探讨激光焊接在白车身上的应用现状

探讨激光焊接在白车身上的应用现状

王冕

(安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽省合肥市230601)

摘要：由于科学技术的迅速发展，中国在激光焊接、切割技术方面得到了很大的进步，不过激光焊接和切割技术在汽车制造方面的应用还不够成熟，与发达国家之间依旧存在比较大的落差。如今通常会从国外进口成套的加工设备，国内相关的加工厂商还会直接从国外进口一些激光加工的零件。一味地依赖国外进口对于我国的技术发展而言并无益处，甚至会阻碍我国激光产业的发展。为了使我国的激光产业能够在汽车制造方面得到更好的应用，改善我国汽车制造行业目前的状况，必须要加大在技术方面的研究力度，实现自主创新，使激光技术能够在汽车制造行业得到更加广阔的应用。但是，以目前的情况来看要想使激光在加工技术上得到更加广阔的应用空间仍然存在较大的难度。由于国家的经济发展水平正在不断提升，国家对于汽车制造企业的扶持力度也在不断加大，相关的科研机构也对激光应用方面加大了研究力度，相信在不久的将来，我国的汽车制造业必然会有更加广阔的进步空间。

关键词：激光焊接；白车身上；应用

前言：白车身焊接质量的好坏不仅会决定汽车零部件的质量，而且还会决定汽车的整体质量，因此，对白车身焊接技术和质量控制策略进行研究尤为重要。如今，不管是城市实施乡村汽车可以说到处可见，其逐渐成为人们日常出行中比较重要的交通工具，是我国经济发展的重要支柱性产业。随着人们对汽车的了解和掌握，开始对汽车质量提出了非常高的要求，在确保汽车行业健康发展的同时，也提出了严峻的挑战。从白车身试制角度分析可以发现，其焊接质量的好坏，将会直接决定汽车的整体质量和性能，因此，需要对汽车的焊接工作给予重视。

1激光焊接常用技术概述

1.1激光焊

激光焊接过程中，金属材料通过吸收激光的辐射能量，温度升高形成液态熔池，并使其长到一定尺寸，然后激光束延固体界面移动，使被焊构件间的初始焊缝逐渐消除而熔池后部逐渐冷却，实现微小区域内金属的加热与冷却的精细平衡，获得高质量焊缝。激光焊方法因工作方式不同，有连续激光焊和脉冲激光焊之分。激光器的工作物质有气体、固体、半导体、液体和自由电子，焊接中常用的是CO2激光器和Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）激光器。CO2激光器的功率能轻易达到20KW甚至更大，但其产生的光束是波长为10.6μm的远红外光，大部分金属对该种光的反射率高达80%-90%；Nd:YAG激光器功率一般在4-6KW，产生的光束是波长为1.06μm的近红外光，虽然，功率大大降低，但大部分金属对它的反射率仅为20%-30%，特别适合铜合金和铝合金等高反射率材料。尽管激光焊接系统的初期投入成本高且能量转换效率较低，但其高效的生产率和高质量的焊缝质量足以弥补。

1.2激光焊接常用技术

1.2.1熔焊技术

该技术的原理是当对材料进行高功率的激光照射时，材料表面会蒸发而出现小孔，小孔充满蒸汽，温度极高，它几乎可以把入射激光中包含的所有能量吸收。从小孔外壁可以将小孔内部庞大的热量传递出来，高温足可以令小孔外侧的金属熔化。随着激光光束位置的不断前进，处于稳定流动状态的小孔和包围小孔的熔融状态下的金属随之移动，金属熔化后冷凝便成为了焊缝。

1.2.2钎焊技术

激光钎焊是对焊接区域中的焊丝表层进行高密度的激光照射，由于激光光束具备很高的能量，焊丝会被熔化从而成为熔融状态下的金属。当焊丝熔化后便可以对焊接缝隙进行连接，即熔化状态的焊丝可以与材料形成冶金结合体。通过激光钎焊的方式可以保证工件母材不被激光侵蚀而造成损害，因而采用激光钎焊可以保证焊接质量的稳定以及焊缝的美观。在汽车身上焊接中，钎焊技术得到了主要应用。

1.2.3复合焊接技术

该焊接方式的热源不仅包括激光，也包括其他辅助热源。辅助热源的功能是对上层材料直接加热，相比于通常的焊接技术，复合焊接可以保证焊接表面具有更加均匀稳定的温度。

2激光焊接的特点

激光焊接是目前在汽车行业蓬勃发展的一种新技术，正在越来越多的被使用。相对于传统的电子束焊接，激光焊接拥有很大的技术和成本优势，其代替电子束焊接的趋势正在得到整个行业的认可。从应用来看，激光焊接的优势十分明显，主要表现在三个方面：（1）激光焊接不产生电磁辐射，而电子束焊接在是在高电压下工作的，X射线在高压下十分强烈，需要十分严格的措施来防止X射线和强电磁对人体的伤害，但即使如此，亦不能完全避免；（2）激光焊接不需要真空环境，而电子束焊接必须在极高的真空环境下工作，分别是真空中和空气中的电子束流，焊接时需要不低于10-4Pa真空环境，抽真空成为影响设备节拍的最主要因素，在焊接变速箱齿轮的工厂，对于使用超过一年以上的真空泵，抽真空时间普遍达到1-3分钟，这极大的影响了生产节拍，而激光焊接的节拍一般在10-15秒左右；（3）激光焊接变形小，这是一个典型的变速箱齿轮，目前，业内普遍采用焊接的办法，在焊接变形试验中，分别用电子束焊接和激光焊接加工此零件，然后在主要热影响区对端面跳动进行检测，以此评估变形量。

3激光焊接的优势

3.1经济性优势

激光焊接较之传统点焊，在经济性能上有很大的优势，不仅可以节省焊件材料，降低生产制造成本，而且在人工成本上也具有显著的优势。板材成本。传统点焊需把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，因此需要预留足够的焊接凸缘，而激光焊接只需焊接单面翻边材料，可以大大减少预留的凸缘，减轻整个车身的重量。以上海大众仪征工厂所用NIMARK点焊枪为例，焊接板件凸缘宽度最少需要16mm，而激光焊接只需要5mm，如果把白车身点焊改为激光焊，每辆车可节省钢材40kg，仪征工厂年产38万辆共可节约钢材15200吨。焊接设备成本。一台大功率激光器配上数控加工系统可取代十台电阻焊机械手，且效率是电阻点焊的十倍以上。因此，采用激光焊接技术，同等焊接工作量要求下，相较于传统点焊所需的控制系统、机器人、工装夹具等大幅减少，单台激光焊接设备可节省现场设备投入800万。人工成本。原车顶与侧围采用传动点焊之后需要设立人工工位，一般需两名工人添加密封条。采用激光焊，由于其特殊的密封工艺及美观效果，无需人工操作，经统计，可节约人工工位费用200万。设计成本。激光焊接工艺简化车身结构件，大大提高汽车身上设计的灵活性，缩短产品设计投产周期。

3.2工艺性优势

激光焊接技术中功率密度较高使其最主要的特点之一，其热输入相对较小并且比较集中，给白色车身焊接部位所带来的热变形与热影响相对较小，更有利于提升车身焊接速度以及焊缝的力学性。从车身角度来看激光焊接技术与之前的电焊工艺有更多的优势。主要体现在：能量密度相对较高；焊接速度快且熔深大；激光焊接热输入量相对较小且在一定程度上缩小了热影响区域与焊接变形，焊缝晶粒细小且致密；激光焊缝具有较好的力学性能且强度较高；具有较好的可达性，电焊枪焊过程中需要打开一定的空间，并对两个焊头的姿态进行调整，焊接能够适应更复杂的车身结构；激光焊接缝相对较细，更无需使用密封条与镶嵌条，可以提升车身外观的流线性与美观性。

4当前我国汽车制造领域对激光焊接技术的应用现状

4.1传统焊接技术的应用仍大范围存在

自从上世纪九十年代左右沃尔沃汽车制造企业开发出车顶激光焊接技术以来，在全球汽车制造领域掀起了白车身焊接技术创新的浪潮，全球各大汽车制造企业纷纷开发并应用各种先进焊接技术，极大的提高了汽车的生产效益，促进了汽车行业的极大发展;我国现代汽车受制于起步较晚、技术积累不足等原因，目前汽车制造过程中以电阻点焊技术为代表的传统焊接技术的应用仍大范围存在，激光焊接技术应用较少，导致国产汽车无论是整体性能、质量还是车体外观形象上都与发达工业国家相比存在较大差距，传统焊接技术已不能够适应现代汽车制造的要求。

4.2先进焊接技术的应用已渐成趋势

由于激光焊接技术可极大的提升车体焊接的整体质量以及汽车整体性能，充分发挥了其灵活快捷、对车体焊接负面影响小、钢材使用率高等优势，成为汽车制造实现高质量、低成本生产的代名词，对于汽车制造企业的长远发展来说，已成为一项不可或缺的技术手段，越来越多的汽车制造企业开始注重激光焊接技术的应用。从我国汽车制造行业整体态势上看，先进焊接技术的应用已渐成趋势，虽说国内经过多年的努力激光焊接技术也取得了长足的发展，但与老牌汽车制造企业相比仍有一定的差距，随着经济全球化的深入，越来越多的汽车制造企业通过市场手段引进国外成套的先进焊接设备甚至购买先进焊接技术版权;可以说在国内汽车制造领域对先进焊接技术的应用已渐成趋势。

5光焊接在车身制造中的具体应用

5.1激光焊接在车身零部件制造中的应用

在汽车轻量化快速发展的大背景下，传统钢制车身下一步的发展方向将是结合车身结构的自身特性、承载与受力情况，进行“量体裁衣”式设计，将不同厚度、强度、类别的钢板用在最合适、恰当的位置，以实现最优的轻量化效果。这一思想恰好与激光拼接焊的理念相吻合。从本质上讲，激光拼接焊是一种采用对接方式将所需板材进行连接的自熔焊工艺，板材拼接后再经过冲压工艺制成所需的零件形状，与先冲压后拼焊相比，可减少模具制造的数量与加工成本，同时，还有力于制造工艺的简化、材料利用率的提高以及零件制造精度的保证。当前，通过激光拼接焊工艺制造的车身零部件基本上覆盖了整个白车身各个区域，包括：地板、侧围、车门、轮罩、行李箱等，主要应用以内板结构件、加强件为主，外板件应用相对较少。

5.2激光焊接在车身总成制造中的应用

激光焊接在车身总成制造中的应用主要体现在其在白车身框架、车门闭合件以及车身主拼工位中的应用，主要涉及激光自熔焊、激光钎焊两种工艺。根据连接接头形式的不同，采用的自熔焊工艺又可细分为针对搭接接头的自熔穿透焊以及针对角接接头的角接自熔焊两种工艺。在车身框架制造中，采用的是激光自熔穿透焊工艺，主要应用于：侧围门框、后围板及前、后风窗口处的三层板、高强钢板以及镀锌板间的连接。其应用不仅提高了焊缝的强度、刚度，还解决了传统电阻点焊在焊接三层板、镀锌板以及高强钢板时，焊接变形大、焊点平整度低、易产生缝隙、母材强度下降的问题。例如，一汽大众高尔夫侧围门框激光自熔穿透焊焊缝，焊缝形式为断续焊，从力学性能数据上讲，采用激光焊后的焊缝强度可较点焊工艺提升30%左右。在车门制造中，采用的连接工艺也是激光自熔焊。例如，国产奥迪Q5钢制车门的激光焊缝分布情况。可以看出，在其车门窗框连接区域采用的是角接自熔焊，在其车门内板与加强版之间的连接区域采用的是搭接穿透焊，并且两种连接工艺的焊缝形式均为断续焊。对于激光钎焊而言，其焊缝表面较为美观，焊后无需额外添加装饰条或者涂胶，因而常用于车身外板件的连接。侧围外板与顶盖外板、后流水槽以及尾盖上、下外板的连接采用的就是激光钎焊工艺。某车型钢制车身车顶盖与侧围外板激光钎焊焊缝的照片，可以看出其焊缝表面质量非常好。钢制车身的钎焊焊丝一般选择CuSi3，其熔点要远低于钢的熔点，并且与车身外板用钢材之间有着非常好的润湿性，焊后形成的焊缝强度高达350MPa，比常见车身用外板（DC04）的强度还要高，可以满足设计以及后续使用要求。其主要的缺点是对于每种车型而言，夹具均需专门设计、柔性相对较且精度要求高。

6提高白车身试制焊接质量的策略

6.1选择好的焊接工艺性

在进行白车身试制过程中，如果零件设计的工艺性出现问题，后期的车身零件是无法达到合格的。通常车身零件属于低碳钢，具有比较理想的焊接性。对于点焊零件而言，需要对其搭接宽度、板材厚度、焊点可达性和焊点间距给予考虑。凸焊/螺柱焊过程中，需要对螺母规格与板材厚度的匹配性给予考虑。弧焊要对焊缝分布是否合理给予考虑。

6.2完善焊接质量控制理念与规范

在传统的质量控制理念中，质量控制的常用方法就是对成品进行检测，通常情况下，三坐标测量机等检测设备既是白车身生产制造过程中比较常用的测量工具，而且在稳定生产条件下，还能够为质量保证部门提供测量结果，以完成对质量的定级。焊接质量控制规范明确规定要将白车身试制过程中，每一个环节的工序制订出来，并按照要求列出焊接质量的检测方法、检测数据、检测手段，同时，附工序图。在进行白车身焊接质量控制过程中，一般需要从分总成开始直至白车身总成的整个过程进行检测控制，并做好白车身的孔定位、关键点进行评价，并对所有工艺节点的符合性给予检测和评价，以确保白车身焊接的整体质量。

6.3完善焊接工艺流程

在车身焊接过程中，对汽车车身部件工艺拆分是比较关键的环节，每一个环节焊点数是否合理，组件是否合理，都会对焊接姿态、焊接夹具结构等产生影响，并对最后工艺效果给予考虑。此时，就需要焊接技术人员根据车身零件材料结构来对焊条、焊丝、焊剂等焊接材料进行选择。同时，在焊接生产过程中，对电极、导电嘴等容易损坏的部件要定期进行更换。

6.4重视检测质量控制

在白车身试制各个环节中，要想提高其焊接质量，需要做好白车身零部件的检测工作，而且检测数据的可靠性、准确性将会对匹配工作的开展产生一定的影响。在白车身试制阶段，可能会因为各方面因素的影响，从而诱发一系列的误差，既包括操作者本身的经验和技能、夹具质量、零部件质量，而且也包括检测方法不合理引发。在白车身试制的各个环节中，检测质量控制主要包括下述3个过程：（1）生产前夹具检测，其是确保白车身质量的关键，主要检验制造过程中夹具尺寸、位置是否出现偏差；（2）生产过程中的检测其需要对夹具或零件的质量给予进一步检测，并对存在的问题采取有效措施给予解决；（3）生产后检测是对白车身焊接的最终评价，为白车身焊接质量改善提供参考和借鉴。

7结语：随着科学技术的发展，智能控制、图像处理、传感器、信息与通讯等先进技术与激光焊接技术的融合，使得激光焊接正向着智能化、远程化、柔性化方向发展，更是想保证白车车身激光焊接质量是首要前提。为保障焊接质量，不仅需要严格规范作业，还需要在不断积累自身实践经验的基础上，吸收借鉴先进经验，积极做好技术创新、工艺创新，进而促进我国汽车产业的发展。

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