对象接触不会扰动等优点，是检测等离子体的一种十分有效的手段，也是近年来普遍采用的一种检测方法。高速相机通常安装在激光聚焦镜之上，激光焦点处由于焊接、等离子体等产生的工艺强光透过偏振镀膜镜，再经过工艺折射镜，传输到高速相机，高速相机成像后投放到显示屏上，从而获得清晰的图像。激光传输光路及高速相机光路见图4，高速相机实物见图5。

图4 激光传输光路及高速相机光路

图5 高速相机

4 等离子体的控制方法

在实际焊接过程中，通过对等离子体的行为及特性研究，结合实际产品焊缝形貌状态，控制等离子体的方法如下。

4.1 保护气体吹扫法

在激光焊接过程中，常使用惰性气体吹扫来保护焊接熔池，在大多数应用场合则常使用氦、氩、氮气体作保护，降低等离子体对焊接过程的干扰。

保护气体的第一个作用为吹散等离子体，降低等离子体的密度，减少等离子体对激光的阻碍，从而使更多的激光能量聚集到熔池，保证焊接质量。

保护气体的第二个作用为减少气体介质及金属蒸汽的电离，保护气体全部为惰性气体，电离能相对较高，本身不易电离，可使激光顺利通过，从而保证焊接质量。电离能最高的惰性气体为氦气，将氦气作为二氧化碳激光焊接过程中的保护气体保护效果最好，由于二氧化碳激光波长较长，光束密度高，极容易使介质气体电离，所以需要采用电离能最高的氦气作为保护气体，但是氦气价格昂贵，所以在实际生产应用中，通常采用氦气与氩气的混合气体作为保护气体，在这一混合气体比例中，通常氦气所占的比例不低于30%。氩气的价格便宜，密度较大，保护效果好，但是氩气分子量大，容易被二氧化碳激光电离，将氩气作为半导体激光焊接过程中保护气体保护效果最好。

保护气体的第三个作用为使工件在焊接过程中免受氧化，焊道表面更光滑，无氧化皮；当某些材料焊接可不计较表面氧化时则也可不考虑保护。

4.1.1保护气体流量对焊接的影响

实验所用焊机的激光源为Laserline7000W半导体激光器，保护气体为氩气，吹扫方式为同轴异管吹气法，共2个吹气喷嘴，见图6，侧面为吸尘装置进行吸尘。通过高速相机拍摄等离子体状态。

图6 同轴异管吹气法

当保护气体总流量为9 L/min时，等离子体基本悬浮在熔池上方，未被吸尘装置吸至熔池侧面，等离子体状态见图7a，等离子体对激光的阻碍作用最大，焊接过程中发生断焊缺陷的频次明显增多，焊接缺陷见图8a。

当保护气体总流量为16 L/min时，等离子体被驱散并被吸尘装置吸至熔池的侧面，等离子体状态见图7b,等离子体对激光的阻碍作用较小，焊接效果最好，断焊发生频率很低，焊接过程稳定，焊接结果见图8b。

当保护气体流量为24 L/min时，等离子体被驱散并被吸尘装置吸至熔池的侧面，等离子体状态见图7c，等离子体对激光的阻碍作用较小，断焊发生频率很低，但是焊孔缺陷增加，焊接缺陷见图8c。当保护气体流量过大时，在焊接熔池的上方，保护气体强烈的吹扫，熔池上方的金属蒸气、等离子体被强烈驱散。由于焊接过程短暂，反应剧烈，高能激光束将金属瞬间熔化、气化，在熔池中部形成匙孔，匙孔中有大量的金属蒸气喷发而出，金属蒸气在熔池的上方形成一道稳定的保护屏障，当保护气剧烈吹扫时，会迅速吹扫保护性的金属蒸气，从而导致匙孔放大，液态金属无法有效填充，产生焊孔缺陷。

图7 等离子体状

图8 焊接状态

通过对等离子体状态观察，结合实际零部件焊接状态，可以得出，采用同轴异管吹气法进行焊接保护，保护气体流量最优选范围为14～20 L/min。

4.1.2 保护气体吹扫方向对焊接的影响

实验所用焊机的激光源为Laserline7000W半导体激光器，保护气体为氩气，吹扫方式分别为同轴异管吹气法和侧向吹气法，侧面为吸尘装置进行吸尘。通过高速相机拍摄两种吹扫方式下等离子体状态。

同轴异管吹气法：同轴异管保护气总流量为16 L/min，采用同轴保护气吹扫时等离子体驱散效果好，焊接质量好，见图7b、图8b。

侧向吹气法：侧向保护气总流量为16 L/min，在焊接过程中通过高速相机拍摄发现保护气对等离子体的驱散效果不好，等离子体漂浮状态不稳定，在焊接起始处，等离子体飘向熔池的侧面，随着焊接的进行，等离子体重新聚集到激光焦点的上方，阻碍激光穿过，等离子体状态见图9，焊缝表面状态不均匀，有波浪，见图10。

图9 侧向保护气吹扫等离子体状态

图10 侧向保护气吹扫产品缺陷

侧向保护气吹扫使等离子体被驱散的方向发生改变，由偏向未焊接侧变为偏向焊接完成侧，该驱散方向对焊接不利，并且焊接过程中产生的烟尘、飞溅杂质也会由于侧向保护气的吹扫而掉落到零部件表面，出现焊道脏污的情况。

4.2 压缩空气吹扫法

采用压缩空气吹扫熔池上方，压缩空气吹扫的位置距离焦点的距离通常大于60 mm，工作原理为通过强气流快速的吹扫，吹扫的方向与激光轴线的方向垂直，且正对吸尘口，强气流将等离子体、烟尘等悬浮物快速抽运走，减少其对激光的阻挡。压缩空气吹扫的流量优选范围为55～70 L/min，当吹扫流量小于55 L/min时，吹扫效果不好，等离子体对焊接干扰明显，焊接效果不好；当流量大于70 L/min时，吹扫效果不会随着流量的增加而变好。压缩空气吹扫的原理如图11所示。

图11 压缩空气吹扫原理

4.3 吸尘法

在熔池附近增加吸尘口，可有效减少等离子体对激光的阻碍。吸尘口处的产生负气压，气体快速的向吸尘口流动，气体流动过程中有带走焊接过程中产生的金属蒸气、烟尘、飞溅杂质，等离子体对焊接的干扰也会被降低。在实际生产应用过程中，由于焊接点附近的部件布置比较紧凑，包括保护气喷嘴、填丝装置等，会影响到除尘装置的布置空间，一旦除尘装置的吸尘口远离焊接点，除尘效果将不理想，从而导致焊接过程不稳定、板料脏污设备维护频次高等问题。

4.4 外加磁场焊接法

等离子体是由大量带电粒子组成的，在外加磁场作用下，可改变等离子体中粒子的运动方向，从而达到增加熔深的目的。一般将磁体放置于工件薄板的下面，与激光束同轴。该方法具有成本低、设备简单、操作方便的优点，并能降低激光焊接中保护气体的消耗，有重要的推广价值[4]。

5 结论

a.在激光焊接过程中，高能激光束将金属材料在短时间内剧烈加热，以至于液态金属在工件表面蒸发，金属蒸气、空气介质等进一步吸收高能激光的能量被电离，产生等离子体，等离子体阻碍激光通过，从而影响焊接。

b.通过高速相机拍摄，可直观的反馈出等离子的运动状态，根据等离子的运动状态调整焊接参数，可有效降低等离子体对焊接的干扰。

c.在焊接过程中采用焊接保护气保护熔池可有效减少等离子体的产生；保护气体的流量、保护气体的吹扫方向会直接影响到等离子的驱散效果；通常采用同轴异管吹气法进行焊接保护，保护气体流量最优选范围为14～20 L/min。

d.压缩空气吹扫法、吸尘法、外加磁场焊接法均可有有效降低等离子体对焊接过程的干扰。