激光焊接及其安全防护浅析

耿 勇 黄岳泉

（上汽大众汽车有限公司 仪征分公司，扬州 225000）

焊接是一种金属加工工艺，它通过加热的方式将两块或多块金属材料连接起来，使其形成一个整体。焊接技术可分为熔焊、压焊、钎焊等。计算机科学、材料科学等学科的发展也推动了焊接技术的不断革新。随着我国工业化进入4.0阶段，焊接技术在工业上的应用也越来越广泛，航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器等领域都离不开焊接技术。目前，汽车行业所用的主要焊接方法包括以电阻点焊为代表的传统焊接技术和以激光焊接为代表的新型焊接技术。

1 激光焊接系统组成

电阻点焊简称点焊，是指焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热来熔化母材料金属，形成焊点。电阻焊方法适用于焊接可搭接、接头无需气密、厚度小于3mm的冲压和轧制的薄板构件。激光焊接是利用激光器受激产生的激光束，通过聚焦系统调焦到焊件接头处，将光能转换为热能，使金属熔化形成接头，它是一种高速、非接触、变形极小的焊接方式，非常适合大量而连续的在线加工。这种技术主要应用于汽车基础框架结构制造及航空领域等。激光焊接系统主要包括：激光源、送丝机构、机器人、加工镜组等，如图1所示。

图1 激光焊接系统组成

激光焊接的质量，受到以下因素的影响：激光设备参数、钎焊丝参数、焊接材料属性、机器人控制精度等。其中，影响焊接质量的激光设备参数包括：激光器功率、聚焦位置、焦点大小、加工速度；钎焊丝特有的参数：钎焊丝进给速度、钎焊丝预热电流、冲角大小、焊丝预应力；焊接材料属性包括：焊接材料种类、焊接板材之间的间隙、板材的表面质量等。因此，对于特定的焊接件而言，对焊接过程进行有效控制是提高焊接质量的主要方法之一。

2 激光焊接的优势

对比传统的点焊技术，激光焊接技术的优势主要表现在以下几点。

（1）能量密度高。激光焊接技术的功率密度高，可以达到106～108W/cm2，而且熔接区域深宽比可达10∶1。

（2）激光焊接速度快、熔深大。由于激光焊接能量密度大，在焊接的过程中能量沿深度方向传导，而在宽度方向传导较少，因此焊缝深度较大，速度较快。

（3）激光焊接的热影响区小，焊接变形小。激光焊缝力学性能以及焊接表面质量均较好，焊缝的强度高，焊缝窄且表面质量高。

（4）能在室温或特殊条件下进行焊接，如真空等焊接环境。可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属、陶瓷等。

（5）激光焊接配合远距离控制技术，可以实现非接触式远程焊接，而且无需更换焊接工具。激光焊接属非接触加工，与接触焊工艺相比，无电极、工具等的磨损消耗，无加工噪声，对环境无污染。

（6）焊接系统具有高度的柔性化。激光焊接技术与机器人技术以及CAD/CAM自动化加工等技术结合，可实现焊接加工的高度自动化与智能化。

3 激光焊接安全防护

3.1 激光危害

激光焊接对操作人员是存在危害的，其危害主要来自三个方面：激光束危害、非激光束危害和污染物危害。

人体对特定的激光输出是脆弱的，在特定的环境里，暴露在激光面前会导致眼睛和皮肤的损伤，尤其是眼睛。最严重的情况是，激光光束直射或通过镜面反射进入眼睛。该准直光束进入眼睛后照射在视网膜上会以100000倍聚焦。也就是说，一束可见的1mW/cm2的激光能量将会造成100W/cm2照射到视网膜上，这就达到足以引起损伤的功率密度。

除了激光束本身对眼睛和皮肤的直接危害以外，激光应用过程中的一些非光束因素也会造成危害，如噪音、X线辐射、触电、火灾和等离子辐射等。

用激光对金属材料进行加工，会释放出悬浮颗粒及有害气体。当激光焊接时，焊接烟尘形成，主要包含铁和氧化铁，其粒子尺寸小于1μm。有害的气体和颗粒可能进入呼吸管道造成危害，因此，吸尘过滤系统是必需的，可在吸收有害物质的同时，给工作区域供应足够的洁净空气。

3.2 激光安全防护

在激光焊接加工中，人们应注意加强对激光焊接的安全防护。安全防护措施根据激光辐射危害性等级进行设置，危害等级可根据美国国家标准研究所（ANSI）的Z136.1（2014）激光安全标准进行确定。激光安全防护措施主要包括以下几点。

3.2.1 设定激光视觉危险区域

在不同的项目中，人们可以根据实际情况设定激光视觉危险区域（NOHA），利用密闭的围墙来限制人员的进入（它的最主要功能）。同时，人们可以使用入侵检查装置来中断激光风险，防止人员突然闯入NOHA。

3.2.2 工作安全门

工作安全门用于让人进入工位，到达设备位置以便检查或维修。每个门都是用安全开关控制。安全开关位于关闭位置，直接连接到安全继电器上，一旦触发这个信号，会马上停止机器运动，包括机器人运行、激光辐射。安全回路和安全限位开关按照标准EN954-1中的3类安全装置选择。

3.2.3 升降门和滑动门

升降门和滑动门被设置在操作人员和运行机器之间进行隔离。这些防护门由金属材料制成，当安全防护门关闭时，加工区域与操作人员就完全隔离。辅助的保护措施由光栅提供。光栅保证非授权人员不能进入危险区域。

3.2.4 安全回路

所有的关键安全设备都通过接线直接连接到安全继电器上。安全继电器具有双通道安全监控回路，使用重复、冗余的安全回路设计。电源故障、内部模块失效或是外部干扰都不会导致危险状况。接线形式采用双通道模式来监控触点故障。其中一个输出需要闭合，另一个需要打开，这样才能激活继电器。如果一个或两个输入信号改变状态就会产生一个停止信号。两个输入必须改变状态，为了启用双通道停止功能，在停止后允许重新启动。

3.2.5 紧停按钮

紧停按钮被用来在紧急情况下停止机器。紧停按钮有标准的设计，工作站装备有红色蘑菇按钮形式的紧停按钮，紧停按钮被安装在下列位置，其中包括工作区域和激光设备上：人机界面操作面板、机器人控制器上、机器人示教器、靠近工作区域的地点、激光设备的前部、激光控制盒。

3.2.6 光幕

光幕用来阻止非授权人员进入危险区域。光幕通过单个或多个光束来确认是否有物体进入保护区域，当光幕被遮挡，保护区域的设备运行就会被停止。

3.2.7 警示标志

有关安全的标签和警告标识必须粘贴在激光器和加工区域。作为激光设备的使用者，有义务在激光加工区域粘贴相应的警示标志，以便这些标志能被在这一区域内的人员清楚地看到。

3.2.8 带火花收集器的吸尘装置和灭火器

焊接过程会产生有害的烟尘，所以在焊接的区域内需要是密闭的，并连接相应的除尘系统。在靠近除尘系统和电控箱附近安放灭火器。

3.2.9 过程监控系统和个人防护设备

包括工位内的摄像机，相应的外部的监视器，以便于操作人员能监控焊接过程，及早发现异常情况。操作维修人员在激光加工区域必须根据当前工厂的标准来使用个人的安全装备，来降低风险，如橡胶手套、激光防护眼镜等。

[1]黎爱琼，阮小进.汽车白车身激光焊接生产线自动化系统研究[J].轻工科技，2016，（4）：36-37.

[2]程隆双，冯薇.影响激光焊接加工的几个主要参数[J].机电技术，2008，31（1）：58-61.