激光焊接在汽车车身制造中的应用

摘 要：目前汽车行业车身骨架焊接主要有电阻点焊、凸焊、螺柱焊、激光焊、弧焊等方式，其中激光焊接技术在车身一些重要部位，逐渐取代了电阻点焊，主要应用在车身外观焊缝的焊接，减少焊接缺陷，提升外观精致感和整车性能，例如顶盖与侧围的焊接。激光焊接在汽车制造过程中的应用，有利于车身减重和降低油耗;有利于提高车身的装配精度，使车身刚度提升30%，从而提高车身安全性;降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目，提高车身一体化程度。

关键词：激光焊接;汽车车身;制造;应用

1 激光焊的主要组成部分

激光焊接应用采用激光作为焊接热源，工业机器人作为运动系统。激光热源的优势在于，它有着极高的加热能力，能把大量的能量集中在很小的焊接点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快和焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。主要组成部分有激光源、光导和聚焦系统、焊接机器人、焊接夹具、激光焊接控制系统。其中激光源是通过激光发射器发出的。激光发射器在发挥作用时，按照不同的形态分为气体和固体两种类型。具体发射效果的质量高低与发射器所能够输出的光束质量有直接关系。通过对实际应用效果的观察可见，气体状态的发射器较之固体状态的发射器在输出功率上更大。光束本身的质量也更高。与车身制造的实际要求更为贴合，是应用广泛性较强的一种发射器类型。而对于光导以及聚焦系统而言，其主要作用是为焊接的具体效果提供保障。整个光导熊可实现对光束状态的控制，并且影响光束聚焦的效果与和方向，具体来说，巨小系统又包括了不同类型的镜结构。如圆扁振镜、扩束镜、反射镜、聚焦镜等。如遇到功率较大的激光，聚焦系统中的一部分构件的性能可能受到不良影响，进而影响到车身制造的质量。焊接机器人的主要功能是发挥焊接技术的作用。在具体的焊接操作中，不同的焊接工艺和技术要求意味着对不同机器人的工作要求也有所差异。当进行的搭接环节和角焊缝环节的操作时，应用普通性能的机器人即可完成焊接任物，但如果在接缝痕接中用到了激光焊技术，相应的机器人选择也要进行调整，一般应用绞臂式焊接机器人进行操作。为了确保焊接效果，技术人员应当重视机器人运行参数的合理调配。焊接夹具主要应用在焊接位置的准确定位上，准确的定位对于避免变形有重要的作用，是提升焊接效果精确性的一种科学方法。而焊接控制系统则是以一个整体小型系统的模式存在的。其中包括了视频监控设备、自动跟踪设备、矫正系统等多个结构，是确保焊接操作顺利进行的主要工具，具体应用时需要根据不同的焊接技術配置适当的焊接控制系统，确保控制系统作用的有效发挥。

2 激光焊的优势

激光焊接技术的主要优势有以下方面：

（1）热量输入很小、焊缝深宽比大，热影响区小导致工件收缩和变形很小，无需焊后矫形;

（2）焊缝强度高、焊接速度快、焊缝窄且通常表面状态好，免去焊后清理等工作;

（3）焊接一致性、稳定性好一般不加填充金属和焊剂，并能实现部分异种材料焊接;

（4）光束易于控制，焊接定位精确易于实现自动化;

（5）非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理;

（6）焊点小、能量密度高、适合于高速加工;

（7）短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料;

（8）无加工噪音，对环境无污染;

（9）可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接;

（10）很容易改变激光输出焦距及焊点位置;

（11）很容易搭载到自动机、机器人装置上;

（12）与其它焊接工艺方法比较激光焊接的前期投资较大;

（13）被焊工件装配精度高，相对而言对光束操控的精确性也有较高的要求;

（14）由于飞溅大，穿透焊的焊缝相对于钎焊更粗糙，但强度比普通点焊要高很多。

3 激光焊的应用

应用于车身的激光焊接主要分为两种方式：一种为熔焊，不需要填充物质，激光直接作用在工件表面上进行焊接;另一种为填充焊，即通常所说的钎焊，主要应用于汽车顶盖的焊接。

3.1 熔焊

根据激光束能量密度的大小，熔焊又可分为热传导焊和穿透焊。3.1.1 热传导焊

由于激光汇聚于一点时会产生相当高的温度（与能量密度大小有关），当温度达到1 490℃时，钢板就会熔化，利用此种热效应进行焊接的方式为热传导焊，其过程为：首先通过激光将工件表面加热到熔点，金属熔化后会形成一个半球形的熔池，熔池的半径和深度慢慢增大，当吸收的激光能量与熔池向四周扩散的热量达到平衡时，熔池便不再扩大。

沿预定轨迹移动激光光束，熔池也随之移动，熔池前方的金属不断熔化，后方的金属冷却，从而形成一条焊缝。热传导焊的优点体现在焊缝光滑且飞溅少，速度为（1～3）m/min，焊缝深度与宽度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

3.1.2 穿透焊

在汽车白车身上，因为焊接钢板有2～4层，厚度可达4 mm，所以对焊缝的深度有更高的要求，此时热传导焊无法满足工艺的要求，这就需要另一种焊接方式—穿透焊，穿透焊具有速度快、熔深更深的特点，它对激光能量密度的要求远高于热传导焊。

当激光作用于工件表面时，金属迅速汽化（在2 590℃钢板就会汽化为蒸汽），以蒸汽的形式扩散出熔池，并形成一个蒸汽通道，激光在通道内进行多次反射可以使金属对激光能量的吸收率增加到75%，在这里称之为“小孔效应”，当产生的蒸汽压力不足以扩散出熔池时，熔池便不再加深，形成一个稳定的焊接状态。

熔池经过的位置，在蒸汽通道周围形成金属熔液流动，使上下两层板熔合在一起，金属冷却后，便形成一条高强度焊缝。与热传导焊相比，穿透焊的优势在于其焊接深度更深、速度更快，对于4 mm厚的低碳钢板材，焊接速度可达5 m/min;而其缺点在于其将金属迅速汽化后产生的大量飞溅容易损伤工件及加工设备。

3.2 填充焊（钎焊）

另一种焊接方式为填充焊，此种方式并不熔化工件本身，而是利用激光的热效应熔化焊丝，并将其填充到所需焊接的两个工件之间，其优点在于焊缝美观，产生的热变形小，汽车顶盖的焊接多采用此种方式。

汽车顶盖激光钎焊技术是最早应用于车身加工的激光工艺，其原理为利用激光将焊丝（一般为铜硅合金）熔化并填充到顶盖与侧围工件的缝隙中，不但起到连接的作用还可以进行密封。穿透焊的过程与钎焊有所不同，激光在两层钢板上进行穿透焊接，无焊丝填充，机器人带动镜头按照预先编定的轨迹直接焊接，无需导向装置。

穿透焊采用激光功率为4 kW，远高于钎焊。因为焊接中需要熔化工件，所以在焊缝的两端需要设置功率斜坡，即在焊接起始时，功率在30 ms内从1 kW线性增加至4 kW，结束时功率在30 ms内从4 kW降到1 kW。

这样做的优点在于避免在起弧和收弧时将钢板焊穿，形成小洞，从而影响焊接质量。激光源采用YAG连续型激光发生器，最高输出可达4 kW，由于焊丝的熔点相对钢板要低，所以选择激光的输出功率范围为（1.8～2）kW，在熔化焊丝的同时，保证顶盖和侧围不产生热变形。

激光采用柔性的光缆传输，可以使激光发生器与焊接工位分开，避免设备受到损伤。根据焊丝直径的大小，在焊接端利用光学镜头改变激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊丝直径为1.0 mm，将激光聚焦的光斑直径调整为1.2 mm，使激光最大限度的作用于焊丝上。

焊接过程中由机器人带动自适应式焊接镜头，转动轴带动伸缩臂在水平方向上转动，而伸缩臂自身可以在垂直方向移动。一般车身的激光焊缝长达42 m，保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。采用激光钎焊的车顶只有一条细致平滑的焊缝，直接作为外表面以增加车身的流线视觉效果，而采用传统点焊工艺的车顶则有两条橡胶密封条。

4 结语

如今激光焊接应用于汽车车身生产已经成为一种趋势，采用激光焊接不仅可以降低车身重量、提高车身的装配精度，同时还能大大加强车身的强度，在用户享受舒適的同时，为其提供更高的安全保障。

参考文献：

[1]冯国强，何柳，陆德利.RLW-A在汽车制造中的应用[J].焊接技术，2018，047（001）：1-5.

[2]张京.汽车白车身激光焊接技术[J].南方农机，2018，049（024）：104.

[3]张林阳，张敏，高建昊，等.激光焊接技术在乘用车制造中的应用及发展动态[J].汽车工艺与材料，2018，000（008）：6-11.

作者简介：蔡爽（1988-），男，河北保定人，本科，工程师，研究方向：汽车车身焊接工艺。