浅谈汽车车身激光焊接技术的发展与应用

周成林 何芳

摘 要 近年来，我国的汽车行业有了很大进展，对石油的需求也在不断增加。石油是不可再生能源，同时受全球环境影响，节能减排势在必行，汽车轻量化研究将是汽车工业发展主要研究方向。文章介绍了汽车车身焊接中运用到的传统焊接技术，并对国内外新型的车身焊接技术发展进行综述。为汽车车身轻量化设计提供了新的焊接思路。

關键词 汽车焊接技术;轻量化;汽车材料

引言

汽车在行驶中燃油的消耗就会减少6%到8%。由此可见汽车轻量化是减少能耗和污染物排放的最有效可行路径之一，目前汽车轻量化主要研究方向一方面是研发汽车车身新型材料优化车身结构，另一方面是运用先进的汽车车身焊接技术。随着汽车材料技术的不断发展，越来越多的新型材料被运用到汽车车身上，如轻金属材料：铝合金、高分子材料、碳纤维等特种材料都得到广泛的运用。

1激光特点

激光是由原子中的核外电子在不同轨道之间受到激发而发生“跃迁”时产生的。其特点为：①指向性好。激光器发射的激光朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有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来计算的，其中h为普朗克常量，γ为频率。激光频率范围为3.846×1014～7.895×1014Hz，所以激光具有极高的能量密度。③激光是单频、相干光源。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，所以光束相互干扰性较低，避免了普通电弧焊多频光束相互干扰的缺点。④光束为中性。激光光束由中子组成，呈现电中性的特征，可以避免在复杂的电磁环境中受到干扰。综上，激光作为焊接热源具有激光光束能量密度高、中性且不受电磁干扰、电弧刚性好等特殊优势[1]。

2系统组成和技术特点

在线测量系统由定位系统（可变）、线激光测量（LaserScan）系统、测量数据综合分析（MDIA）系统三大部分组成。主要技术特点如下：线激光摆动式视觉传感器技术。通过激光线扫描被测特征，提取被测特征 参数;对环境光鲁棒性强，对测量位置无特殊要求;有利于提升测点初始化效率，保证日常测量的可靠性。基于无冗余参数的全局运动学模型的标定技术。在提高参数辨识精度的同 时显著减少参数辨识的时间;在机器人磨损、温度变化、视觉传感器更换情况下均能对在线测量系统进行有效的补偿，从而提高测量精度。基于柔性定位机器人的定位技术。能够快速实现不同平台车型的切换;对异常载荷能够快速响应并报警，保护测量系统[2]。

3汽车传统焊接技术

（1）激光熔焊。激光熔焊过程没有焊接压力的作用，是一个只有热作用的过程，与电阻点焊相比，焊缝光滑平直，焊件变形较小，这对于提高车身精度具有重要意义。但该方法对于待焊冲压件的要求较高，要求其装配间隙较小，一般为0.05～0.2mm，否则容易产生气孔，因此对冲压件的精度提出了更高的要求，要求其与焊接区域相关部位的尺寸精度为±0.2mm。为此，这对模具提出了更高的要求，制造成本也会更高。装配间隙的要求是为了降低焊缝中的气孔含量。这些气孔主要是板材表面涂层和污渍所致，如表面镀锌层、钝化层、残留的固化剂、油污以及吸附的水分等，必须为这些焊接过程中高温气化气体的逸出提供必要的通道，即“逃逸通道”。

（2）气焊。气焊与手工电弧焊不同，它是将可燃气体与助燃气体在焊炬混合后引燃后，利用产生的高温火焰作为热源将焊件和焊丝融化，形成熔池待冷却后形成焊缝的一种焊接方法。由于气焊的热源产生的热能有限，所以气焊一般用来焊接一些较薄的钢板或者熔点较低的材料。在汽车钣金作业中，气焊是常用的方法之一。

（3）车身激光焊接视觉监控。激光焊接监控自动化的关键之一是熔池的实时监视，因此，跟踪传感器的选择成了一个至关重要的前提。激光焊接视觉监控系统是用视觉传感器来收集焊接过程图像信息，通过对采集图像信息的处理提取出有关焊接过程状态的参数信息，以达到对焊接过程进行检测的目的。激光焊接系统实际应用中，需配有与激光束同轴的照相机，另外配一个液晶显示器，且能加装十字交叉光标发生器，产生的光标与照相机通过液晶显示器显示工作焦点、焊丝位置与焊缝位置是否重合，另外激光光源可以发射先导激光束，以供激光焊接头光路校准和焊缝调试之用。

（4）填丝型激光熔焊技术特点与应用。对于铝合金搭接接头，如果采用激光熔焊方式会存在焊缝塌陷等问题，即从表面形貌看，焊缝明显凹陷，形成一条沟槽，这严重降低了接头强度和质量。该现象产生的主要原因有：①激光熔焊具有较高的能量密度，且激光光束的刚性较高，冲击力较强，容易使焊缝下坠。②在高温条件下，铝合金熔池表面的界面张力较低，在重力和激光冲击力的联合作用下，在焊缝背面焊穿的情况下极易发生流淌，从而造成焊缝的塌陷。为补偿塌陷带来的焊缝有效界面的损失，可以采用类似激光钎焊的方法，即在激光熔焊的同时向焊缝熔池区域同时输入与母材近似同质的铝合金焊丝材料，借助于激光能量，使其熔化并有效补偿焊缝的塌陷，从而改善焊缝成型，满足产品设计要求。焊接时液态焊丝金属和母材熔化的液态金属相互融合，冷却后形成共同的焊缝。由于焊丝与母材近似同质，焊缝金属和母材金属之间形成了共同的晶粒，建立了原子之间的结合，焊接接头具有与母材类似的强度和性能。这种焊接方式与激光钎焊具有本质区别，因为激光钎焊仅仅是钎料熔化，而母材并未熔化。

（5）电极带式电阻点焊。电极带式电阻点焊不仅保护电极不受污染，还能有效调节异种金属焊接时的电阻热平衡，从而改善焊点质量、节约能源，在轻量化车身焊接领域中具有广阔的应用前景[3]。

4结束语

综上所述，今后先进的汽车材料和焊接技术可以让车身减重，从而让汽车达到节能减排的要求。汽车材料的研究可以往轻金属方向研究，焊接技术可以侧重激光焊和摩擦搅拌焊的研究。

参考文献

[1] 梁森，张术国，梁天锡，等.大阻尼高比刚度复合材料仪表板结构设计及动态特性分析[J].振动与冲击，2017，36（6）：212-217.

[2] 徐峰祥，张锁，武昆迎.基于光滑策略的复合材料车身结构动力特性分析[J].华南理工大学学报，2018，46（9）：125-130.

[3] 范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，5（1）：1-16.