激光焊接在汽車車身制造中的應用

摘 要：目前汽車行業車身骨架焊接主要有電阻點焊、凸焊、螺柱焊、激光焊、弧焊等方式，其中激光焊接技術在車身一些重要部位，逐漸取代了電阻點焊，主要應用在車身外觀焊縫的焊接，減少焊接缺陷，提升外觀精致感和整車性能，例如頂蓋與側圍的焊接。激光焊接在汽車制造過程中的應用，有利于車身減重和降低油耗;有利于提高車身的裝配精度，使車身剛度提升30%，從而提高車身安全性;降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數目，提高車身一體化程度。

關鍵詞：激光焊接;汽車車身;制造;應用

1 激光焊的主要組成部分

激光焊接應用采用激光作為焊接熱源，工業機器人作為運動系統。激光熱源的優勢在于，它有著極高的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的焊接點上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快和焊接變形小等特點，可實現薄板的快速連接。主要組成部分有激光源、光導和聚焦系統、焊接機器人、焊接夾具、激光焊接控制系統。其中激光源是通過激光發射器發出的。激光發射器在發揮作用時，按照不同的形態分為氣體和固體兩種類型。具體發射效果的質量高低與發射器所能夠輸出的光束質量有直接關系。通過對實際應用效果的觀察可見，氣體狀態的發射器較之固體狀態的發射器在輸出功率上更大。光束本身的質量也更高。與車身制造的實際要求更為貼合，是應用廣泛性較強的一種發射器類型。而對于光導以及聚焦系統而言，其主要作用是為焊接的具體效果提供保障。整個光導熊可實現對光束狀態的控制，并且影響光束聚焦的效果與和方向，具體來說，巨小系統又包括了不同類型的鏡結構。如圓扁振鏡、擴束鏡、反射鏡、聚焦鏡等。如遇到功率較大的激光，聚焦系統中的一部分構件的性能可能受到不良影響，進而影響到車身制造的質量。焊接機器人的主要功能是發揮焊接技術的作用。在具體的焊接操作中，不同的焊接工藝和技術要求意味著對不同機器人的工作要求也有所差異。當進行的搭接環節和角焊縫環節的操作時，應用普通性能的機器人即可完成焊接任物，但如果在接縫痕接中用到了激光焊技術，相應的機器人選擇也要進行調整，一般應用絞臂式焊接機器人進行操作。為了確保焊接效果，技術人員應當重視機器人運行參數的合理調配。焊接夾具主要應用在焊接位置的準確定位上，準確的定位對于避免變形有重要的作用，是提升焊接效果精確性的一種科學方法。而焊接控制系統則是以一個整體小型系統的模式存在的。其中包括了視頻監控設備、自動跟蹤設備、矯正系統等多個結構，是確保焊接操作順利進行的主要工具，具體應用時需要根據不同的焊接技術配置適當的焊接控制系統，確保控制系統作用的有效發揮。

2 激光焊的優勢

激光焊接技術的主要優勢有以下方面：

（1）熱量輸入很小、焊縫深寬比大，熱影響區小導致工件收縮和變形很小，無需焊后矯形;

（2）焊縫強度高、焊接速度快、焊縫窄且通常表面狀態好，免去焊后清理等工作;

（3）焊接一致性、穩定性好一般不加填充金屬和焊劑，并能實現部分異種材料焊接;

（4）光束易于控制，焊接定位精確易于實現自動化;

（5）非接觸加工，不需對工件加壓和進行表面處理;

（6）焊點小、能量密度高、適合于高速加工;

（7）短時間焊接，既對外界無熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區小，尤其適合加工高熔點、高硬度、特種材料;

（8）無加工噪音，對環境無污染;

（9）可通過光纖實現遠距離、普通方法難以達到的部位、多路同時或分時焊接;

（10）很容易改變激光輸出焦距及焊點位置;

（11）很容易搭載到自動機、機器人裝置上;

（12）與其它焊接工藝方法比較激光焊接的前期投資較大;

（13）被焊工件裝配精度高，相對而言對光束操控的精確性也有較高的要求;

（14）由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙，但強度比普通點焊要高很多。

3 激光焊的應用

應用于車身的激光焊接主要分為兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質，激光直接作用在工件表面上進行焊接;另一種為填充焊，即通常所說的釬焊，主要應用于汽車頂蓋的焊接。

3.1 熔焊

根據激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導焊和穿透焊。3.1.1 熱傳導焊

由于激光匯聚于一點時會產生相當高的溫度（與能量密度大小有關），當溫度達到1 490℃時，鋼板就會熔化，利用此種熱效應進行焊接的方式為熱傳導焊，其過程為：首先通過激光將工件表面加熱到熔點，金屬熔化后會形成一個半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當吸收的激光能量與熔池向四周擴散的熱量達到平衡時，熔池便不再擴大。

沿預定軌跡移動激光光束，熔池也隨之移動，熔池前方的金屬不斷熔化，后方的金屬冷卻，從而形成一條焊縫。熱傳導焊的優點體現在焊縫光滑且飛濺少，速度為（1～3）m/min，焊縫深度與寬度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

3.1.2 穿透焊

在汽車白車身上，因為焊接鋼板有2～4層，厚度可達4 mm，所以對焊縫的深度有更高的要求，此時熱傳導焊無法滿足工藝的要求，這就需要另一種焊接方式—穿透焊，穿透焊具有速度快、熔深更深的特點，它對激光能量密度的要求遠高于熱傳導焊。

當激光作用于工件表面時，金屬迅速汽化（在2 590℃鋼板就會汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴散出熔池，并形成一個蒸汽通道，激光在通道內進行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%，在這里稱之為“小孔效應”，當產生的蒸汽壓力不足以擴散出熔池時，熔池便不再加深，形成一個穩定的焊接狀態。

熔池經過的位置，在蒸汽通道周圍形成金屬熔液流動，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強度焊縫。與熱傳導焊相比，穿透焊的優勢在于其焊接深度更深、速度更快，對于4 mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達5 m/min;而其缺點在于其將金屬迅速汽化后產生的大量飛濺容易損傷工件及加工設備。

3.2 填充焊（釬焊）

另一種焊接方式為填充焊，此種方式并不熔化工件本身，而是利用激光的熱效應熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個工件之間，其優點在于焊縫美觀，產生的熱變形小，汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。

汽車頂蓋激光釬焊技術是最早應用于車身加工的激光工藝，其原理為利用激光將焊絲（一般為銅硅合金）熔化并填充到頂蓋與側圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進行密封。穿透焊的過程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進行穿透焊接，無焊絲填充，機器人帶動鏡頭按照預先編定的軌跡直接焊接，無需導向裝置。

穿透焊采用激光功率為4 kW，遠高于釬焊。因為焊接中需要熔化工件，所以在焊縫的兩端需要設置功率斜坡，即在焊接起始時，功率在30 ms內從1 kW線性增加至4 kW，結束時功率在30 ms內從4 kW降到1 kW。

這樣做的優點在于避免在起弧和收弧時將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質量。激光源采用YAG連續型激光發生器，最高輸出可達4 kW，由于焊絲的熔點相對鋼板要低，所以選擇激光的輸出功率范圍為（1.8～2）kW，在熔化焊絲的同時，保證頂蓋和側圍不產生熱變形。

激光采用柔性的光纜傳輸，可以使激光發生器與焊接工位分開，避免設備受到損傷。根據焊絲直徑的大小，在焊接端利用光學鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊絲直徑為1.0 mm，將激光聚焦的光斑直徑調整為1.2 mm，使激光最大限度的作用于焊絲上。

焊接過程中由機器人帶動自適應式焊接鏡頭，轉動軸帶動伸縮臂在水平方向上轉動，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動。一般車身的激光焊縫長達42 m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強度和剛性。采用激光釬焊的車頂只有一條細致平滑的焊縫，直接作為外表面以增加車身的流線視覺效果，而采用傳統點焊工藝的車頂則有兩條橡膠密封條。

4 結語

如今激光焊接應用于汽車車身生產已經成為一種趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、提高車身的裝配精度，同時還能大大加強車身的強度，在用戶享受舒適的同時，為其提供更高的安全保障。

參考文獻：

[1]馮國強，何柳，陸德利.RLW-A在汽車制造中的應用[J].焊接技術，2018，047（001）：1-5.

[2]張京.汽車白車身激光焊接技術[J].南方農機，2018，049（024）：104.

[3]張林陽，張敏，高建昊，等.激光焊接技術在乘用車制造中的應用及發展動態[J].汽車工藝與材料，2018，000（008）：6-11.

作者簡介：蔡爽（1988-），男，河北保定人，本科，工程師，研究方向：汽車車身焊接工藝。