激光焊接技術在汽車工業領域的運用及問題探討

劉立波，華治華，趙立富，張祥云

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528225）

激光拼焊、激光切割、激光深熔焊、激光釬焊等工藝目前已廣泛運用于包括汽車、航空等各工業細分領域。它具有焊接高效、焊接強度高、焊縫美觀、耐久度高等優勢。但與此同時，激光焊也存在著一定的局限，例如：對焊接裝配精度要求較高、工裝精度要求高、整套系統的成本較 高、一次性投資大等。本文主要從焊接工藝及尺寸角度，對激光焊接產生的問題進行探討。

1 激光焊接工藝

1.1 硬件設備

硬件設備除激光器之外，還包括控制裝置和配電裝置，控制裝置主要作用為控制和監視激光器。配電裝置主要作用是控制單元和設備供電。

除此之外，還需要配備一定數量的輔助設備，包括激光光纜、焊接機器人及焊接工裝、冷卻裝置等。

1.2 過程控制

在激光器開始工作前，首先應通過焊接夾具對被焊零件進行定位，焊接夾具可保證焊接時零件的精確定位，減小焊接變形。夾具定位后由機器人控制器發出信號給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），再將信號發給激光控制器，激光控制器接收到信號后開始工作，同時焊接控制系統開始工作。不同激光焊接方式，焊接控制系統的組成略有不同，例如激光熔焊無需送絲系統，而激光切割需要配備在線檢測系統等。

1.3 激光參數

1）功率密度。激光功率密度即單位面積內激光的功率，作為激光焊的重要參數之一，激光功率密度對焊接熔深有著直接的影響。當功率密度達到一定值（約106W/cm2）時，可產生小孔效應，形成大深寬比的焊點。但過于大的功率密度，會造成焊接材料劇烈汽化。

2）激光脈沖波形。激光脈沖波形主要影響焊接效果，由于光的反射現象，當激光照射到金屬材料表面上時，很可能一半以上的激光能量會因反射現象損失掉，同時反射情況還受到溫度變化的影響。因此，針對不同的材料和焊接參數，選擇的激光脈沖波形也不同。

3）激光脈沖寬度。脈沖寬度直接影響焊縫的熔深大小。更寬的脈沖寬度，可以得到更大的焊縫熔深，但是單純增加脈沖寬度，會引起焊縫附近金屬氧化，甚至變形。

4）離焦量。在激光焊接中，焦平面的激光功率密度一般會大于正常所需。因此，以焦點位置作為焊接面，可能會因功率密度過大造成焊接缺陷。所以，一般將焦平面離開工件表面一段距離，該距離稱為離焦量。如圖1所示，以焊接工作面為基準，焦平面遠離工件稱為正離焦，反之，則稱為負離焦。負離焦可以獲得更大的熔深，正離焦可以獲得更美觀的焊縫。

圖1 焦平面示意圖

2 激光拼焊工藝及問題探討

2.1 工藝描述

激光拼焊即激光輻射加熱工件表面，從而形成熔池。因此，激光拼焊可將2種或2種以上不同材質、厚度及涂層的鋼材或鋁材等進行自動拼合和焊接，然后直接沖壓成型，可以在保證零部件使用性能的前提下大幅降低車身重量，同時減少了加工環節，降低了生產線成本。

激光拼焊是在汽車制造中應用最為成功且效益較為明顯的一種激光焊接技術。所涉及的汽車結構件包括車身側框架、車門內板、門蓋鈑金、輪罩板、底板、中間支柱等。

2.2 存在問題及改進建議

盡管激光拼焊有著諸多優勢，但仍舊存在著一定的問題，例如對匹配精度要求較高，若匹配尺寸偏差較大，會產生漏焊、虛焊及尺寸波浪的缺陷。針對該問題，可以從夾具設計及焊接過程入手優化。

首先在夾具設計方面，應在焊縫位置附近布置有足夠定位及輔助夾緊，用以保證焊接前被焊零件的定位及焊接過程中的尺寸穩定；且所有夾緊塊都必須實現三向可調，用于焊接時進行微調。其次是焊接過程，可引入焊縫跟蹤及質量檢測系統。該系統主要是利用激光視覺傳感器，對焊縫形態進行成像，利用算法判斷焊縫狀態是否符合標準，同時監測激光焦點與焊接位置不重合時，及時報警，防止不合格品的流出。

3 激光切割工藝及問題探討

3.1 工藝描述

激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面使材料熔化，當激光束沿預設軌跡運動時，便可實現材料的切割。

現代汽車制造中，激光切割技術主要用于切割金屬沖壓件，以取代傳統制造工藝的修邊和沖孔模具。

3.2 存在問題及改進建議

激光切割在汽車生產制造過程，一個主要的問題是由于基準轉換帶來的零件尺寸偏差及穩定性問題。

如某汽車車身大量采用高強度鋼板，零件的所有孔位均需要熱壓成型后由激光切割完成。在激光切割過程中僅有零件的型面參與定位，切割的尺寸穩定性較傳統定位低很多。針對該問題，可以從定位基準設計角度考慮優化。

首先是定位基準的位置，定位基準應均勻分布在零件中，確保零件重心距定位基準距離較為平均，且定位基準盡可能布置在寬大、穩定的平面上。其次，零件切割的定位點最好與模具基準點保持一致。大部分激光切割夾具并未設計夾緊功能，雖然提高了生產節拍，但是考慮到尺寸的穩定性，在定位基準不宜布置或穩定性差的區域應設計夾緊，必要時可考慮利用光學設備進行型面檢測，在激光切割時作一定的公差補償。

4 激光深熔焊工藝及問題探討

4.1 工藝描述

激光深熔焊利用激光光束作為熱源，加熱金屬母材，使其迅速汽化形成小孔，形成的小孔可以快速吸收外界攝入的熱量，當熱量從高溫小孔傳遞到外壁時，靠近外壁的金屬會被快速熔化，熔融狀態的金屬填充小孔流動后的縫隙并冷卻形成焊縫。

4.2 存在的問題及改進建議

激光深熔焊一般應用于板材焊接，其主要的問題有板材搭接存在間隙而導致虛焊、漏焊；焊接瞬時溫度較高導致金屬內部組織變化出現尺寸變形。

如圖2所示，某車型由于內板與門檻匹配存在間隙，導致激光熔焊未焊透、形成虛焊。對于該種缺陷，可以從零件尺寸、焊點布置及工裝輔助三方面加以優化。

圖2 某車型激光熔焊缺陷

1）零件尺寸。由于零件為多層搭接匹配形式，因此，應適當提高相關零件尺寸要求，或根據間隙狀態優化零件，最終匹配間隙小于0.5 mm為宜。

2）焊點布置。激光焊之前可以在搭接型面較長的地方先進行固定點焊，有助于消除焊接間隙，同時注意焊點布置間距合理、均勻，如圖3所示。

圖3 焊點布置不均引起匹配間隙大

3）工裝輔助。可在焊槍前部增加前導壓輪/壓指，使其跟隨焊槍一起運動，通過調節壓緊力保證被焊零件在焊接前的焊接間隙，以消除因焊接間隙大造成的焊接缺陷。如圖4所示。

圖4 前導壓輪結構示意圖

對于焊接熱變形，主要會出現在焊接熱成型鋼的區域，可以增加局部輔助夾緊的同時，對熱成型零件做一些尺寸預留。即在零部件生產時，在會產生變形的地方提前反向預留一些變形尺寸，在零件參與焊接變形后，剛好或基本變回到理論的尺寸位置，如圖5所示。

圖5 某車型高強度鋼的熱變形預留

5 激光釬焊工藝及問題探討

5.1 工藝描述

激光釬焊原理與普通釬焊焊接工藝相似，但又存在不同，激光釬焊熱源為激光，激光作用于焊絲表面，將焊絲熔化，再利用機器人牽引焊絲，將其浸潤至焊縫處，完成激光釬焊的焊接過程。

5.2 存在問題及改進建議

激光釬焊工藝對匹配間隙變化敏感，焊接間隙要求很高（焊縫最大間隙通常要求不超過0.2 mm），在實際生產中不易實現，極易由于零件尺寸波動產生下陷、沙眼、氣孔等缺陷，如圖6所示。

圖6 某車型焊縫塌陷缺陷

改善釬焊工藝即要改善焊接過程的穩定性，可以從以下幾個方向進行優化。

1）零件尺寸。作為焊接間隙直接決定因素，對零件匹配區域尺寸要重點控制，釬焊搭接區域每300 mm平整度小于0.2 mm，整條搭接區域平整度小于0.4 mm。對側圍與頂蓋搭接狀態，如圖7所示，頂蓋與外板搭接高度差Z=標準值±1 mm，接觸線夾角α在5～10°之間，保證最終接觸間隙小于0.2 mm。

圖7 側圍與頂蓋搭接要求

2）焊接參數。首先應選擇適當的激光功率，若激光功率過低，會導致不能形成有效焊接。反之，若激光功率過高，會導致母材發生變化，出現氣孔等缺陷。其次在適當的激光功率下，需根據實際匹配情況，調整參數a=（焊接速度/送絲速度）。該比例越小，焊縫寬度越大，比值過大會導致焊縫出現波浪等缺陷；反之比例越小，焊縫寬度越小，比值過小會造成焊縫塌陷等缺陷。

3）夾具設計。在夾具中，可在焊縫位置設置一定數量頂蓋壓盤控制焊接間隙，頂蓋壓盤數量設置不宜過多，否則易造成鈑金焊接波浪，同時若壓盤過少，不利于較短區域內焊接間隙的調整。在激光焊房內可以在車身兩側增加Y向的側圍推臂，用于控制側圍與頂蓋的搭接穩定性，如圖8所示。

圖8 頂蓋夾具輔助壓緊示意圖

6 結束語

隨著激光焊接技術的不斷進步與普及，人們對于激光焊接技術的功能需求也隨之提高，其在汽車制造領域的重要性已經不言而喻。我們應把握時代賦予的機遇，不斷研究開發新的技術工藝，擴大激光焊接技術在汽車制造業中的應用，不斷改進激光焊接的工藝，提升焊接質量，以滿足各行業對激光焊接的需求。