激光焊接及其安全防護淺析

耿 勇 黃岳泉

（上汽大眾汽車有限公司 儀征分公司，揚州 225000）

焊接是一種金屬加工工藝，它通過加熱的方式將兩塊或多塊金屬材料連接起來，使其形成一個整體。焊接技術可分為熔焊、壓焊、釬焊等。計算機科學、材料科學等學科的發(fā)展也推動了焊接技術的不斷革新。隨著我國工業(yè)化進入4.0階段，焊接技術在工業(yè)上的應用也越來越廣泛，航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器等領域都離不開焊接技術。目前，汽車行業(yè)所用的主要焊接方法包括以電阻點焊為代表的傳統(tǒng)焊接技術和以激光焊接為代表的新型焊接技術。

1 激光焊接系統(tǒng)組成

電阻點焊簡稱點焊，是指焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱來熔化母材料金屬，形成焊點。電阻焊方法適用于焊接可搭接、接頭無需氣密、厚度小于3mm的沖壓和軋制的薄板構件。激光焊接是利用激光器受激產生的激光束，通過聚焦系統(tǒng)調焦到焊件接頭處，將光能轉換為熱能，使金屬熔化形成接頭，它是一種高速、非接觸、變形極小的焊接方式，非常適合大量而連續(xù)的在線加工。這種技術主要應用于汽車基礎框架結構制造及航空領域等。激光焊接系統(tǒng)主要包括：激光源、送絲機構、機器人、加工鏡組等，如圖1所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)組成

激光焊接的質量，受到以下因素的影響：激光設備參數、釬焊絲參數、焊接材料屬性、機器人控制精度等。其中，影響焊接質量的激光設備參數包括：激光器功率、聚焦位置、焦點大小、加工速度；釬焊絲特有的參數：釬焊絲進給速度、釬焊絲預熱電流、沖角大小、焊絲預應力；焊接材料屬性包括：焊接材料種類、焊接板材之間的間隙、板材的表面質量等。因此，對于特定的焊接件而言，對焊接過程進行有效控制是提高焊接質量的主要方法之一。

2 激光焊接的優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)的點焊技術，激光焊接技術的優(yōu)勢主要表現在以下幾點。

（1）能量密度高。激光焊接技術的功率密度高，可以達到106～108W/cm2，而且熔接區(qū)域深寬比可達10∶1。

（2）激光焊接速度快、熔深大。由于激光焊接能量密度大，在焊接的過程中能量沿深度方向傳導，而在寬度方向傳導較少，因此焊縫深度較大，速度較快。

（3）激光焊接的熱影響區(qū)小，焊接變形小。激光焊縫力學性能以及焊接表面質量均較好，焊縫的強度高，焊縫窄且表面質量高。

（4）能在室溫或特殊條件下進行焊接，如真空等焊接環(huán)境。可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如高熔點金屬、陶瓷等。

（5）激光焊接配合遠距離控制技術，可以實現非接觸式遠程焊接，而且無需更換焊接工具。激光焊接屬非接觸加工，與接觸焊工藝相比，無電極、工具等的磨損消耗，無加工噪聲，對環(huán)境無污染。

（6）焊接系統(tǒng)具有高度的柔性化。激光焊接技術與機器人技術以及CAD/CAM自動化加工等技術結合，可實現焊接加工的高度自動化與智能化。

3 激光焊接安全防護

3.1 激光危害

激光焊接對操作人員是存在危害的，其危害主要來自三個方面：激光束危害、非激光束危害和污染物危害。

人體對特定的激光輸出是脆弱的，在特定的環(huán)境里，暴露在激光面前會導致眼睛和皮膚的損傷，尤其是眼睛。最嚴重的情況是，激光光束直射或通過鏡面反射進入眼睛。該準直光束進入眼睛后照射在視網膜上會以100000倍聚焦。也就是說，一束可見的1mW/cm2的激光能量將會造成100W/cm2照射到視網膜上，這就達到足以引起損傷的功率密度。

除了激光束本身對眼睛和皮膚的直接危害以外，激光應用過程中的一些非光束因素也會造成危害，如噪音、X線輻射、觸電、火災和等離子輻射等。

用激光對金屬材料進行加工，會釋放出懸浮顆粒及有害氣體。當激光焊接時，焊接煙塵形成，主要包含鐵和氧化鐵，其粒子尺寸小于1μm。有害的氣體和顆粒可能進入呼吸管道造成危害，因此，吸塵過濾系統(tǒng)是必需的，可在吸收有害物質的同時，給工作區(qū)域供應足夠的潔凈空氣。

3.2 激光安全防護

在激光焊接加工中，人們應注意加強對激光焊接的安全防護。安全防護措施根據激光輻射危害性等級進行設置，危害等級可根據美國國家標準研究所（ANSI）的Z136.1（2014）激光安全標準進行確定。激光安全防護措施主要包括以下幾點。

3.2.1 設定激光視覺危險區(qū)域

在不同的項目中，人們可以根據實際情況設定激光視覺危險區(qū)域（NOHA），利用密閉的圍墻來限制人員的進入（它的最主要功能）。同時，人們可以使用入侵檢查裝置來中斷激光風險，防止人員突然闖入NOHA。

3.2.2 工作安全門

工作安全門用于讓人進入工位，到達設備位置以便檢查或維修。每個門都是用安全開關控制。安全開關位于關閉位置，直接連接到安全繼電器上，一旦觸發(fā)這個信號，會馬上停止機器運動，包括機器人運行、激光輻射。安全回路和安全限位開關按照標準EN954-1中的3類安全裝置選擇。

3.2.3 升降門和滑動門

升降門和滑動門被設置在操作人員和運行機器之間進行隔離。這些防護門由金屬材料制成，當安全防護門關閉時，加工區(qū)域與操作人員就完全隔離。輔助的保護措施由光柵提供。光柵保證非授權人員不能進入危險區(qū)域。

3.2.4 安全回路

所有的關鍵安全設備都通過接線直接連接到安全繼電器上。安全繼電器具有雙通道安全監(jiān)控回路，使用重復、冗余的安全回路設計。電源故障、內部模塊失效或是外部干擾都不會導致危險狀況。接線形式采用雙通道模式來監(jiān)控觸點故障。其中一個輸出需要閉合，另一個需要打開，這樣才能激活繼電器。如果一個或兩個輸入信號改變狀態(tài)就會產生一個停止信號。兩個輸入必須改變狀態(tài)，為了啟用雙通道停止功能，在停止后允許重新啟動。

3.2.5 緊停按鈕

緊停按鈕被用來在緊急情況下停止機器。緊停按鈕有標準的設計，工作站裝備有紅色蘑菇按鈕形式的緊停按鈕，緊停按鈕被安裝在下列位置，其中包括工作區(qū)域和激光設備上：人機界面操作面板、機器人控制器上、機器人示教器、靠近工作區(qū)域的地點、激光設備的前部、激光控制盒。

3.2.6 光幕

光幕用來阻止非授權人員進入危險區(qū)域。光幕通過單個或多個光束來確認是否有物體進入保護區(qū)域，當光幕被遮擋，保護區(qū)域的設備運行就會被停止。

3.2.7 警示標志

有關安全的標簽和警告標識必須粘貼在激光器和加工區(qū)域。作為激光設備的使用者，有義務在激光加工區(qū)域粘貼相應的警示標志，以便這些標志能被在這一區(qū)域內的人員清楚地看到。

3.2.8 帶火花收集器的吸塵裝置和滅火器

焊接過程會產生有害的煙塵，所以在焊接的區(qū)域內需要是密閉的，并連接相應的除塵系統(tǒng)。在靠近除塵系統(tǒng)和電控箱附近安放滅火器。

3.2.9 過程監(jiān)控系統(tǒng)和個人防護設備

包括工位內的攝像機，相應的外部的監(jiān)視器，以便于操作人員能監(jiān)控焊接過程，及早發(fā)現異常情況。操作維修人員在激光加工區(qū)域必須根據當前工廠的標準來使用個人的安全裝備，來降低風險，如橡膠手套、激光防護眼鏡等。

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