淺談汽車車身激光焊接技術的發展與應用

周成林 何芳

摘 要 近年來，我國的汽車行業有了很大進展，對石油的需求也在不斷增加。石油是不可再生能源，同時受全球環境影響，節能減排勢在必行，汽車輕量化研究將是汽車工業發展主要研究方向。文章介紹了汽車車身焊接中運用到的傳統焊接技術，并對國內外新型的車身焊接技術發展進行綜述。為汽車車身輕量化設計提供了新的焊接思路。

關鍵詞 汽車焊接技術;輕量化;汽車材料

引言

汽車在行駛中燃油的消耗就會減少6%到8%。由此可見汽車輕量化是減少能耗和污染物排放的最有效可行路徑之一，目前汽車輕量化主要研究方向一方面是研發汽車車身新型材料優化車身結構，另一方面是運用先進的汽車車身焊接技術。隨著汽車材料技術的不斷發展，越來越多的新型材料被運用到汽車車身上，如輕金屬材料：鋁合金、高分子材料、碳纖維等特種材料都得到廣泛的運用。

1激光特點

激光是由原子中的核外電子在不同軌道之間受到激發而發生“躍遷”時產生的。其特點為：①指向性好。激光器發射的激光朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行，所以激光是高度集中的。②能量密度大。光子能量是用E=hγ來計算的，其中h為普朗克常量，γ為頻率。激光頻率范圍為3.846×1014～7.895×1014Hz，所以激光具有極高的能量密度。③激光是單頻、相干光源。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，所以光束相互干擾性較低，避免了普通電弧焊多頻光束相互干擾的缺點。④光束為中性。激光光束由中子組成，呈現電中性的特征，可以避免在復雜的電磁環境中受到干擾。綜上，激光作為焊接熱源具有激光光束能量密度高、中性且不受電磁干擾、電弧剛性好等特殊優勢[1]。

2系統組成和技術特點

在線測量系統由定位系統（可變）、線激光測量（LaserScan）系統、測量數據綜合分析（MDIA）系統三大部分組成。主要技術特點如下：線激光擺動式視覺傳感器技術。通過激光線掃描被測特征，提取被測特征 參數;對環境光魯棒性強，對測量位置無特殊要求;有利于提升測點初始化效率，保證日常測量的可靠性。基于無冗余參數的全局運動學模型的標定技術。在提高參數辨識精度的同 時顯著減少參數辨識的時間;在機器人磨損、溫度變化、視覺傳感器更換情況下均能對在線測量系統進行有效的補償，從而提高測量精度。基于柔性定位機器人的定位技術。能夠快速實現不同平臺車型的切換;對異常載荷能夠快速響應并報警，保護測量系統[2]。

3汽車傳統焊接技術

（1）激光熔焊。激光熔焊過程沒有焊接壓力的作用，是一個只有熱作用的過程，與電阻點焊相比，焊縫光滑平直，焊件變形較小，這對于提高車身精度具有重要意義。但該方法對于待焊沖壓件的要求較高，要求其裝配間隙較小，一般為0.05～0.2mm，否則容易產生氣孔，因此對沖壓件的精度提出了更高的要求，要求其與焊接區域相關部位的尺寸精度為±0.2mm。為此，這對模具提出了更高的要求，制造成本也會更高。裝配間隙的要求是為了降低焊縫中的氣孔含量。這些氣孔主要是板材表面涂層和污漬所致，如表面鍍鋅層、鈍化層、殘留的固化劑、油污以及吸附的水分等，必須為這些焊接過程中高溫氣化氣體的逸出提供必要的通道，即“逃逸通道”。

（2）氣焊。氣焊與手工電弧焊不同，它是將可燃氣體與助燃氣體在焊炬混合后引燃后，利用產生的高溫火焰作為熱源將焊件和焊絲融化，形成熔池待冷卻后形成焊縫的一種焊接方法。由于氣焊的熱源產生的熱能有限，所以氣焊一般用來焊接一些較薄的鋼板或者熔點較低的材料。在汽車鈑金作業中，氣焊是常用的方法之一。

（3）車身激光焊接視覺監控。激光焊接監控自動化的關鍵之一是熔池的實時監視，因此，跟蹤傳感器的選擇成了一個至關重要的前提。激光焊接視覺監控系統是用視覺傳感器來收集焊接過程圖像信息，通過對采集圖像信息的處理提取出有關焊接過程狀態的參數信息，以達到對焊接過程進行檢測的目的。激光焊接系統實際應用中，需配有與激光束同軸的照相機，另外配一個液晶顯示器，且能加裝十字交叉光標發生器，產生的光標與照相機通過液晶顯示器顯示工作焦點、焊絲位置與焊縫位置是否重合，另外激光光源可以發射先導激光束，以供激光焊接頭光路校準和焊縫調試之用。

（4）填絲型激光熔焊技術特點與應用。對于鋁合金搭接接頭，如果采用激光熔焊方式會存在焊縫塌陷等問題，即從表面形貌看，焊縫明顯凹陷，形成一條溝槽，這嚴重降低了接頭強度和質量。該現象產生的主要原因有：①激光熔焊具有較高的能量密度，且激光光束的剛性較高，沖擊力較強，容易使焊縫下墜。②在高溫條件下，鋁合金熔池表面的界面張力較低，在重力和激光沖擊力的聯合作用下，在焊縫背面焊穿的情況下極易發生流淌，從而造成焊縫的塌陷。為補償塌陷帶來的焊縫有效界面的損失，可以采用類似激光釬焊的方法，即在激光熔焊的同時向焊縫熔池區域同時輸入與母材近似同質的鋁合金焊絲材料，借助于激光能量，使其熔化并有效補償焊縫的塌陷，從而改善焊縫成型，滿足產品設計要求。焊接時液態焊絲金屬和母材熔化的液態金屬相互融合，冷卻后形成共同的焊縫。由于焊絲與母材近似同質，焊縫金屬和母材金屬之間形成了共同的晶粒，建立了原子之間的結合，焊接接頭具有與母材類似的強度和性能。這種焊接方式與激光釬焊具有本質區別，因為激光釬焊僅僅是釬料熔化，而母材并未熔化。

（5）電極帶式電阻點焊。電極帶式電阻點焊不僅保護電極不受污染，還能有效調節異種金屬焊接時的電阻熱平衡，從而改善焊點質量、節約能源，在輕量化車身焊接領域中具有廣闊的應用前景[3]。

4結束語

綜上所述，今后先進的汽車材料和焊接技術可以讓車身減重，從而讓汽車達到節能減排的要求。汽車材料的研究可以往輕金屬方向研究，焊接技術可以側重激光焊和摩擦攪拌焊的研究。

參考文獻

[1] 梁森，張術國，梁天錫，等.大阻尼高比剛度復合材料儀表板結構設計及動態特性分析[J].振動與沖擊，2017，36（6）：212-217.

[2] 徐峰祥，張鎖，武昆迎.基于光滑策略的復合材料車身結構動力特性分析[J].華南理工大學學報，2018，46（9）：125-130.

[3] 范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014，5（1）：1-16.