激光焊接技术在新能源汽车电机制造领域的应用及发展

王泽鹏 唱通 白正军

1. 概述

激光焊接在航天航空、汽车工业、电子封装、粉末冶金及生物医学等方面有着广泛的应用。电机作为新能源汽车的核心部件，在其制造领域中，焊接试件要求焊接强度高、热影响区小、焊接精密程度高、焊接操作空间角度有限制，与传统焊接方法相比，激光焊接优势明显，应用将会越来越广泛。

2. 激光焊接的特点

激光焊接主要是利用高能量密度激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。

相对于传统焊接方法，激光焊接的主要优点：①可将热入量降到最低，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。②不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形皆可降至最低。③激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，不受空间限制。④工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）；激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件。可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料。⑤易于以自动化进行高速焊接，亦可以数位或电脑控制。焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接易有回熔的困扰；不受磁场所影响，能精确的对准焊件。⑥可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。⑦不需真空，亦不需做X射线防护。⑧若以穿孔式焊接，焊道深宽比可达12:1。⑨可以切换装置将激光束传送至多个工作站。

3. 激光焊接在新能源汽车电机制造中的应用

（1）电机定子和转子冲片焊接 电机的定子铁心制作有铆接、扣片、胶结、焊接等多种加工工艺, 其中焊接件以质量高、成本低而得到广泛应用。焊接件是将定子铁心以硅钢片为原料, 经剪切、冲制等加工工艺后，再将叠片紧固叠压，叠装好的定子外壁上按一定距离纵向焊接几条焊缝，使每片硅钢片表面层互相熔接起来，成为一个定子整体(见图1)。电机定子焊接工艺的发展过程中曾先后采用过焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、激光焊等。从焊接工艺性看, 后两种焊接方法比较理想, 而前两种工艺方法明显存在成形差和飞溅大的不足。电机定子叠片材料一般采用冷轧或热轧硅钢片, 其焊接性良好, 如采用激光焊接，相对钨极氩弧焊来说，不仅生产率有所提高，而且改善了生产环境的卫生安全条件，根除了氩弧焊时的强弧光和臭氧及其他不良氧化物对人身的危害。并且还可以采用计算机控制双机或四机或单机多头输出激光束，分置于定子外圆壁周围，这样定子紧定所需的焊缝数，焊机运行一次或两次即可完成，既可以使变形量大幅减少，又节省了加工时间。电机转子的冲片焊接与定子的焊接类似，不同的是转子焊缝在转子内圆壁，采用激光焊接的方法也具有上述优点（见图2）。

（2）电机转子轴和转子轴压环的焊接 电机转子轴与压环之前的环焊缝一般采用CO2气体保护焊或者钨极氩弧焊，焊接所产生的形变量大，并且热影响区大，焊接产生的热量亦会对装配好的电机机体内的磁钢产生影响。采用激光焊接的方式，能量集中、密度高、加热效率高、速度快，因此母材的变形小，非熔化区金属受热影响小。

（3）电机转子轴与离合器的焊接 电机转子轴与离合器焊接时（焊接位置如图3所示，转子轴与离合器之间的环焊缝），焊缝熔深达到4mm以上，如采用CO2气体保护焊或者钨极氩弧焊，虽然熔深可以达到要求，但变形量很难控制。采用小功率填丝激光焊接的方法可以降低对工件坡口加工及装配的精度要求，提高了焊缝成形质量；另外，通过调节填丝成分，可以控制焊缝区域的组织性能。

（4）电机铝合金壳体的密封焊接 电机铝合金壳体与机身的连接一般采用铆钉或者螺栓，这样就需要在电机壳体与机身之间添加垫圈起到密封的作用。这样方式密封的效果会随着垫圈的老化损坏而减弱，对电机整体性能产生影响。如果采用无缝焊接取代铆接或者螺栓连接的方式，不但能减轻的机身重量、缩短生产周期，而且可以获得良好的密封性能。相对于其他材料，铝合金的焊接性差，一般采用钨极氩弧焊或激光焊。

4. 新能源车电机制造业应用激光焊的经济和社会效益

电机生产中使用激光焊接方式，提升了焊接接头的品质，增加其稳固性，很大程度上降低了因接头产生事故带来的损失，从一个角度来讲能够降低生产成本。另外，激光焊从根本上解决了传统钎焊、焊接过程中的热辐射、电磁辐射、弧光对环境的污染问题，具有良好的社会效益。

5. 激光焊接的发展趋势

为了满足实际工业生产中对焊接精度和生产效率的要求，未来激光焊接技术将向着焊接系统小型化、集成化、智能化的方向发展。另外，随着光纤激光器的开发和应用，未来激光焊也将逐步向光纤激光焊过渡。使用光纤激光器替代YAG激光器，焊接时精度进一步提高，其能量转换率40倍与YAG激光器；同时由于光纤激光器内没有可以拆除的光学器件，因此运行维护费用极低，每年每台激光器可以节约数千美元的维护费用。

图 1

图 2 电机转子

图 3

图 4

6. 结语

激光焊接技术的出现，可以实现对传统焊接技术所无法应用领域的焊接，满足不同材质、金属与非金属等多种焊接需求，并且因为激光本身的穿透性和折射性，使得其能够依据光速本身的运行轨迹，实现360°范围内的随意焦，而这无疑是传统焊接技术发展下所无法想象的。

随着激光焊在新能源汽车电机生产中的应用，电机的性能及寿命也会随之提升，而电机技术的突破又会为新能源汽车的不断发展提供更好的支持，也将带来更多的社会及经济效益。

[1]陈彦宾．现代激光焊接技术[M]．北京：科学出版社, 2005．

[2]刘必利，谢颂京，姚建华．激光焊接技术应用及其发展趋势[J]．激光与光电子学进展， 2005，42(9)： 43-46.