激光焊接在汽車車身制造中的應(yīng)用

摘 要：目前汽車行業(yè)車身骨架焊接主要有電阻點(diǎn)焊、凸焊、螺柱焊、激光焊、弧焊等方式，其中激光焊接技術(shù)在車身一些重要部位，逐漸取代了電阻點(diǎn)焊，主要應(yīng)用在車身外觀焊縫的焊接，減少焊接缺陷，提升外觀精致感和整車性能，例如頂蓋與側(cè)圍的焊接。激光焊接在汽車制造過程中的應(yīng)用，有利于車身減重和降低油耗;有利于提高車身的裝配精度，使車身剛度提升30%，從而提高車身安全性;降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數(shù)目，提高車身一體化程度。

關(guān)鍵詞：激光焊接;汽車車身;制造;應(yīng)用

1 激光焊的主要組成部分

激光焊接應(yīng)用采用激光作為焊接熱源，工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動系統(tǒng)。激光熱源的優(yōu)勢在于，它有著極高的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的焊接點(diǎn)上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快和焊接變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄板的快速連接。主要組成部分有激光源、光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng)、焊接機(jī)器人、焊接夾具、激光焊接控制系統(tǒng)。其中激光源是通過激光發(fā)射器發(fā)出的。激光發(fā)射器在發(fā)揮作用時，按照不同的形態(tài)分為氣體和固體兩種類型。具體發(fā)射效果的質(zhì)量高低與發(fā)射器所能夠輸出的光束質(zhì)量有直接關(guān)系。通過對實(shí)際應(yīng)用效果的觀察可見，氣體狀態(tài)的發(fā)射器較之固體狀態(tài)的發(fā)射器在輸出功率上更大。光束本身的質(zhì)量也更高。與車身制造的實(shí)際要求更為貼合，是應(yīng)用廣泛性較強(qiáng)的一種發(fā)射器類型。而對于光導(dǎo)以及聚焦系統(tǒng)而言，其主要作用是為焊接的具體效果提供保障。整個光導(dǎo)熊可實(shí)現(xiàn)對光束狀態(tài)的控制，并且影響光束聚焦的效果與和方向，具體來說，巨小系統(tǒng)又包括了不同類型的鏡結(jié)構(gòu)。如圓扁振鏡、擴(kuò)束鏡、反射鏡、聚焦鏡等。如遇到功率較大的激光，聚焦系統(tǒng)中的一部分構(gòu)件的性能可能受到不良影響，進(jìn)而影響到車身制造的質(zhì)量。焊接機(jī)器人的主要功能是發(fā)揮焊接技術(shù)的作用。在具體的焊接操作中，不同的焊接工藝和技術(shù)要求意味著對不同機(jī)器人的工作要求也有所差異。當(dāng)進(jìn)行的搭接環(huán)節(jié)和角焊縫環(huán)節(jié)的操作時，應(yīng)用普通性能的機(jī)器人即可完成焊接任物，但如果在接縫痕接中用到了激光焊技術(shù)，相應(yīng)的機(jī)器人選擇也要進(jìn)行調(diào)整，一般應(yīng)用絞臂式焊接機(jī)器人進(jìn)行操作。為了確保焊接效果，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)重視機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)的合理調(diào)配。焊接夾具主要應(yīng)用在焊接位置的準(zhǔn)確定位上，準(zhǔn)確的定位對于避免變形有重要的作用，是提升焊接效果精確性的一種科學(xué)方法。而焊接控制系統(tǒng)則是以一個整體小型系統(tǒng)的模式存在的。其中包括了視頻監(jiān)控設(shè)備、自動跟蹤設(shè)備、矯正系統(tǒng)等多個結(jié)構(gòu)，是確保焊接操作順利進(jìn)行的主要工具，具體應(yīng)用時需要根據(jù)不同的焊接技術(shù)配置適當(dāng)?shù)暮附涌刂葡到y(tǒng)，確保控制系統(tǒng)作用的有效發(fā)揮。

2 激光焊的優(yōu)勢

激光焊接技術(shù)的主要優(yōu)勢有以下方面：

（1）熱量輸入很小、焊縫深寬比大，熱影響區(qū)小導(dǎo)致工件收縮和變形很小，無需焊后矯形;

（2）焊縫強(qiáng)度高、焊接速度快、焊縫窄且通常表面狀態(tài)好，免去焊后清理等工作;

（3）焊接一致性、穩(wěn)定性好一般不加填充金屬和焊劑，并能實(shí)現(xiàn)部分異種材料焊接;

（4）光束易于控制，焊接定位精確易于實(shí)現(xiàn)自動化;

（5）非接觸加工，不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理;

（6）焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速加工;

（7）短時間焊接，既對外界無熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料;

（8）無加工噪音，對環(huán)境無污染;

（9）可通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時或分時焊接;

（10）很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置;

（11）很容易搭載到自動機(jī)、機(jī)器人裝置上;

（12）與其它焊接工藝方法比較激光焊接的前期投資較大;

（13）被焊工件裝配精度高，相對而言對光束操控的精確性也有較高的要求;

（14）由于飛濺大，穿透焊的焊縫相對于釬焊更粗糙，但強(qiáng)度比普通點(diǎn)焊要高很多。

3 激光焊的應(yīng)用

應(yīng)用于車身的激光焊接主要分為兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質(zhì)，激光直接作用在工件表面上進(jìn)行焊接;另一種為填充焊，即通常所說的釬焊，主要應(yīng)用于汽車頂蓋的焊接。

3.1 熔焊

根據(jù)激光束能量密度的大小，熔焊又可分為熱傳導(dǎo)焊和穿透焊。3.1.1 熱傳導(dǎo)焊

由于激光匯聚于一點(diǎn)時會產(chǎn)生相當(dāng)高的溫度（與能量密度大小有關(guān)），當(dāng)溫度達(dá)到1 490℃時，鋼板就會熔化，利用此種熱效應(yīng)進(jìn)行焊接的方式為熱傳導(dǎo)焊，其過程為：首先通過激光將工件表面加熱到熔點(diǎn)，金屬熔化后會形成一個半球形的熔池，熔池的半徑和深度慢慢增大，當(dāng)吸收的激光能量與熔池向四周擴(kuò)散的熱量達(dá)到平衡時，熔池便不再擴(kuò)大。

沿預(yù)定軌跡移動激光光束，熔池也隨之移動，熔池前方的金屬不斷熔化，后方的金屬冷卻，從而形成一條焊縫。熱傳導(dǎo)焊的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在焊縫光滑且飛濺少，速度為（1～3）m/min，焊縫深度與寬度比小于1。此焊接方式多用于平板拼焊。

3.1.2 穿透焊

在汽車白車身上，因?yàn)楹附愉摪逵?～4層，厚度可達(dá)4 mm，所以對焊縫的深度有更高的要求，此時熱傳導(dǎo)焊無法滿足工藝的要求，這就需要另一種焊接方式—穿透焊，穿透焊具有速度快、熔深更深的特點(diǎn)，它對激光能量密度的要求遠(yuǎn)高于熱傳導(dǎo)焊。

當(dāng)激光作用于工件表面時，金屬迅速汽化（在2 590℃鋼板就會汽化為蒸汽），以蒸汽的形式擴(kuò)散出熔池，并形成一個蒸汽通道，激光在通道內(nèi)進(jìn)行多次反射可以使金屬對激光能量的吸收率增加到75%，在這里稱之為“小孔效應(yīng)”，當(dāng)產(chǎn)生的蒸汽壓力不足以擴(kuò)散出熔池時，熔池便不再加深，形成一個穩(wěn)定的焊接狀態(tài)。

熔池經(jīng)過的位置，在蒸汽通道周圍形成金屬熔液流動，使上下兩層板熔合在一起，金屬冷卻后，便形成一條高強(qiáng)度焊縫。與熱傳導(dǎo)焊相比，穿透焊的優(yōu)勢在于其焊接深度更深、速度更快，對于4 mm厚的低碳鋼板材，焊接速度可達(dá)5 m/min;而其缺點(diǎn)在于其將金屬迅速汽化后產(chǎn)生的大量飛濺容易損傷工件及加工設(shè)備。

3.2 填充焊（釬焊）

另一種焊接方式為填充焊，此種方式并不熔化工件本身，而是利用激光的熱效應(yīng)熔化焊絲，并將其填充到所需焊接的兩個工件之間，其優(yōu)點(diǎn)在于焊縫美觀，產(chǎn)生的熱變形小，汽車頂蓋的焊接多采用此種方式。

汽車頂蓋激光釬焊技術(shù)是最早應(yīng)用于車身加工的激光工藝，其原理為利用激光將焊絲（一般為銅硅合金）熔化并填充到頂蓋與側(cè)圍工件的縫隙中，不但起到連接的作用還可以進(jìn)行密封。穿透焊的過程與釬焊有所不同，激光在兩層鋼板上進(jìn)行穿透焊接，無焊絲填充，機(jī)器人帶動鏡頭按照預(yù)先編定的軌跡直接焊接，無需導(dǎo)向裝置。

穿透焊采用激光功率為4 kW，遠(yuǎn)高于釬焊。因?yàn)楹附又行枰刍ぜ?，所以在焊縫的兩端需要設(shè)置功率斜坡，即在焊接起始時，功率在30 ms內(nèi)從1 kW線性增加至4 kW，結(jié)束時功率在30 ms內(nèi)從4 kW降到1 kW。

這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于避免在起弧和收弧時將鋼板焊穿，形成小洞，從而影響焊接質(zhì)量。激光源采用YAG連續(xù)型激光發(fā)生器，最高輸出可達(dá)4 kW，由于焊絲的熔點(diǎn)相對鋼板要低，所以選擇激光的輸出功率范圍為（1.8～2）kW，在熔化焊絲的同時，保證頂蓋和側(cè)圍不產(chǎn)生熱變形。

激光采用柔性的光纜傳輸，可以使激光發(fā)生器與焊接工位分開，避免設(shè)備受到損傷。根據(jù)焊絲直徑的大小，在焊接端利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配，如焊絲直徑為1.0 mm，將激光聚焦的光斑直徑調(diào)整為1.2 mm，使激光最大限度的作用于焊絲上。

焊接過程中由機(jī)器人帶動自適應(yīng)式焊接鏡頭，轉(zhuǎn)動軸帶動伸縮臂在水平方向上轉(zhuǎn)動，而伸縮臂自身可以在垂直方向移動。一般車身的激光焊縫長達(dá)42 m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強(qiáng)度和剛性。采用激光釬焊的車頂只有一條細(xì)致平滑的焊縫，直接作為外表面以增加車身的流線視覺效果，而采用傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝的車頂則有兩條橡膠密封條。

4 結(jié)語

如今激光焊接應(yīng)用于汽車車身生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢，采用激光焊接不僅可以降低車身重量、提高車身的裝配精度，同時還能大大加強(qiáng)車身的強(qiáng)度，在用戶享受舒適的同時，為其提供更高的安全保障。

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作者簡介：蔡爽（1988-），男，河北保定人，本科，工程師，研究方向：汽車車身焊接工藝。