目前，激光焊接技术已经广泛地应用在汽车制造业，通过顶盖激光焊接的实际应用，分析激光焊接的系统构成以及设备调试过程中的问题，汽车制造商可有效保证汽车产品的质量，提升产品竞争力。

激光焊接具备能量密度高、焊接变形小及焊接速度快等优点，在汽车行业应用越来越广泛。国内大多数汽车企业在进行车顶、侧围、车门及座椅等部件的制造过程中都采用了激光焊接工艺，有效地提高了整车制造质量，加强了整车的安全性能，缩短了焊接时间、提升了企业的制造水平。

方案介绍

整车企业常用的激光焊接主要包括熔焊、钎焊等，我公司在高级轿车项目中使用了顶盖激光熔焊技术进行车顶焊接，如图1所示。金属材料被较高功率密度的激光照射，照射部位被熔化、蒸发，从而形成一个小孔；当激光束相对焊件移动时，小孔中心也随之移动，并处于相对稳定状态；熔融金属会反方向流动，填充小孔，从而形成焊缝。与传统的点焊工艺相比，激光熔焊有强度高、热影响区域小以及焊缝美观的特点。从图2可以发现，激光焊接能量集中，焊接熔深大，焊接成形美观，焊接后的强度完全满足使用要求。

图1  焊接原理

该激光熔焊设备的结构如图3所示。激光焊设备采用TRUMPF TruDisc-4006固体激光发生器，最大功率可以达到4000W。由2台专用FANUC机器人安装HighYAG激光头进行焊接。车顶采用搭接形式，单侧焊缝长度达到1630mm。

在焊接前首先采用FANUC机器人视觉系统对整车顶盖进行定位，从而实现焊接轨迹的精确补偿。

图2  焊接分析

1.激光源

目前，国内常用的激光源包括TRUMPF 泵浦式和IPG光纤式，在综合对比了成熟案例应用后，我们最终选用TRUMPF TruDisc-4006固体激光发生器作为激光源（见图4），其优点在于：光束可以通过光缆进行远距离传输（100m）；高效率的光束质量（焦点直径为0.6mm，功率为4kW）；

激光能量可精确控制；远程故障诊断等。

图3  激光焊接架构 

2. 激光头

激光头采用HighYAG的PDT，选用的原因是该品牌提供了完整的焊缝跟踪及压紧技术，该系统主要由光导和聚焦系统、导向系统和压紧系统等组成，如图5所示。光导聚焦系统由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤及聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化，使透过率下降，产生热透镜效应，同时表面污染也会增加传输损耗。该系统在透镜污染后会进行自动维护提示。
导向及压紧系统通过伺服机构进行精确的位置及压力控制，确保焊接过程中相关工艺参数的准确。

压紧机构有压指及压轮两种形式，在本次项目中我们选用了压指，这两者的优缺点比较如表1所示。压指作用于焊接行进方向的前端（侧面），由于压指半径较小，作用点可以在2.3～5mm之间调整，同时压指结构下不易粘上焊接飞溅，且经过长时间使用不像压轮一样容易变形。在导向系统上，使用机械式触指，从表2的对比结果可知，通过触指与上板台阶保持一定的压力，保证行走时光锥始终沿着焊缝。与相机寻轨的方式相比，机械式触指结构简单，对检测面要求较低，避免了零件表面波动、不平等原因导致的质量问题。

图4  TRUMPF激光源

3. 其他系统

（1）视觉定位 视觉系统是自动激光焊接机器人的动作基准，通过安装在机器人手臂端上的3D摄像头进行车体特征点的识别，在视觉系统软件进行设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应的关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人激光焊接起始点的补偿值。

通过视觉系统的应用，降低了顶盖与侧围之间匹配的偏差，起到了保护激光头相关附件，确保激光焊接质量的作用。本项目使用了如图6所示的FANUC IRVISON 3D摄像头。初次使用时，需要通过试验一定批次的产品设定标准值，确定标准值后，需要对相机的曝光时间、识别精度的参数进行反复调试对比，才能确保最终3D图像识别的成功率。

图5  HighYAG激光头

（2）安全系统 激光由于能量较高，且常态下不可见，存在对眼睛及皮肤产生危害的风险。所以激光焊接设备定级为class 4级，必须采取必要的保护仓以及保护眼睛的措施进行操作。激光保护仓在设计时考虑以下要素：门安全锁要保持常锁定，任意的打开动作将导致设备的安全紧急停止；保护仓的玻璃采用光学密度为OD8的玻璃，其对光的截止率比较高，可实现有效的防护作用；通过程序的设计，对于任何操作可使机器人缓慢停止，激光头上同样需要安全防护。

激光头与机器人之间采用安全防撞装置进行连接，感应器可确保激光头在受到任何额外的冲击或者压力时，能及时停止机器人的动作，保证激光头的安全。

系统调试过程

激光焊对于设备的调试精度、零件匹配精度以及工艺尺寸窗口都有很高的要求，一旦聚焦位置偏移或匹配精度不高就会出现锯齿、焊断及气孔等多种焊接缺陷，影响焊接强度及外观质量。

1.焊接零件

在本次设备的调试过程中，焊接零件的主要问题是车顶边缘与侧围贴合度不佳，车顶边缘由于累计余量的释放，比较容易逃离压指的控制，导致部分局部焊缝形成假焊缺陷。经过实践发现，贴合间隙在1mm以内，可保证比较好的焊接尺寸，在目前零件无法实现的情况下，我们在调试中采用首次脉冲焊，再次连续焊的工艺，有效解决了该质量问题。

图6  视觉系统设置

2.参数设置

参数设置是现场调试过程中比较繁琐的步骤，激光入射角度和压指位置不好，影响高温的气体排放，将会出现焊接气孔等缺陷；车顶边缘与侧围之间间隙过小，触针焊缝跟踪位置太靠近侧围，加上激光束与侧围平面形成5°左右夹角，激光光束的能量将部分损失在侧围内侧上，产生的热效应，由一些油迹、表面锌层或碳元素等形成大量黑色痕迹。为确保较好的焊接质量，需要配合机器人的速度及激光功率进行测试，不断变化压指的切入角度以及压力。我们在进行调试时，对相关的参数进行详细记录，以期实现较好的焊接质量。在PDT进行切入角的设置时，既需要考虑相关的数值可以覆盖产品的尺寸波动，还要考虑激光设备的安全可靠，这些都需要反复细致的试验模拟。

3.其他影响因素

（1）尾端缺陷 间隙在焊接过程中会随着压指机构的移动被挤压到焊缝尾端，最后会累积形成钣金件堆积，这种堆积会造成足够大的内应力，致使间隙无论如何都无法被压紧，最终导致锯齿形的焊接缺陷。

目前，我们还无法完成侧围与顶盖之间的间隙控制，我们一般采用尾端不焊接，让焊接过程中的内应力自然地释放。通过研究顶盖的工艺发现，在激光焊接前，顶盖的前后总共采用4点进行定位焊接，在出现锯齿缺陷时，我们曾做过试验，如取消尾部的定位焊点，该间隙可有效消除，但考虑尾部不焊会导致顶盖与侧围的匹配问题，所以该工艺未被采用。

（2）物料输送 上文提到，激光焊接要求顶盖及侧围之间的间隙匹配达到1mm，而目前间隙很大程度是零件在运送或制造工艺中产生的，这在现场使用时时常出现批量性的问题。采用对物料进行保护的料架，以及应用顶盖抓取全程中不产生变形的手段可有效实现质量控制。

结语

激光焊接技术可很好地提高整车制造水平，提升整车质量，缩短焊接时间，提高整个公司的制造水平，同时激光设备对制造环境、产品尺寸及安全等要求较高。希望通过本文可为业内同仁今后的规划选型提供一定的参考。