作者：航天三江激光院李方志、何崇文、万楚豪

一、技术背景

环境保护问题已经成为当今中国乃至全球的一项重大民生问题，直接影响着全人类的生命健康安全。随着汽车保有量的快速上涨，燃油汽车的尾气排放已成为影响环境的关键因素之一。基于此，我国于2018年6月发布了“打赢蓝天保卫战三年行动计划”并在同期宣布了关于汽车排放的“国六标准”。国六标准已于2019年7月1日陆续在全国开始施行，并将于2023年7月1日全面适用于所有燃油车型，这必将对汽车领域，尤其是其中动力系统提出了更高的要求。

作为燃油汽车的心脏，发动机无疑是动力系统改造升级最重要的一环。近年来，锻钢材料由于其自身强度高、热膨胀系数小、密度高、导热性低等特点，已经成为活塞制造中最具发展前景的新型材料。相比于传统铝制活塞，钢活塞具有更少排放、更低生产成本、更强动力、更低油耗、更长换油周期等优点。业内普遍认为，钢活塞行业是未来活塞行业的必经之路，并将在未来3~5年内全面替代铝制活塞。根据测算，短期内具有200条以上钢活塞生产线的市场需求以及40亿元以上的市场容量。

二、钢活塞加工技术

目前的钢活塞主要使用真空电子束焊接或者搅拌摩擦焊进行加工，但是其生产效率、自动化程度均远远不及激光焊接技术。激光焊接技术有望成为钢活塞焊接生产最具发展潜力的新技术。

激光焊接技术通过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，伴随着激光束的运动形成所需形状的焊缝从而达到良好的冶金结合，具有焊接速度快、深宽比大、自动化程度高的特点。钢活塞的激光焊接技术于2018年9月19日首次亮相于第67届汉诺威国际商用车展，并在锡柴奥威6DM3发动机上实现首配，是世界首例激光焊钢活塞的成功应用。

三、激光焊接钢活塞技术难点

激光焊接具有较电子束焊接、搅拌摩擦焊明显的优势，但是在钢活塞的激光焊接技术中，仍然具有相当的技术难点，主要表现为回转体结构的厚板易开裂材料的高功率、高精度激光焊接问题，具体为：

1) 活塞材质（42CrMo4、38MnVS6）中碳当量较高（中碳钢），在聚焦激光的作用下焊缝位置将产生巨大的温度梯度，极易在焊接过程中产生裂纹，影响产品使用性能；

2) 厚板材料（6~12 mm）激光焊接过程中易产生飞溅及气孔，尤其是在高功率激光条件下（＞6 kW），易于形成焊接熔池不稳定；

3) 焊接精度要求高，焊接起始位置易于产生焊接烧蚀坑，在焊缝的表面易形成凹坑、在焊缝背面易形成驼峰；

4) 气体保护对焊接质量、表面质量影响大，需要在焊接过程中对焊接位置提供实时、有效的全方位保护；

5) 大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加，有必要在保证焊接质量及效率的前提下降低设备制造、使用成本。

四、钢活塞激光焊接解决方案

为突破钢活塞激光焊接的技术瓶颈，打破国外技术垄断，国内某大型活塞生产企业于2019年10月成功上线国内首条自主研发的钢活塞激光焊接自动化生产线（全球第二条同类型生产线）。目前该条产线已成功投入使用并正式开启批量生产，具有年产40万只钢活塞的加工产能。在此之后，该企业又迅速完成第二条生产线的扩增决定以便能在2020年实现钢活塞加工产能进一步提升。

依据锻钢的材料属性以及高功率激光焊接的技术特点，制定了“激光清洗-焊前预热-激光焊接-焊后保温及热处理”的钢活塞激光焊接解决方案。其中激光焊接单元，为武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司（以下简称“航天三江激光院”）设计制造。此款激光焊接机采用双工位回转设计（图 1所示），通过与整条产线上、下游环节的联动，能够在激光焊接的同时进行上、下料的同步操作。该设备使用8kW作为焊接光源，可以在8s内完成钢活塞单道焊缝的激光焊接过程（依据钢活塞尺寸以及焊接深度略有变化），并能提供有效焊接深度达8~10mm。通过大量的激光焊接工艺积累，制订了适用于钢活塞激光焊接的工艺方案（包括焊前预热-激光焊接-焊后热处理等），焊接完成的钢活塞样品经过超声检测以及最严格的工业CT检测，焊缝内部并未观察到裂纹及孔隙缺陷，完全满足制造、交付标准。

图 1 航天三江激光院研制的钢活塞激光焊接机构

五、传动件激光焊接解决方案

航天三江激光院在成功研制、交付钢活塞激光焊接机后，又大胆进行技术创新，提出了钢活塞在气氛保护环境下的激光焊接解决方案。研究表明：在真空环境下进行激光焊接，可以显著增大激光焊缝的熔池深度，并极大的改善焊缝中气孔、裂纹缺陷的产生。基于此，可以在无须提高激光功率的情况下进一步的提升焊接质量、增加焊接深度，该技术有望成为下一代钢活塞焊接的关键重大工艺突破。

在航天三江激光院最新研制的CDL 300zk型低真空激光焊接平台中，除了引入真空激光焊接技术外，还将整套装备的功能拓展为“上下料-激光清洗-感应加热-压装-真空激光焊接”一体化集成方案。通过4工位设计的旋转工作台，各个工位之间可以实现流水线式生产作业，相比于常规钢活塞激光焊接生产线，该平台更节省占地空间，能大幅降低能源消耗并提升工作效率。同时该平台设计有输送带式物料流转系统，可方便地与钢活塞制造厂商已有加工生产线快速对接，实现低成本的产线技术升级和技术改造。