汽車車身激光焊接技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

摘要：詳細(xì)分析汽車車身激光焊接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)，并對(duì)激光焊接光源的光學(xué)特性以及材料對(duì)激光的吸收特性等進(jìn)行了分析。結(jié)合汽車車身產(chǎn)品特性與鋁合金等新材料的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)激光熔焊技術(shù)、填絲型激光熔焊技術(shù)、激光釬焊技術(shù)以及激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，給出了針對(duì)不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料的合理的技術(shù)解決方案。基于對(duì)未來(lái)汽車車身發(fā)展的考慮和滿足更高品質(zhì)焊接車身質(zhì)量的要求，提出了三光斑激光焊接技術(shù)及激光點(diǎn)焊技術(shù)等車身焊接技術(shù)解決方案，并對(duì)其焊接原理、技術(shù)特點(diǎn)和工藝特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的分析與介紹。為未來(lái)汽車車身連接技術(shù)的發(fā)展提供了方向和建議

關(guān)鍵詞：汽車車身;激光焊接;新材料;鋁合金;發(fā)展方向

中圖分類號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0064-10

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.10

0 前言

激光以其能量密度高、光束呈現(xiàn)中性、可實(shí)現(xiàn)非接觸焊接以及可達(dá)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用到汽車車身部件生產(chǎn)等的諸多領(lǐng)域。隨著汽車新能源政策的發(fā)展和各項(xiàng)法律法規(guī)的要求，車身產(chǎn)品設(shè)計(jì)型式和新材料的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。激光焊接技術(shù)也從最初的激光熔焊技術(shù)逐漸發(fā)展為激光釬焊技術(shù)、填絲型激光熔焊技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)以及最新的多光斑激光焊接技術(shù)和激光點(diǎn)焊技術(shù)等多種連接技術(shù)。高強(qiáng)鋁合金等新型材料的應(yīng)用以及未來(lái)新能源車身的特點(diǎn)，促進(jìn)了相關(guān)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，并對(duì)激光焊接技術(shù)提出了更高的要求。汽車產(chǎn)品與激光焊接技術(shù)的共同發(fā)展與相互促進(jìn)，對(duì)雙方的發(fā)展具有重要的意義和價(jià)值。

激光焊接技術(shù)隨著車身新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式和新材料的發(fā)展而發(fā)展，從20世紀(jì)90年代末期以Audi

C5頂蓋為代表的搭接接頭激光熔焊技術(shù)，到隨后第一代Bora后蓋外板上部與下部角接接頭為代表的激光釬焊技術(shù)，再到大眾車型標(biāo)配的頂蓋與側(cè)圍角接激光釬焊焊技術(shù)，再到后來(lái)以Audi A6L鋁合金門(mén)蓋為代表的填絲型激光熔焊技術(shù)。目前，激光釬焊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到多光斑激光焊接技術(shù)以及鋼鋁異種材料的激光熔釬焊階段。隨著熱成型、鋁合金材料等更多新型材料的應(yīng)用以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，激光焊接技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展和完善[1-3]。

1 激光焊接技術(shù)原理及設(shè)備

1.1 激光特點(diǎn)

激光是由原子中的核外電子在不同軌道之間受到激發(fā)而發(fā)生“躍遷”時(shí)產(chǎn)生的。其特點(diǎn)為：（1）指向性好。激光器發(fā)射的激光朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有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來(lái)計(jì)算的，其中h為普朗克常量，γ為頻率。激光頻率范圍為3.846×1014～7.895×1014 Hz，所以激光具有極高的能量密度。（3）激光是單頻、相干光源。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，所以光束相互干擾性較低，避免了普通電弧焊多頻光束相互干擾的缺點(diǎn)。（4）光束為中性。激光光束由中子組成，呈現(xiàn)電中性的特征，可以避免在復(fù)雜的電磁環(huán)境中受到干擾[4-5]。綜上，激光作為焊接熱源具有激光光束能量密度高、中性且不受電磁干擾、電弧剛性好等特殊優(yōu)勢(shì)。

1.2 激光焊接技術(shù)基本原理

激光焊采用激光作為焊接熱源，機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快、焊接變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄板的快速連接。

當(dāng)激光光斑的功率密度足夠大時(shí)（>106 W/cm2），金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短時(shí)間內(nèi)升高至沸點(diǎn)，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸汽以一定的速度離開(kāi)金屬熔池表面，產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力反作用于熔化的熔池金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凸坑。隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的“小孔”。當(dāng)金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)板厚，形成較深的穿透型焊縫。小孔隨著光束相對(duì)于工件沿著焊接方向前進(jìn)，金屬在小孔前方熔化，并繞過(guò)小孔流向后方，凝固后形成焊縫。

激光光源功率的合理選擇十分重要，太小難以實(shí)現(xiàn)激光焊接，過(guò)大則會(huì)提高設(shè)備成本。激光焊接所需的激光功率由金屬的物理性質(zhì)、表面吸收率和反射率所決定。

在激光焊接過(guò)程中，聚集在工件上的激光能量只有一部分被材料吸收，另一部分被反射掉。焊接鋼質(zhì)材料時(shí)，激光的吸收率較高;焊接銅質(zhì)材料時(shí)，激光的吸收率會(huì)變低，這是由材料的特性決定的。金屬對(duì)激光的吸收率可近似用式（1）表示[7]：

εh（t）≈0.365{γ[1+β（t-20）]λ}1/2（1）

式中 t為溫度;εh（t）為金屬在溫度t時(shí)的吸收率;γ為金屬材料在溫度為20 ℃時(shí)的電阻率;β為電阻溫度系數(shù);λ為激光波長(zhǎng)。

由式（1）可知，激光吸收率隨著溫度的升高而增加，隨電阻率的增加而增加。借助于焊絲預(yù)熱作用，可提高激光作用于金屬表面的溫度，從而提高激光的吸收系數(shù)，適當(dāng)減小激光器的功率。

不同材料、激光波長(zhǎng)與吸收率之間的關(guān)系如圖1所示，該曲線適用于常溫26 ℃。常溫下，鋼材對(duì)于固體激光波長(zhǎng)的吸收率為35%，銅質(zhì)材料僅為4%。隨著溫度的升高，材料對(duì)激光的吸收率會(huì)急劇提高。利用這一特性，采用電流預(yù)熱焊絲是十分必要的。在焊接的起始時(shí)刻，適當(dāng)增加初始微區(qū)段的焊接時(shí)間，以保證初始時(shí)焊絲的充分熔化。

一般情況下，金屬材料的導(dǎo)電性越好，即電阻率越小，對(duì)激光的吸收率相對(duì)越低。材料從銀、銅、鋁、鎳到鋼，對(duì)激光的吸收率依次增加，這是由材料的物理屬性決定的。

另外，材料表面狀態(tài)對(duì)激光的吸收率也有較大的影響。表面的粗糙度越大，對(duì)激光的吸收率越高。不同的表面涂層材料對(duì)吸收率的影響也較大，例如氧化鋯或磷酸鹽涂層會(huì)明顯提高激光的吸收率。鋁合金激光熔焊時(shí)，由于鋁合金的激光吸收率較低，所以焊前必須經(jīng)過(guò)鈍化處理，以便清除表面油污和致密堅(jiān)硬難熔的Al2O3，并在其表面涂覆一層鈦的磷酸鹽。該涂層對(duì)激光的吸收率較高，可以明顯降低激光光源的功率，從而降低投資和成本。另外，去除Al2O3可以降低焊縫中氧化物夾雜的含量，提高焊縫強(qiáng)度。鈍化也可以明顯提高零件的防腐蝕性能，因?yàn)橛兄旅芏鶆虻拟伒牧姿猁}的存在，如圖2所示。

工件溫度對(duì)于激光能量的吸收是一個(gè)決定性因素。開(kāi)始焊接時(shí)，需解決表面反射問(wèn)題，尤其是鋁合金。當(dāng)工件表面達(dá)到揮發(fā)溫度時(shí)，就形成了揮發(fā)孔，這樣幾乎所有能量就可以傳到工件上。在激光+MIG復(fù)合焊接時(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件表面，同時(shí)也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。鋁合金對(duì)可見(jiàn)光和紅外線都具有較高的反射率（約達(dá)90%），對(duì)激光同樣如此，因此鋁合金焊接時(shí)需要更大功率的激光器，并需要采用特殊的工藝措施減少反射，提高吸收率。小孔法焊接可以提高激光焊的能量吸收率約50%，形成熔透的小孔需要10%的入射能量，小孔一旦形成，所需能量就會(huì)明顯降低。

根據(jù)工件的材料和厚度，參考焊接條件選取激光功率和光斑直徑，然后確定激光焊接的速度。與其他焊接方法不同，激光高速焊接時(shí)向熱影響區(qū)的熱傳導(dǎo)較為微弱，可用式（2）作為經(jīng)驗(yàn)方法在給定激光功率下找到合適的焊接速度[5]：

0.483P（1-R）=vWweldδρcPTm（2）

式中 P為激光功率（單位：W）;R為反射率;v為焊接速度（單位：m/s）;Wweld為焊縫寬度（單位：m）;δ為板厚（單位：m）;ρ為材料密度（單位：kg/m3）;cP為比熱容[單位：J/（kg·K）];Tm為材料熔點(diǎn)（單位：K）。

確定好激光理論功率后，再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)激光功率，進(jìn)行試樣的焊接和檢驗(yàn)，直到焊點(diǎn)質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。

1.3 激光焊接系統(tǒng)特點(diǎn)

常見(jiàn)汽車車身激光焊接系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。主要包括激光光源（發(fā)生器）、送絲系統(tǒng)（一般常借助于具有推拉絲功能的MIG焊機(jī)的送絲系統(tǒng)）、機(jī)器人系統(tǒng)、PLC焊接控制系統(tǒng)以及激光焊槍等。

激光熔焊時(shí)，取消送絲系統(tǒng)模塊，即可構(gòu)成激光熔焊系統(tǒng)。

激光釬焊時(shí)，啟動(dòng)送絲系統(tǒng)模塊。某些條件下，僅啟動(dòng)送絲系統(tǒng);某些情況下，不僅需要啟動(dòng)送絲系統(tǒng)，同時(shí)可依據(jù)需要啟動(dòng)焊絲預(yù)熱系統(tǒng)。通過(guò)上述設(shè)置，即可構(gòu)成激光釬焊系統(tǒng)。

填絲型激光熔焊時(shí)，啟動(dòng)送絲系統(tǒng)和焊絲預(yù)熱系統(tǒng)。通過(guò)上述設(shè)置，即可構(gòu)成填絲型激光熔焊系統(tǒng)。

激光+MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)焊接時(shí)，啟動(dòng)MIG焊弧焊系統(tǒng)，配合激光焊接系統(tǒng)，即可構(gòu)成激光+MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)。

1.4 激光焊接技術(shù)對(duì)比分析

激光熔焊、激光釬焊、填絲型激光熔焊以及激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)的對(duì)比分析如表1所示。

對(duì)于激光熔焊，車身領(lǐng)域主要用于同質(zhì)金屬的搭接或角接焊縫，主要優(yōu)點(diǎn)是焊接強(qiáng)度高，但對(duì)零件匹配精度要求較高，否則容易焊穿。對(duì)于不等厚鋼板拼接，目前只能采用激光熔焊技術(shù)，拼接焊縫具有較高的強(qiáng)度。

對(duì)于激光釬焊，其主要優(yōu)勢(shì)是焊縫成形好、焊縫寬深比大，但抗拉強(qiáng)度低，匹配要求較高，適合于對(duì)強(qiáng)度要求不高、且密封要求較高的場(chǎng)合。

對(duì)于填充型激光熔焊，常用于鋁合金搭接焊縫或鋁/鋼異種材料的熔釬焊，其主要優(yōu)勢(shì)是可以調(diào)整焊縫的余高，或?qū)崿F(xiàn)鋁/鋼異種材料的熔釬焊接。

對(duì)于激光+MIG復(fù)合焊，具有焊接速度更快、焊縫橋聯(lián)性可調(diào)、激光器功率較低和焊縫成型系數(shù)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在如控制系統(tǒng)較為復(fù)雜及成本較高等缺點(diǎn)。

應(yīng)視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料組合而具體分析采用不同的激光焊接方法。結(jié)合大眾集團(tuán)近30年來(lái)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，現(xiàn)將激光熔焊、激光釬焊、填絲型激光熔焊以及激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)在產(chǎn)品項(xiàng)目中的應(yīng)用與相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行相應(yīng)的匯總分析，如表2所示。相關(guān)技術(shù)參數(shù)主要包括：材料、接頭型式、匹配要求、焊接位置和應(yīng)用車型等。

從表2可以看出，這些技術(shù)在大眾集團(tuán)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)。如激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)，有逐漸減少應(yīng)用的狀態(tài)出現(xiàn)，由于其自身的技術(shù)特點(diǎn)和大眾集團(tuán)汽車產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)有其他新型焊接技術(shù)的崛起，如冷金屬過(guò)渡焊等。

2 幾種激光焊接技術(shù)特征與應(yīng)用分析

2.1 激光熔焊

激光熔焊示意如圖4所示。激光熔焊采用激光作為獨(dú)立的焊接熱源，其原理如1.2節(jié)所述。激光熔焊是早期的激光焊接方式之一，具有焊接速度快、無(wú)接觸焊接和可達(dá)性好等優(yōu)勢(shì)，常用于同種材料板材的搭接接頭焊接。另外，激光熔焊過(guò)程沒(méi)有焊接壓力的作用，是一個(gè)只有熱作用的過(guò)程，與電阻點(diǎn)焊相比，焊縫光滑平直，焊件變形較小，這對(duì)于提高車身精度具有重要意義。但該方法對(duì)于待焊沖壓件的要求較高，要求其裝配間隙較小，一般為0.05～0.2 mm，否則容易產(chǎn)生氣孔，因此對(duì)沖壓件的精度提出了更高的要求，要求其與焊接區(qū)域相關(guān)部位的尺寸精度為±0.2 mm。為此，這對(duì)模具提出了更高的要求，制造成本也會(huì)更高。

裝配間隙的要求是為了降低焊縫中的氣孔含量。這些氣孔主要是板材表面涂層和污漬所致，如表面鍍鋅層、鈍化層、殘留的固化劑、油污以及吸附的水分等，必須為這些焊接過(guò)程中高溫氣化氣體的逸出提供必要的通道，即“逃逸通道”。有時(shí)由于受到夾具夾緊條件的限制，必須人為在待焊零件表面設(shè)置保證間隙的沖壓凸點(diǎn)和激光刻蝕溝槽，以保證氣體充分逸出，避免焊縫中氣孔的產(chǎn)生，如圖5所示。

激光熔焊時(shí)，由于匹配間隙難以做到完美，所以激光熔焊質(zhì)量會(huì)存在各種各樣的缺陷，對(duì)焊接工藝的要求非常嚴(yán)格。激光熔焊通常用于結(jié)構(gòu)件的焊接，如地板或骨架門(mén)洞周邊的焊接，對(duì)于有表面質(zhì)量要求的覆蓋件的焊接，目前較少采用。

2.2 激光釬焊

對(duì)于汽車車身而言，激光釬焊的出現(xiàn)是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的，如頂蓋與側(cè)圍的激光釬焊、后蓋外板上下部之間的激光釬焊等。這些部位對(duì)接頭的強(qiáng)度要求不高，主要是滿足密封和焊縫美觀的要求。激光釬焊可以滿足這些要求，并具有一定的強(qiáng)度。

激光釬焊原理如圖6所示。除了與激光熔焊相同的部分外，多了一套激光釬料送絲系統(tǒng)，從而增加了激光釬焊工藝的控制難度，使其具有自身的特性和焊接控制要求。

激光釬焊的難點(diǎn)在于激光光斑與焊絲端部區(qū)域的精確對(duì)中，使光斑熱量聚焦于焊絲端部，以便焊絲充分熔化實(shí)現(xiàn)釬焊過(guò)程。

釬焊焊絲必須具有一定的剛性和彈性，否則難以滿足上述要求。同時(shí)，焊絲熔點(diǎn)不能過(guò)高，否則只能采用功率更高的激光光源，這會(huì)大大增加激光器的成本。作為釬料的焊絲材料必須在高溫熔化狀態(tài)下與所連接的基體材料有較好的浸潤(rùn)性能，否則焊縫成型較差;同時(shí)要求其必須具有一定的界面張力，以保障焊接接頭的強(qiáng)度要求。CuSi3材料就是具備了上述諸多優(yōu)點(diǎn)的釬焊材料之一。鋼板的激光釬焊大多采用CuSi3焊絲，焊前預(yù)熱焊絲，以提高激光的吸收率。

當(dāng)預(yù)熱電流流經(jīng)焊絲與焊件的連接點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的電阻熱加熱焊絲。焊絲在熔化前必須與焊件接觸，若焊絲在焦點(diǎn)之前與焊件接觸，在這一點(diǎn)的激光功率還不足以熔化焊絲。焊絲通過(guò)焊接坡口被引入焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)處熔化。因此，為了使焊絲能以理想方式彎曲，確保焊件與焊絲在焦點(diǎn)中心發(fā)生接觸，要在各種接頭型式中保持足夠大的定位角，通常要求角度大于40°。

焊接過(guò)程中如果發(fā)生較大的飛濺，說(shuō)明加熱電流已經(jīng)達(dá)到上限，焊絲過(guò)早熔化。同樣，加熱電流取下限時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致焊縫質(zhì)量很差，焊縫表面會(huì)變得越來(lái)越粗糙。原則上，焊絲預(yù)熱電流應(yīng)該盡可能接近上限。

在激光釬焊過(guò)程中，激光能量通過(guò)聚焦集中在作用點(diǎn)上，其中一部分能量被焊絲吸收，一部分能量被焊件吸收。研究表明，光斑直徑約50%的面積作用在焊絲周邊部分?？紤]到縫隙尺寸，要確定斑點(diǎn)直徑，必須綜合考慮以上兩種因素。如果斑點(diǎn)直徑太小，焊縫會(huì)略顯紅色，且呈現(xiàn)非常不均勻的特征，并伴有飛濺發(fā)生，另外在焊縫背面也看不出回火變色的痕跡。在該過(guò)程中，更多的激光能量被焊絲反射出去，一方面焊絲加熱過(guò)度，另一方面，待焊工件加熱不足，焊絲釬料熔化后難以流入工件的縫隙中，并且浸潤(rùn)性較差，焊縫成型不佳。

此外，焊縫成型還與激光焊槍的移動(dòng)速度及焊絲送絲速度有較大的關(guān)系。焊縫釬料的填充體積與焊縫成型系數(shù)必須與之結(jié)合才能獲得理想的焊接接頭，這是一個(gè)多參數(shù)協(xié)同作用的結(jié)果。以后蓋外板的激光釬焊拼接為例，實(shí)際送絲速度比理論設(shè)計(jì)速度高10%是必要的，這樣可使焊絲的熔化量始終多一點(diǎn)，以解決因送絲速度的細(xì)微變化而導(dǎo)致焊縫形成氣孔的危險(xiǎn)，并且焊縫成型系數(shù)也能得到保障。

激光釬焊相關(guān)設(shè)備的精度要求較高，包括：夾具的重復(fù)定位精度、機(jī)器人的引導(dǎo)精度以及零件的尺寸公差等。實(shí)踐表明，焊縫的橫向偏差由0.2 mm增至0.6 mm時(shí)并不能使焊縫質(zhì)量發(fā)生很大變化。但在焊件背面可以從回火顏色清楚地看出焊縫已嚴(yán)重偏離中心，表明這會(huì)引起其他參數(shù)非常敏感發(fā)生變化，在某種程度上降低接頭質(zhì)量。

某車型鋼質(zhì)后蓋外板上、下部激光釬焊的裝備和焊縫截面如圖7所示。

2.3 填絲型激光熔焊技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

對(duì)于鋁合金搭接接頭，如果采用激光熔焊方式會(huì)存在焊縫塌陷等問(wèn)題，即從表面形貌看，焊縫明顯凹陷，形成一條溝槽，這嚴(yán)重降低了接頭強(qiáng)度和質(zhì)量。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因有：（1）激光熔焊具有較高的能量密度，且激光光束的剛性較高，沖擊力較強(qiáng)，容易使焊縫下墜。（2）在高溫條件下，鋁合金熔池表面的界面張力較低，在重力和激光沖擊力的聯(lián)合作用下，在焊縫背面焊穿的情況下極易發(fā)生流淌，從而造成焊縫的塌陷。

為補(bǔ)償塌陷帶來(lái)的焊縫有效界面的損失，可以采用類似激光釬焊的方法，即在激光熔焊的同時(shí)向焊縫熔池區(qū)域同時(shí)輸入與母材近似同質(zhì)的鋁合金焊絲材料，借助于激光能量，使其熔化并有效補(bǔ)償焊縫的塌陷，從而改善焊縫成型，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

焊接時(shí)液態(tài)焊絲金屬和母材熔化的液態(tài)金屬相互融合，冷卻后形成共同的焊縫。由于焊絲與母材近似同質(zhì)，焊縫金屬和母材金屬之間形成了共同的晶粒，建立了原子之間的結(jié)合，焊接接頭具有與母材類似的強(qiáng)度和性能。這種焊接方式與激光釬焊具有本質(zhì)區(qū)別，因?yàn)榧す忖F焊僅僅是釬料熔化，而母材并未熔化。一般認(rèn)為，釬焊接頭并未與母材建立原子之間的聯(lián)系，而僅僅是依靠界面張力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種材料的連接，所以接頭強(qiáng)度并非很高。

對(duì)于大眾集團(tuán)旗下車型而言，常用鋁合金板材為六系TL09X系列，為固溶強(qiáng)化型材料。對(duì)于添加的鋁合金焊絲，通常為AlSi4-7系列，也為Si元素固溶強(qiáng)化型材料，具有與母材相近的金屬屬性。

2.4 激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

2.4.1 MIG焊原理及特點(diǎn)

MIG焊是通過(guò)電弧熱作為熱源，熔化填充的焊絲金屬，把母材連接到一起。MIG電弧燃燒的能量密度稍高于104 W/cm2。MIG焊電弧功率大、熱量集中、焊接速度快、熱影響區(qū)小、生產(chǎn)效率相對(duì)較高，因此可以焊接厚度較大的焊縫。采用氬氣保護(hù)的MIG焊具有更好的電弧穩(wěn)定性，且能獲得更好的焊縫表面質(zhì)量及焊縫的寬深比。

MIG焊的特點(diǎn)是：電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好、電弧穩(wěn)定性好，易于通過(guò)填充金屬改善焊縫結(jié)構(gòu)。

2.4.2 激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)特點(diǎn)

激光器焊接金屬時(shí)的激光束強(qiáng)度達(dá)106 W/cm2，當(dāng)激光到達(dá)材料表面時(shí)，該點(diǎn)的溫度迅速升高到揮發(fā)溫度，并形成揮發(fā)孔。激光束焊的特點(diǎn)是熔深大、焊接速度高和焊縫較窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的激光器。焊縫最明顯的特征是具有很低的寬深比。

激光+MIG焊接復(fù)合技術(shù)的基本原理如圖8所示，除了電弧向焊接區(qū)輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量，兩種焊接方法同時(shí)作用于焊接區(qū)，整個(gè)焊接過(guò)程的特性取決于選擇的激光和電弧輸入能量的比例。

激光復(fù)合焊接結(jié)合了MIG焊和激光焊的優(yōu)點(diǎn)，既能獲得所需要的焊縫形貌，又能在激光焊接速度較高的前提下，充分利用電弧焊過(guò)程的穩(wěn)定性，并適當(dāng)減小激光焊機(jī)的功率。

國(guó)內(nèi)關(guān)于激光+MIG電弧復(fù)合熱源焊接汽車車身的實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道較少。國(guó)外德國(guó)大眾集團(tuán)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究較為深入，在汽車車身制造領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。以德國(guó)大眾Phaeton的車門(mén)焊接為例，為了在保證強(qiáng)度的同時(shí)減輕車門(mén)質(zhì)量，大眾公司采用沖壓、壓鑄和擠壓成形的鋁件。車門(mén)的焊縫總長(zhǎng)約為4 980 mm，其中包括：7條380 mm MIG焊縫，11條1 030 mm激光焊縫，48條3 570 mm激光+MIG復(fù)合焊縫。產(chǎn)品、接頭和工裝部分信息如圖9所示。

激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)同樣應(yīng)用于奧迪A8車身的生產(chǎn)。在A8某代車型側(cè)頂橫梁上有各種規(guī)格和型式的接頭，大多采用激光+MIG復(fù)合焊工藝，焊縫共計(jì)4 500 mm長(zhǎng)。

激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)的另一特點(diǎn)是具有很寬的焊接速度調(diào)整范圍。采用其焊接Phaeton車門(mén)的對(duì)接接頭時(shí)，焊接速度從1.2～4.8 m/min都是可行的，最大焊接速度可達(dá)9 m/min。通常焊絲送絲速度為4～9 m/min，激光功率為2～4 kW。實(shí)踐表明，最佳的焊接速度約為4.2 m/min、送絲速度6.5 m/min、激光功率2.9 kW。

隨著近年來(lái)車身的輕量化技術(shù)的發(fā)展，汽車車身結(jié)構(gòu)由單一鋼質(zhì)車身逐漸向鋁合金+熱成型復(fù)合車身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。隨著越來(lái)越多的大截面鋁合金型材和壓鑄件應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)中，激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)具有更大的應(yīng)用范圍和價(jià)值。

目前，鋁合金車身主要采用激光焊接工藝。由于激光光束直徑很小，要求坡口裝配間隙小于0.5 mm，機(jī)器人軌跡精度要求也很高，并且開(kāi)始階段尚未形成熔池時(shí)的熱效率很低。另外，也存在設(shè)備成本較高，對(duì)沖壓件或總成尺要求較為嚴(yán)格等問(wèn)題。這些問(wèn)題可以通過(guò)激光+MIG等電弧復(fù)合焊接技術(shù)得到解決。

由于電弧焊的復(fù)合，熔池寬度增加，使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易。大眾集團(tuán)自主開(kāi)發(fā)了用于車身制造的激光+MIG復(fù)合焊接焊槍。該焊槍安裝在焊接機(jī)器人手臂上，幾何尺寸小，適合多種空間位置焊接。在各個(gè)方向上的調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.1 mm，基本可以滿足產(chǎn)品的焊接要求。

對(duì)于鋁合金材料，表面致密的Al2O3容易在焊接中形成夾雜，造成潛在的裂紋源;MIG焊電弧的“陰極物化”作用則能有效破壞氧化膜結(jié)構(gòu)，避免夾雜，且解決初始熔化問(wèn)題，減少鋁合金對(duì)激光的反射，提高激光的吸收率，從而降低激光器功率;另外，還可利用MIG的極性進(jìn)一步調(diào)整焊縫的成型系數(shù)。如果需要加深焊縫，可以直流反接（即工件接負(fù)極），使其接收電流正離子的轟擊，工件接受更多的能量，從而使焊接深度增加。反之，如果希望增加焊縫寬度，則直流正接（即工件接正極），讓正離子轟擊焊絲表面，從而增加焊絲的熔化速度，提高熔敷率。同時(shí)，電弧焊的氣流可解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問(wèn)題，從而避免焊縫表面凹陷形成的咬肉或咬邊現(xiàn)象，而激光焊的深熔和快速、高效、低熱輸入特點(diǎn)仍得以保持。

在不同激光功率作用下，幾種焊接接頭的成型對(duì)比如圖10所示。在焊接工藝的實(shí)際應(yīng)用中，可以依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、被焊材料的金屬特性等要求，合理選擇激光焊接方法。

3 未來(lái)激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 激光焊接技術(shù)面臨的問(wèn)題

激光焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在汽車車身連接等領(lǐng)域得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用，提高了汽車車身制造的整體水平，解決了諸多由于新材料、新結(jié)構(gòu)和新法規(guī)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的各種問(wèn)題。

在激光焊接技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，其他連接技術(shù)也在快速發(fā)展。如等離子技術(shù)借助于現(xiàn)代科技手段，使其能量密度幾乎提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以在某些特定場(chǎng)合，如鋼質(zhì)材料焊接、節(jié)拍要求不高和焊縫較短的條件下，可以采用等離子釬焊技術(shù)取代激光釬焊技術(shù)，不僅成本較低，而且可以獲得幾乎同品質(zhì)的焊接接頭。

近幾年，隨著冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)的發(fā)展與完善，相繼開(kāi)發(fā)出了具有上述等離子能量密度級(jí)別的冷金屬過(guò)渡連接技術(shù)，如CMT brazing和SKS技術(shù)。借助于特殊的電弧壓縮技術(shù)，其能量密度也可以達(dá)到等離子弧的能量密度。因此，在目前的某些車身的等離子釬焊又被新型的冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)所取代，因?yàn)樵摷夹g(shù)價(jià)格成本更具優(yōu)勢(shì)，而且焊接接頭質(zhì)量也幾乎可以達(dá)到等離子釬焊或激光釬焊的水平。但是對(duì)于高強(qiáng)鋁合金的焊接，建議采用激光釬焊技術(shù)，畢竟激光焊接光源能量密度更高，可以實(shí)現(xiàn)快速焊接，從而獲得較窄的焊接熱影響區(qū)，降低軟化程度。

因此，鑒于激光焊接技術(shù)面臨的壓力與挑戰(zhàn)，要求該技術(shù)必須進(jìn)一步完善和發(fā)展，以應(yīng)對(duì)其他連接技術(shù)帶來(lái)的壓力。

3.2 未來(lái)激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向

隨著中國(guó)激光光源技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，技術(shù)逐步成熟，激光器價(jià)格急劇降低，這對(duì)激光焊接技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。對(duì)于激光焊接技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，有如下方向值得參考和借鑒。

（1）在同質(zhì)材料激光熔焊或釬焊中，采用三光斑技術(shù)。三光斑技術(shù)的原理與應(yīng)用如圖11所示。三光斑的設(shè)計(jì)思想主要是為了提高焊接質(zhì)量，避免在焊接過(guò)程中因待焊表面的油污等雜質(zhì)或涂層的影響，造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。通過(guò)光源的合理分配，在前置的兩個(gè)能量較弱的光斑作用下，這些油污或涂層可以在主光斑焊接之前被加熱燒結(jié)清除，從而避免焊縫中氣孔等缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。

另外，前置光斑的存在在焊接過(guò)程中也能起到預(yù)熱作用，從而提高材料對(duì)激光的吸收率。尤其對(duì)于鋁合金材料的焊接，前置光斑可以明顯預(yù)熱工件，大大提高主光斑焊接時(shí)材料對(duì)激光的吸收率，這對(duì)降低激光器的功率具有重要意義。

對(duì)于某些需要后熱處理的焊縫，也可以將輔助光斑后置，依據(jù)熱處理?xiàng)l件的要求，適當(dāng)布置光斑的位置和能量，以起到隨機(jī)后熱處理的作用和效果。

但對(duì)于異種材料的激光釬焊，例如鋼與鋁合金的焊接，建議謹(jǐn)慎采用三光斑技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)鋼件與鋁件的激光釬焊，鋼件表面必須進(jìn)行涂層或表面處理，以使激光釬焊時(shí)釬料與其具有較高的浸潤(rùn)性和界面張力，提高接頭強(qiáng)度。如果破壞了設(shè)計(jì)涂層，如鍍鋅層等，則起調(diào)和作用的這些表層就會(huì)被破壞并失去相應(yīng)作用，從而難以實(shí)現(xiàn)鋼與鋁的優(yōu)質(zhì)激光釬焊。該方法對(duì)于MIG等其他釬焊技術(shù)同樣適用，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意。

（2）激光點(diǎn)焊技術(shù)是為提高激光點(diǎn)焊質(zhì)量而設(shè)計(jì)的一種新型的、有壓力參與的激光復(fù)合焊接技術(shù)。技術(shù)原理示意如圖12所示，它將激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和點(diǎn)焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了獨(dú)特的焊接特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能量密度高、焊接速度快。點(diǎn)焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是在利用電阻熱的同時(shí)，可以利用壓力優(yōu)勢(shì)使待焊接部位達(dá)到緊密接觸的目的，從而實(shí)現(xiàn)熱與力的合理組合。

對(duì)于車身而言，激光焊多用于多層板的焊接。由于車身制造過(guò)程中的累計(jì)誤差，不可避免地會(huì)存在一定程度的誤差累積，從而出現(xiàn)程度不同的間隙。這些間隙的存在對(duì)激光熔焊的焊接質(zhì)量有重要影響，會(huì)導(dǎo)致焊穿等焊接缺陷，降低接頭性能。

目前也有使用激光飛行點(diǎn)焊技術(shù)進(jìn)行板材間的無(wú)接觸點(diǎn)焊，但是由于某些區(qū)域間隙的存在，在焊接過(guò)程中必然造成焊點(diǎn)的塌陷，形成大小不等的焊坑，降低焊點(diǎn)的有效面積，從而降低焊點(diǎn)強(qiáng)度，且由于表面成型不佳，難以用于覆蓋件的焊接。

結(jié)合激光技術(shù)與傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)優(yōu)勢(shì)而開(kāi)發(fā)的激光點(diǎn)焊技術(shù)，既利用了激光能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，又利用了點(diǎn)焊焊接時(shí)可以施加壓力的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了激光熔焊過(guò)程中的無(wú)縫隙或微小縫隙焊接，極大地提高了接頭質(zhì)量和焊點(diǎn)表面成型質(zhì)量，在高品質(zhì)車身制造中具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

以汽車車身制造為背景，詳細(xì)介紹了幾種激光焊技術(shù)原理、特點(diǎn)與應(yīng)用發(fā)展，并對(duì)激光焊接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向提出了相關(guān)建議。

（1）分析了用于汽車車身制造的激光技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其相應(yīng)的光學(xué)特性以及材料對(duì)其吸收率等特性進(jìn)行了分析與探討。

（2）詳細(xì)介紹了激光熔焊技術(shù)、激光釬焊技術(shù)、激光+MIG復(fù)合焊接技術(shù)以及填絲型激光熔焊技術(shù)的原理與技術(shù)特點(diǎn)。并對(duì)這些激光焊接方法在汽車車身制造技術(shù)中的發(fā)展與應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比與分析，對(duì)于激光技術(shù)在車身上的應(yīng)用具有較高的指導(dǎo)價(jià)值。

（3）基于對(duì)未來(lái)車身的考慮和滿足高品質(zhì)焊接質(zhì)量的要求，提出了三光斑激光焊接技術(shù)及激光點(diǎn)焊技術(shù)等車身焊接技術(shù)解決方案，對(duì)未來(lái)汽車車身連接技術(shù)的發(fā)展，提供了方向和發(fā)展建議。

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