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、技術背景

環境保護問題已經成為當今中國乃至全球的一項重大民生問題，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境的關鍵因素之一。基于此，我國于2018年6月發布了“打贏藍天保衛戰三年行動計劃”并在同期宣布了關于汽車排放的“國六標準”。國六標準已于2019年7月1日陸續在全國開始施行，并將于2023年7月1日全面適用于所有燃油車型，這必將對汽車領域，尤其是其中動力系統提出了更高的要求。

作為燃油汽車的心臟，發動機無疑是動力系統改造升級最重要的一環。近年來，鍛鋼材料由于其自身強度高、熱膨脹系數小、密度高、導熱性低等特點，已經成為活塞制造中最具發展前景的新型材料。相比于傳統鋁制活塞，鋼活塞具有更少排放、更低生產成本、更強動力、更低油耗、更長換油周期等優點。業內普遍認為，鋼活塞行業是未來活塞行業的必經之路，并將在未來3~5年內全面替代鋁制活塞。根據測算，短期內具有200條以上鋼活塞生產線的市場需求以及40億元以上的市場容量。

二、鋼活塞加工技術

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行加工，但是其生產效率、自動化程度均遠遠不及激光焊接技術。激光焊接技術有望成為鋼活塞焊接生產最具發展潛力的新技術。

激光焊接技術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，伴隨著激光束的運動形成所需形狀的焊縫從而達到良好的冶金結合，具有焊接速度快、深寬比大、自動化程度高的特點。鋼活塞的激光焊接技術于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發動機上實現首配，是世界首例激光焊鋼活塞的成功應用。

三、激光焊接鋼活塞技術難點

激光焊接具有較電子束焊接、攪拌摩擦焊明顯的優勢，但是在鋼活塞的激光焊接技術中，仍然具有相當的技術難點，主要表現為回轉體結構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（42CrMo4、38MnVS6）中碳當量較高（中碳鋼），在聚焦激光的作用下焊縫位置將產生巨大的溫度梯度，極易在焊接過程中產生裂紋，影響產品使用性能；

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

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

4) 氣體保護對焊接質量、表面質量影響大，需要在焊接過程中對焊接位置提供實時、有效的全方位保護；

5) 大功率激光設備價格隨功率等級提高呈指數增加，有必要在保證焊接質量及效率的前提下降低設備制造、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瓶頸，打破國外技術壟斷，國內某大型活塞生產企業于2019年10月成功上線國內首條自主研發的鋼活塞激光焊接自動化生產線（全球第二條同類型生產線）。目前該條產線已成功投入使用并正式開啟批量生產，具有年產40萬只鋼活塞的加工產能。在此之后，該企業又迅速完成第二條生產線的擴增決定以便能在2020年實現鋼活塞加工產能進一步提升。

依據鍛鋼的材料屬性以及高功率激光焊接的技術特點，制定了“激光清洗-焊前預熱-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業技術研究院有限公司與哈爾濱工大焊接科技有限公司聯合研制。此款激光焊接機采用雙工位回轉設計（圖 1所示），通過與整條產線上、下游環節的聯動，能夠在激光焊接的同時進行上、下料的同步操作。該設備使用8kW作為焊接光源，可以在8s內完成鋼活塞單道焊縫的激光焊接過程（依據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（包括焊前預熱-激光焊接-焊后熱處理等），焊接完成的鋼活塞樣品經過超聲檢測以及最嚴格的工業CT檢測，焊縫內部并未觀察到裂紋及孔隙缺陷，完全滿足制造、交付標準。

圖 1 航天三江激光院研制的鋼活塞激光焊接機構

五、傳動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后，又大膽進行技術創新，提出了鋼活塞在氣氛保護環境下的激光焊接解決方案。研究表明：在真空環境下進行激光焊接，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、裂紋缺陷的產生。基于此，可以在無須提高激光功率的情況下進一步的提升焊接質量、增加焊接深度，該技術有望成為下一代鋼活塞焊接的關鍵重大工藝突破。

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中，除了引入真空激光焊接技術外，還將整套裝備的功能拓展為“上下料-激光清洗-感應加熱-壓裝-真空激光焊接”一體化集成方案。通過多工位設計的旋轉工作臺，各個工位之間可以實現流水線式生產作業，相比于常規鋼活塞激光焊接生產線，該平臺更節省占地空間，能大幅降低能源消耗并提升工作效率。同時該平臺設計有輸送帶式物料流轉系統，可方便地與鋼活塞制造廠商已有加工生產線快速對接，實現低成本的產線技術升級和技術改造。