白車(chē)身激光焊接工藝淺析

侯順華，錢(qián)春平，夏良俊，耿勇

(1.上海大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805；2.上海大眾汽車(chē)有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315000；3.上海大眾汽車(chē)有限公司儀征分公司，江蘇 儀征 211400)

汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)制造技術(shù)提出了更多更高的要求，這使得汽車(chē)制造業(yè)中越來(lái)越多地采用新技術(shù)、新工藝來(lái)降低制造成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，而激光焊接技術(shù)無(wú)疑是汽車(chē)制造業(yè)中廣泛采用的一種新技術(shù)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊相比，激光焊接在精度、效率、可靠性、自動(dòng)化、輕量化和成本等方面，都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

激光焊接系統(tǒng)主要由激光源、送絲機(jī)構(gòu)、機(jī)器人、激光鏡組等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)構(gòu)成

1 激光焊接的優(yōu)勢(shì)

焊接加工工藝性能包括焊接質(zhì)量、焊接速度、熱輸入量、裝配要求、熔深、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍、可控性、自動(dòng)化程度、成本等方面，而成本又包括初始成本、運(yùn)行與維護(hù)成本。與其它焊接加工工藝相比，激光焊接技術(shù)在焊接質(zhì)量、焊接速度、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍等方面，都要優(yōu)于電阻點(diǎn)焊、電子束焊、電容放電焊接、鎢極氬弧焊、摩擦焊等。以下主要將激光焊與車(chē)間應(yīng)用最多的傳統(tǒng)點(diǎn)焊在經(jīng)濟(jì)性、工藝性?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行分析比較。

1.1 經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)

激光焊接較之傳統(tǒng)點(diǎn)焊，在經(jīng)濟(jì)性能上有很大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以節(jié)省焊件材料，降低生產(chǎn)制造成本，而且在人工成本上也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

板材成本。傳統(tǒng)點(diǎn)焊需把兩個(gè)焊頭夾在工件邊緣上進(jìn)行焊接，因此需要預(yù)留足夠的焊接凸緣，而激光焊接只需焊接單面翻邊材料，可以大大減少預(yù)留的凸緣，減輕整個(gè)車(chē)身的重量。以上海大眾儀征工廠所用NIMARK點(diǎn)焊槍為例，焊接板件凸緣寬度最少需要16mm，而激光焊接只需要5mm，如果把白車(chē)身點(diǎn)焊改為激光焊，每輛車(chē)可節(jié)省鋼材40kg，儀征工廠年產(chǎn)38萬(wàn)輛共可節(jié)約鋼材15200噸。

焊接設(shè)備成本。一臺(tái)大功率激光器配上數(shù)控加工系統(tǒng)可取代十臺(tái)電阻焊機(jī)械手，且效率是電阻點(diǎn)焊的十倍以上。因此，采用激光焊接技術(shù)，同等焊接工作量要求下，相較于傳統(tǒng)點(diǎn)焊所需的控制系統(tǒng)、機(jī)器人、工裝夾具等大幅減少，單臺(tái)激光焊接設(shè)備可節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備投入800萬(wàn)。

人工成本。原車(chē)頂與側(cè)圍采用傳動(dòng)點(diǎn)焊之后需要設(shè)立人工工位，一般需兩名工人添加密封條。采用激光焊，由于其特殊的密封工藝及美觀效果，無(wú)需人工操作，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，可節(jié)約人工工位費(fèi)用200萬(wàn)。

設(shè)計(jì)成本。激光焊接工藝簡(jiǎn)化車(chē)身結(jié)構(gòu)件，大大提高汽車(chē)設(shè)計(jì)的靈活性，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)投產(chǎn)周期。

1.2 工藝性?xún)?yōu)勢(shì)

激光焊接最突出的特點(diǎn)就是功率密度高，熱輸入小且集中，焊接部位的熱變形和熱影響區(qū)很小，有利于提高焊接速度以及焊縫的力學(xué)性能。對(duì)車(chē)身車(chē)間而言，激光焊較之點(diǎn)焊的工藝優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）能量密度高。

（2）激光焊接速度快、熔深大。

（3）激光焊接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊縫晶粒細(xì)小致密。

（4）激光焊縫力學(xué)性能好，強(qiáng)度高。

（5）激光焊接可達(dá)性更好，點(diǎn)焊槍焊接過(guò)程中焊槍打開(kāi)需要一定空間，同時(shí)為兼顧兩個(gè)焊接頭需要調(diào)整姿態(tài)，而激光單面焊接能夠適應(yīng)更復(fù)雜的車(chē)身結(jié)構(gòu)。

（6）激光焊接焊縫細(xì)窄，無(wú)需使用密封條與鑲嵌條，提高外觀的流線性，更加美觀大方。

2 激光焊接強(qiáng)度分析

2.1 焊接殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要因素之一，對(duì)焊接力學(xué)性能有著重要的意義。為了分析激光焊接與傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝的焊接強(qiáng)度，分別在ANSYS軟件中建立激光焊接、傳統(tǒng)點(diǎn)焊焊接仿真模型，如圖2所示。使用ANSYS軟件對(duì)激光焊接進(jìn)行模擬，需定義熱源函數(shù)，并將該函數(shù)作為載荷加載在焊接模型上，所定義的熱源函數(shù)如下式所示：

圖2 焊接仿真模型

如圖3所示為激光焊接以及點(diǎn)焊焊接板件的殘余應(yīng)力分布圖。從仿真模擬圖中可以看出，激光焊接在最大殘余應(yīng)力和平均殘余應(yīng)力兩個(gè)指標(biāo)上均小于點(diǎn)焊。此外，激光焊接區(qū)沒(méi)有殘余應(yīng)力集中的現(xiàn)象。而點(diǎn)焊有殘余應(yīng)力集中，主要集中在焊核外圍，這對(duì)于點(diǎn)焊性能有很大影響，受到剪切載荷時(shí)必然很容易破壞。

圖3 焊接殘余應(yīng)力仿真結(jié)果

2.2 一定載荷下焊接件應(yīng)力分析

如圖4所示，以平行于焊縫方向施加3000N拉力時(shí)，對(duì)于激光焊縫最大應(yīng)力約為305MPa,電阻點(diǎn)焊最大應(yīng)力約400MPa，電阻點(diǎn)焊最大應(yīng)力集中在板材貼合面位置。施加載荷條件下，激光焊接和點(diǎn)焊的應(yīng)力均高于無(wú)載荷條件。

圖4 焊接有限元仿真云圖

3 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制、圖像處理、傳感器、信息與通訊等先進(jìn)技術(shù)與激光焊接技術(shù)的融合，使得激光焊接正向著智能化、遠(yuǎn)程化、柔性化方向發(fā)展，而焊接質(zhì)量是首要前提。為保障焊接質(zhì)量，不僅需要嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)，還需要在不斷積累自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸收借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，積極做好技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新。

[1]謝頌京,姚建華,劉必利．激光焊接技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J]．激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2005,42(9):43-47．

[2]楊春燕．激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]．西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2008,26(5):18-20．

[3]伍強(qiáng), 徐蘭英, 楊永強(qiáng)等．高強(qiáng)鋼激光焊接殘余應(yīng)力的研究[J]．中國(guó)激光,2015, 42(6):129-135．

[4]王曉虹,谷曉燕,孫大千．鋼/鋁異種金屬激光焊接頭界面特性的研究[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017, 53(4):26-33．