作者：哈爾濱工大焊接科技有限公司陳彥賓、航天三江激光院李方志、何崇文、萬楚豪

一、技術(shù)背景

環(huán)境保護(hù)問題已經(jīng)成為當(dāng)今中國乃至全球的一項(xiàng)重大民生問題，直接影響著全人類的生命健康安全。隨著汽車保有量的快速上漲，燃油汽車的尾氣排放已成為影響環(huán)境的關(guān)鍵因素之一?；诖?，我國于2018年6月發(fā)布了“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”并在同期宣布了關(guān)于汽車排放的“國六標(biāo)準(zhǔn)”。國六標(biāo)準(zhǔn)已于2019年7月1日陸續(xù)在全國開始施行，并將于2023年7月1日全面適用于所有燃油車型，這必將對(duì)汽車領(lǐng)域，尤其是其中動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求。

作為燃油汽車的心臟，發(fā)動(dòng)機(jī)無疑是動(dòng)力系統(tǒng)改造升級(jí)最重要的一環(huán)。近年來，鍛鋼材料由于其自身強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、密度高、導(dǎo)熱性低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為活塞制造中最具發(fā)展前景的新型材料。相比于傳統(tǒng)鋁制活塞，鋼活塞具有更少排放、更低生產(chǎn)成本、更強(qiáng)動(dòng)力、更低油耗、更長(zhǎng)換油周期等優(yōu)點(diǎn)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，鋼活塞行業(yè)是未來活塞行業(yè)的必經(jīng)之路，并將在未來3~5年內(nèi)全面替代鋁制活塞。根據(jù)測(cè)算，短期內(nèi)具有200條以上鋼活塞生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求以及40億元以上的市場(chǎng)容量。

二、鋼活塞加工技術(shù)

目前的鋼活塞主要使用真空電子束焊接或者攪拌摩擦焊進(jìn)行加工，但是其生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及激光焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)有望成為鋼活塞焊接生產(chǎn)最具發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)。

激光焊接技術(shù)通過聚焦后高能量密度的激光光束作用于材料表面，使之迅速熔化形成熔池，伴隨著激光束的運(yùn)動(dòng)形成所需形狀的焊縫從而達(dá)到良好的冶金結(jié)合，具有焊接速度快、深寬比大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。鋼活塞的激光焊接技術(shù)于2018年9月19日首次亮相于第67屆漢諾威國際商用車展，并在錫柴奧威6DM3發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)首配，是世界首例激光焊鋼活塞的成功應(yīng)用。

三、激光焊接鋼活塞技術(shù)難點(diǎn)

激光焊接具有較電子束焊接、攪拌摩擦焊明顯的優(yōu)勢(shì)，但是在鋼活塞的激光焊接技術(shù)中，仍然具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的厚板易開裂材料的高功率、高精度激光焊接問題，具體為：

1) 活塞材質(zhì)（42CrMo4、38MnVS6）中碳當(dāng)量較高（中碳鋼），在聚焦激光的作用下焊縫位置將產(chǎn)生巨大的溫度梯度，極易在焊接過程中產(chǎn)生裂紋，影響產(chǎn)品使用性能；

2) 厚板材料（6~12 mm）激光焊接過程中易產(chǎn)生飛濺及氣孔，尤其是在高功率激光條件下（＞6 kW），易于形成焊接熔池不穩(wěn)定；

3) 焊接精度要求高，焊接起始位置易于產(chǎn)生焊接燒蝕坑，在焊縫的表面易形成凹坑、在焊縫背面易形成駝峰；

4) 氣體保護(hù)對(duì)焊接質(zhì)量、表面質(zhì)量影響大，需要在焊接過程中對(duì)焊接位置提供實(shí)時(shí)、有效的全方位保護(hù)；

5) 大功率激光設(shè)備價(jià)格隨功率等級(jí)提高呈指數(shù)增加，有必要在保證焊接質(zhì)量及效率的前提下降低設(shè)備制造、使用成本。

四、鋼活塞激光焊接解決方案

為突破鋼活塞激光焊接的技術(shù)瓶頸，打破國外技術(shù)壟斷，國內(nèi)某大型活塞生產(chǎn)企業(yè)于2019年10月成功上線國內(nèi)首條自主研發(fā)的鋼活塞激光焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線（全球第二條同類型生產(chǎn)線）。目前該條產(chǎn)線已成功投入使用并正式開啟批量生產(chǎn)，具有年產(chǎn)40萬只鋼活塞的加工產(chǎn)能。在此之后，該企業(yè)又迅速完成第二條生產(chǎn)線的擴(kuò)增決定以便能在2020年實(shí)現(xiàn)鋼活塞加工產(chǎn)能進(jìn)一步提升。

依據(jù)鍛鋼的材料屬性以及高功率激光焊接的技術(shù)特點(diǎn)，制定了“激光清洗-焊前預(yù)熱-激光焊接-焊后保溫及熱處理”的鋼活塞激光焊接解決方案。其中激光焊接單元，為武漢光谷航天三江激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司與哈爾濱工大焊接科技有限公司聯(lián)合研制。此款激光焊接機(jī)采用雙工位回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)（圖 1所示），通過與整條產(chǎn)線上、下游環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)，能夠在激光焊接的同時(shí)進(jìn)行上、下料的同步操作。該設(shè)備使用8kW作為焊接光源，可以在8s內(nèi)完成鋼活塞單道焊縫的激光焊接過程（依據(jù)鋼活塞尺寸以及焊接深度略有變化），并能提供有效焊接深度達(dá)8~10mm。通過大量的激光焊接工藝積累，制訂了適用于鋼活塞激光焊接的工藝方案（包括焊前預(yù)熱-激光焊接-焊后熱處理等），焊接完成的鋼活塞樣品經(jīng)過超聲檢測(cè)以及最嚴(yán)格的工業(yè)CT檢測(cè)，焊縫內(nèi)部并未觀察到裂紋及孔隙缺陷，完全滿足制造、交付標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1 航天三江激光院研制的鋼活塞激光焊接機(jī)構(gòu)

五、傳動(dòng)件激光焊接解決方案

航天三江激光院在成功研制、交付鋼活塞激光焊接機(jī)后，又大膽進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提出了鋼活塞在氣氛保護(hù)環(huán)境下的激光焊接解決方案。研究表明：在真空環(huán)境下進(jìn)行激光焊接，可以顯著增大激光焊縫的熔池深度，并極大的改善焊縫中氣孔、裂紋缺陷的產(chǎn)生?；诖?，可以在無須提高激光功率的情況下進(jìn)一步的提升焊接質(zhì)量、增加焊接深度，該技術(shù)有望成為下一代鋼活塞焊接的關(guān)鍵重大工藝突破。

在航天三江激光院最新研制的CDL 300zk型低真空激光焊接平臺(tái)中，除了引入真空激光焊接技術(shù)外，還將整套裝備的功能拓展為“上下料-激光清洗-感應(yīng)加熱-壓裝-真空激光焊接”一體化集成方案。通過多工位設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，各個(gè)工位之間可以實(shí)現(xiàn)流水線式生產(chǎn)作業(yè)，相比于常規(guī)鋼活塞激光焊接生產(chǎn)線，該平臺(tái)更節(jié)省占地空間，能大幅降低能源消耗并提升工作效率。同時(shí)該平臺(tái)設(shè)計(jì)有輸送帶式物料流轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可方便地與鋼活塞制造廠商已有加工生產(chǎn)線快速對(duì)接，實(shí)現(xiàn)低成本的產(chǎn)線技術(shù)升級(jí)和技術(shù)改造。