激光焊接技術在新能源汽車電機制造領域的應用及發展

王澤鵬 唱通 白正軍

1. 概述

激光焊接在航天航空、汽車工業、電子封裝、粉末冶金及生物醫學等方面有著廣泛的應用。電機作為新能源汽車的核心部件，在其制造領域中，焊接試件要求焊接強度高、熱影響區小、焊接精密程度高、焊接操作空間角度有限制，與傳統焊接方法相比，激光焊接優勢明顯，應用將會越來越廣泛。

2. 激光焊接的特點

激光焊接主要是利用高能量密度激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。

相對于傳統焊接方法，激光焊接的主要優點：①可將熱入量降到最低，熱影響區金相變化范圍小，且因熱傳導所導致的變形亦最低。②不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮。且因不屬于接觸式焊接制程，機具的耗損及變形皆可降至最低。③激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，不受空間限制。④工件可放置在封閉的空間（經抽真空或內部氣體環境在控制下）；激光束可聚焦在很小的區域，可焊接小型且間隔相近的部件?？珊覆馁|種類范圍大，亦可相互接合各種異質材料。⑤易于以自動化進行高速焊接，亦可以數位或電腦控制。焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接易有回熔的困擾；不受磁場所影響，能精確的對準焊件。⑥可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬。⑦不需真空，亦不需做X射線防護。⑧若以穿孔式焊接，焊道深寬比可達12:1。⑨可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。

3. 激光焊接在新能源汽車電機制造中的應用

（1）電機定子和轉子沖片焊接 電機的定子鐵心制作有鉚接、扣片、膠結、焊接等多種加工工藝, 其中焊接件以質量高、成本低而得到廣泛應用。焊接件是將定子鐵心以硅鋼片為原料, 經剪切、沖制等加工工藝后，再將疊片緊固疊壓，疊裝好的定子外壁上按一定距離縱向焊接幾條焊縫，使每片硅鋼片表面層互相熔接起來，成為一個定子整體(見圖1)。電機定子焊接工藝的發展過程中曾先后采用過焊條電弧焊、CO2氣體保護焊、氬弧焊、激光焊等。從焊接工藝性看, 后兩種焊接方法比較理想, 而前兩種工藝方法明顯存在成形差和飛濺大的不足。電機定子疊片材料一般采用冷軋或熱軋硅鋼片, 其焊接性良好, 如采用激光焊接，相對鎢極氬弧焊來說，不僅生產率有所提高，而且改善了生產環境的衛生安全條件，根除了氬弧焊時的強弧光和臭氧及其他不良氧化物對人身的危害。并且還可以采用計算機控制雙機或四機或單機多頭輸出激光束，分置于定子外圓壁周圍，這樣定子緊定所需的焊縫數，焊機運行一次或兩次即可完成，既可以使變形量大幅減少，又節省了加工時間。電機轉子的沖片焊接與定子的焊接類似，不同的是轉子焊縫在轉子內圓壁，采用激光焊接的方法也具有上述優點（見圖2）。

（2）電機轉子軸和轉子軸壓環的焊接 電機轉子軸與壓環之前的環焊縫一般采用CO2氣體保護焊或者鎢極氬弧焊，焊接所產生的形變量大，并且熱影響區大，焊接產生的熱量亦會對裝配好的電機機體內的磁鋼產生影響。采用激光焊接的方式，能量集中、密度高、加熱效率高、速度快，因此母材的變形小，非熔化區金屬受熱影響小。

（3）電機轉子軸與離合器的焊接 電機轉子軸與離合器焊接時（焊接位置如圖3所示，轉子軸與離合器之間的環焊縫），焊縫熔深達到4mm以上，如采用CO2氣體保護焊或者鎢極氬弧焊，雖然熔深可以達到要求，但變形量很難控制。采用小功率填絲激光焊接的方法可以降低對工件坡口加工及裝配的精度要求，提高了焊縫成形質量；另外，通過調節填絲成分，可以控制焊縫區域的組織性能。

（4）電機鋁合金殼體的密封焊接 電機鋁合金殼體與機身的連接一般采用鉚釘或者螺栓，這樣就需要在電機殼體與機身之間添加墊圈起到密封的作用。這樣方式密封的效果會隨著墊圈的老化損壞而減弱，對電機整體性能產生影響。如果采用無縫焊接取代鉚接或者螺栓連接的方式，不但能減輕的機身重量、縮短生產周期，而且可以獲得良好的密封性能。相對于其他材料，鋁合金的焊接性差，一般采用鎢極氬弧焊或激光焊。

4. 新能源車電機制造業應用激光焊的經濟和社會效益

電機生產中使用激光焊接方式，提升了焊接接頭的品質，增加其穩固性，很大程度上降低了因接頭產生事故帶來的損失，從一個角度來講能夠降低生產成本。另外，激光焊從根本上解決了傳統釬焊、焊接過程中的熱輻射、電磁輻射、弧光對環境的污染問題，具有良好的社會效益。

5. 激光焊接的發展趨勢

為了滿足實際工業生產中對焊接精度和生產效率的要求，未來激光焊接技術將向著焊接系統小型化、集成化、智能化的方向發展。另外，隨著光纖激光器的開發和應用，未來激光焊也將逐步向光纖激光焊過渡。使用光纖激光器替代YAG激光器，焊接時精度進一步提高，其能量轉換率40倍與YAG激光器；同時由于光纖激光器內沒有可以拆除的光學器件，因此運行維護費用極低，每年每臺激光器可以節約數千美元的維護費用。

圖 1

圖 2 電機轉子

圖 3

圖 4

6. 結語

激光焊接技術的出現，可以實現對傳統焊接技術所無法應用領域的焊接，滿足不同材質、金屬與非金屬等多種焊接需求，并且因為激光本身的穿透性和折射性，使得其能夠依據光速本身的運行軌跡，實現360°范圍內的隨意焦，而這無疑是傳統焊接技術發展下所無法想象的。

隨著激光焊在新能源汽車電機生產中的應用，電機的性能及壽命也會隨之提升，而電機技術的突破又會為新能源汽車的不斷發展提供更好的支持，也將帶來更多的社會及經濟效益。

[1]陳彥賓．現代激光焊接技術[M]．北京：科學出版社, 2005．

[2]劉必利，謝頌京，姚建華．激光焊接技術應用及其發展趨勢[J]．激光與光電子學進展， 2005，42(9)： 43-46.