淺議激光焊接在汽車頂蓋的應用

蔣偉光　熊志明

摘要：相比于傳統焊接方法，激光焊接技術還具有焊接精度高，焊接速度快，能夠有效焊接同種材料與不同材料等優點，因此得以快速發展與廣泛應用。本文對激光焊接工藝進行了簡要敘述，并對頂蓋激光釬焊組成、零件搭接結構及與傳統焊接的優缺點進行了詳細闡述。最后對激光釬焊焊縫外觀質量缺陷分析原因，提出方法。

關鍵詞：汽車頂蓋；激光焊接；搭接方式；缺陷

1前言

激光焊接作為工業激光應用的第二大領域，具有非常良好的應用前景。激光焊接是指將激光聚焦成很細的高能量密度光束照射至工件上，使工件受熱熔化，最終冷卻得到焊縫。激光焊接技術能夠在很大程度上降低車身材料消耗從而使得車身重量減輕，降低企業制造成本，提高汽車外觀質量。與此同時，相比于傳統焊接方法，激光焊接技術還具有焊接精度高，焊接速度快，能夠有效焊接同種材料與不同材料等優點，因此得以快速發展與廣泛應用。本文將對汽車頂蓋激光焊接應用前景進行分析。

2主要激光焊接工藝

2.1激光釬焊

激光釬焊把具有高能量和高精度的激光光束當作激光釬焊的熱源，并使得激光照射在焊接區域中的焊絲表面。焊接區域中的焊絲在高能量的激光光束的作用下會被融化，進而在焊接區域形成液態金屬。被融化成液態金屬的焊絲會在焊接縫隙處進行連接，并在外部條件適宜的情況下，使得母材進行良好的連接。但是，在操作的過程中，需要注重工件之間的連接問題，并保障母體材料不會被釬焊中使用的激光破壞。

2.2激光熔焊

激光熔焊是激光焊接的方式之一。在作業過程中能量轉換機制是通過“小孔”結構來完成的。在足夠高的功率密度光束照射下，材料產生蒸發形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔腔內平衡溫度達25000℃左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。小孔內充滿光束照射下壁體材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周包圍著固體材料。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持并保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連續流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩定態。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，于是形成焊縫。

2.3復合激光焊接

復合激光焊接時的焊接能量是通過半導體激光以及相應的輔助熱源共同提供的。且半導體激光以及輔助熱源都安裝在焊接頭的內部。輔助熱源中的焊接光會在上層材料中直接進行加熱。復合激光焊接與比較常規的焊接結技術相互比較，焊接面的溫度會更加的穩定和均勻，并且在焊接的過程中會產生不同的橫向熱流。

3汽車頂蓋激光焊接應用

為了使得市場的需求得到滿足，我們需要對汽車制造工藝進行改善。汽車工業中的激光焊接技術在往往應用在汽車的白車身焊接上。因此，利用激光焊接技術不但可以使汽車車身的抗沖擊性得到改善，還可以使得車身的抗疲勞效果增加，進而提高汽車的品質。而汽車的激光焊接往往是通過計算機或PLC進行控制的，所以靈活性以及控制的機動性較高。比如汽車頂蓋應用激光焊接技術不單單具有較高的效率，還具有一定的經濟性，并在抗腐蝕、強度及外觀質量等方面表現出巨大的優勢。

3.1激光頂蓋釬焊的系統組成

汽車頂蓋激光焊接系統的組成如圖1所示，其中激光發生器需要在使用的過程中配合冷卻系統，其在工作的過程中會產生一定的激光，并經過耦合之后生成具有規定波長的激光束，進而配合焊接。激光焊接頭是在傳輸焊接激光后，使其經過光頭校準處理，并使得其成為具有一定加工性能的激光束。焊接系統中的機器人系統主要承擔焊接軌跡行走的作用，同時對焊接中的參數進行合理的調節，并給出準確的電氣信號。PLC控制臺是焊接系統的司令部，其主要對焊接系統中的各個電氣進行實時的處理，并對機器人進行協調和處理，同時實現自動化系統的信號交換。

3.2頂蓋激光釬焊鈑金搭接方式

相較于電阻點焊的側圍和車頂分別作翻邊用于連接，激光軒焊車頂連接為滿足激光釬焊的焊接工藝要求，激光軒焊車頂連接為滿足激光釬焊的焊接工藝要求，車頂和側圍連接某一剖面處形成點接觸，整個接觸區域形成線接觸。由于零件制造公差、壓緊工裝和車頂自重等，導致車頂易下沉。為了克服車頂下沉被周邊搭接面頂起，將頂蓋和側圍接觸面左右形成倒梯形（圖2），吸收頂蓋下沉的容差，達到造型的光順、車頂和側圍能有效接觸和滿足制造工藝需求，同時也獲得良好的外觀質量。

A-側圍與水平方向的夾角，保證車頂和側圍之間足夠接觸；B-車頂和側圍5°夾角，確保車頂和側圍有一個正切直線接觸；C-圓角半徑：圓角的最小要求，為了提高整車的外觀表現，減少焊絲的填充，降低成本；D-圓角半徑：造型要求一個連續特征線穿過車頂和風窗玻璃E-執行楔型塊需求平面，造型要求一個連續特征線穿過車頂和風窗玻璃；F-焊接平面需求，焊接搭接面需要連續，這個特征確保焊接搭接面為-平面，不允許出圓角，保證1.5mm交叉平面；G-11.5mm平面要求，確保車頂和側圍的接觸；H-模具成型約束：折彎邊。

8.3焊接過程需要做到四點合一

為了使得激光焊接自動化系統的工作更加的安全、穩定、可靠，使得自動化焊接系統中的機器人TCP點、激光焦點、焊絲端點、十字光標中心，四點合一。如圖6，控制軟件和現場視屏顯示四點合一，這樣才能提高激光頂蓋釬焊的系統的作業效率及焊縫質量。

4激光釬焊和傳統電阻電焊對比

4.1焊接外觀方面

激光焊接由于其單面焊接、熱影響區小、焊縫美觀、速度快的特點能夠極大地減少構件變形。而傳統電阻電焊則是利用電極，通過較大的電流來熔化電極接觸的材料表面，所以在焊接的過程中很容易造成工件出現變形的情況，此外，能夠焊接的材料范圍也十分有限。

4.2柔性方面

傳統電阻電焊還需要定期地進行電極維護清理，電極可接觸的區域也較激光釬焊小。而激光焊接與傳統的焊接相互比較，其更易于實現自動化，因此，焊接的整個生產流程具有非常高的柔性，同時，自動化的焊接使得焊接中的各個技術要點可以得到合理的控制，并具有較高的靈活性。

4.3焊接成本控制方面

與傳統的焊接相互比較，激光釬焊一次性投入成本較高。但是使用激光釬焊可以取消頂蓋膠條，但降低整車零件成本。

4.4效率方面

與傳統的焊接相互比較，激光釬焊速度快。以頂蓋為例：單側車頂長度1800mm，傳統電焊焊點40點，一個焊點焊接時間3s，采用1臺機器人焊接，頂蓋工位焊接時間：40*3=120s。采用激光釬焊，焊接速度可達70mm/s，采用采用1臺機器人焊接，頂蓋工位焊接時間：1800/70=25.7s。采用激光釬焊效率可提升4倍。

5結束語

綜上所述，本文對汽車頂蓋激光焊接的應用進行分析，首先，介紹激光釬焊、激光熔焊以及復合激光焊接三個主要激光焊接工藝。接著分析汽車頂蓋激光焊接應用，并對比激光釬焊和傳統電阻電焊技術，分別從焊接外觀、焊接柔性、焊接成本、焊接效率四個方面進行比較。據了解激光釬焊其中焊絲成本占用運營成本95%，處于運營成本考慮，許多整車廠家并未使用。因此，我們需要對激光釬焊降低運營成本降低方面進行進一步的研究。可考慮研發更低成本的焊絲替代現有的CuSi3焊絲，或者研究合適的鈑金搭接方式及焊接參數取消焊絲，這樣激光焊接技術可以更廣泛的應用在汽車行業當中。