激光深熔焊工藝在鋁車身上的集成應用

奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241000

汽車輕量化能有效地節(jié)約油耗、減少排放，在日益嚴峻的環(huán)境和能源形勢下，各大汽車企業(yè)都在不斷積極探索汽車輕量化方案。

鋁和鋁合金材料具有比重小、塑性好、比強度高（0.113N/kg）、導熱性能好、化學性能以及減重效果好（25%～40%）等一系列優(yōu)良的使用特性。因此，近年來，越來越多的企業(yè)選擇了采用鋁及鋁合金材料替代普通碳鋼的車身輕量化技術路線。美國、德國、英國等先后開發(fā)出標志性鋁基輕量化產(chǎn)品A8、XFL等。奇瑞 eQ1 上市，標志著國內首款全鋁車身誕生。

為顯著提升純電動汽車行業(yè)的制造技術水平，滿足大批量定制化制造和產(chǎn)品市場定位，基于奇瑞新能源eQ1產(chǎn)品的綠色關鍵制造工藝激光深熔焊技術，目的就是要解決當前純電動汽車制造自動化、綠色制造、產(chǎn)品一致性等問題，促進先進技術與制造業(yè)融合，保證本公司產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展和競爭力。

激光器的選擇

常見的激光器種類，按其工作介質分為五類，分別是：氣體、固體、半導體、染料以及光纖。

1.氣體激光器

氣體激光器可以是純氣體，也可以是混合氣體。最常見的CO2激光器具有峰值功率高、光束集中、功率可選范圍大、連續(xù)和脈沖兼具、波長范圍廣（9000～12 000nm）以及體積小等優(yōu)勢，多應用于軍事、材料切割等。

2.固體激光器

固體激光器的特征是高功率穩(wěn)定性、輸出功率連續(xù)可調節(jié)，高光束質量，工作性能可靠，激光器壽命長，可長時間連續(xù)工作。電源自帶過熱、限流保護電路，TEC及激光頭風扇制冷，可外接信號發(fā)生器進行高速調制（TTL調制及模擬調制）?？蓪崿F(xiàn)加載單模/多模光纖耦合輸出，耦合效率高，操作方便，光纖可拆卸更換。采用多級串聯(lián)來實現(xiàn)高功率輸出，目前平均功率最高可達到上600～800W，重頻可達80～200次/s，單脈沖能量可達80J。主要應用：校準光路、熒光激發(fā)、光譜分析、光電檢測、干涉實驗及拉曼實驗等。

3.半導體二極管激光器

半導體二極管激光器利用電子發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩和反饋，產(chǎn)生光束放大，輸出激光。應用場景：熒光激發(fā)、光譜分析、材料、細胞、腫瘤、活體照射及光動力治療等。

4.染料激光器

染料激光器具有輸出波長可調功能。它是光譜范圍0.4～1.4μm可調的窄帶寬激光器，通過混頻技術獲得紫外到中紅外波段的可調諧相干光。主要用于高光譜特征參量與光譜庫研究。

5.光纖激光器

光纖激光器應用領域較多，包括空間遠距離通訊、千兆光纖通訊儀、船舶、汽車、切割、打標、鉆孔、焊接、醫(yī)療器械及基建等。玻璃光纖具有成本低、應用成熟、產(chǎn)品空間尺寸小及質量輕等優(yōu)點；它不需要像晶體一樣對入射光進行相對嚴格的相位匹配，原因是玻璃基體的星分裂引起的不均勻加寬導致了寬吸收帶。材料體積比極低，功耗低，熱量去除快，交換效率高，閾值低；輸出的激光波長多。這是因為稀土離子能級非常豐富，而且有多種稀土離子。由于這種激光器諧振腔內沒有透鏡，不需要調整焦距而且免維護，應用場景較為普遍。光纖輸出形式使得激光器能夠容易適應3D空間應用，能適應惡劣的環(huán)境，對振動、沾污、沖擊及溫濕度有很好的耐受性。只需簡單的風冷。各類激光器各有特點，需要結合鋁合金框架車身所用材料的特點并結合投資成本、維護成本等方面綜合考慮，進行充分的驗證和對比，從而選擇合適的激光器類型。

激光器參數(shù)的選擇

1.激光器功率

激光功率是激光焊接中的一個關鍵因素，使用激光來焊接金屬和非金屬已經(jīng)成熟應用，其中存在一個激光光束能量密度閾值，低于該閾值，熔透很淺，大于或等于此值，穿透性將大大增加。激光功率超過能量閾值（也就是激光問題高），空氣會產(chǎn)生離子，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的高深寬比焊縫。當功率小于能量閾值，焊接熔深不足，焊縫連接強度不足。而當激光功率接近形成小孔的臨界條件時，激光深熔焊和熱傳導焊不間斷運行，導致焊縫熔深波動很大。使用激光深熔焊工藝時，功率和速度與焊縫熔深有關系。焊接的熔深直接與光束功率密度有關。

深熔焊和導電焊交替進行，成為不穩(wěn)定的焊接過程，導致熔透波動較大。激光深熔焊過程中，激光功率可以同時控制熔深和焊接速度。熔透率與入射光束的功率密度直接相關，是入射光束功率和光束焦點的函數(shù)。一般來說，對于一定直徑的激光束，穿透深度隨光束功率的增加而增大。

2.激光脈沖波形

針對高反射率材料，使用激光進行焊接必然會產(chǎn)生60%～85%的能量損失，通過調整激光脈沖寬度參數(shù)，可有效抑制能量損失。在激光脈沖信號處理過程中，高光金屬的反射率隨焊接時間變化。當被焊接零件材料達到熔點時，反射率會快速下降，當被焊接零件表面形成焊縫熔池時，材料反射率會穩(wěn)定下來。多數(shù)高光材料能量輸入開始階段反射率高，一般采用前置尖峰的激光輸出波形，利用波形出現(xiàn)尖峰使激光溫度提升至熔點，減少反射率。對于黑金屬材料，材料反射率低一般采用平整的波形。在應用中需根據(jù)材料表面特性不同，對脈沖波形進行調整。

3.激光脈沖寬度

激光脈沖寬度主要由焊縫深度與寬度確定，脈沖寬度越長熱影響區(qū)越大，焊縫深度是隨著脈沖寬度的0.5次方增加。但脈寬的加大峰值功率會降低，此方法主要用于激光熱傳導焊接形式，焊縫形貌尺寸深寬比低，用于兩種板材厚度差異較大的搭接焊。但低的峰值功率使得激光功率損失較大。通過實驗可得出，各種材料熔深達到最大時最佳脈沖寬度參數(shù)。

4.光斑直徑

光斑直徑?jīng)Q定激光的能量密度的聚焦程度。但對于功率較高的激光束，目前對光斑尺寸的測量是個難題，目前已經(jīng)有一些間接測量方法。根據(jù)衍射理論，可以計算出光束聚焦的衍射極限光斑大小。但由于焦距透鏡存在像差，實際光斑尺寸大于計算值。常用的測量方法是等溫剖面法，即燃燒厚紙和穿透PP板后測量焦點和射孔直徑。采用此手段要有一定經(jīng)驗，在測量過程中掌握好激光的功率和激光的作用時間。

5.激光透鏡焦距

焊接時需對激光進行聚焦，常采用 62～253mm焦距的鏡頭。焦斑的大小與焦距的關系成正比，焦距變短，光斑變小。但焦距也影響震源深度，也就是說，震源深度增加焦距也隨之增加，因此短焦距可以增加功率能量，但由于震源深度很小，鏡頭和工件之間的距離較大，且熔深較小。由于焊接過程中的受熔池飛濺影響，實際焊接使用的最短焦深一般為126mm。當連接零件之間存在較大縫隙時，可增加激光光斑尺寸，一般采用254mm焦距的鏡頭。為了達到焊接小孔效果，可提高焊接激光輸出的功率能量。當功率超過2kW時，尤其是CO2激光束10.6μm，由于透鏡采用精密材料構成，為了避免聚焦透鏡光學損壞的風險，一般采用反射聚焦方法，通常使用拋光銅鏡子反射器。由于其冷卻效果好，常被推薦用于大功率激光聚焦。

鋁及鋁合金材料具有高反射性，選擇激光器參數(shù)時需采用與之匹配的參數(shù)。除此之外，投資成本也是一個不得不考慮的問題，按目前國內市場的行情，一臺3kW激光器的價格大約在150萬～180萬元，應在滿足焊接要求的同時，選擇盡可能低的功率，以保證最終的投資效益。

工裝夾具的開發(fā)

1.焊接夾具的定位原理

在焊接過程中，每一個焊接件所放置的位置不能保證一致，即使對同一批要進行焊接的焊接件來說，也不能確保每一件都放在同一個位置。而且各焊接件本身的差異和各工件的位置、傾斜角度也是不一致的。由于焊接件位置的這種不確定性，同時要滿足限定自由度。剛體在空間中有6個自由度，即沿XYZ三個坐標軸平移的3個自由度和3個旋轉自由度。欠約束零件加工無法保證加工精度和質量符合性與穩(wěn)定性，必須對焊接件進行自由度的限制。

汽車焊裝夾具和普通機床夾具的形式和理論雖然是相似的，但普通的夾具定位在設計時一般采用6點定位原理，即通用的一面兩銷的定位原理，完全定位即可。然而在進行汽車焊裝夾具設計的定位時，不能采用普通的標準。汽車車身是空間曲面，簡單的 6 點定位不能保證焊接件的定位精度。在汽車車身夾具定位時應使用過定位，即所謂的“N-2-1”定位原理。

在生產(chǎn)線中以焊接件的平面作為定位基準進行自由度的限制是最常見的一種形式。在進行焊接夾具設計定位的時候，可以按焊接件表面接觸的情況進行分析。通過焊接件表面接觸面積大小，接觸點的數(shù)目多少，確定在設計夾具時所采用的形式：夾緊裝置還是支撐件。一般當零件較?。ǎ?0mm），接觸面積較大，會將“N-2-1”N整合成一個大面定位。

第二個基準一般是以工件的圓柱孔來進行定位，主要通過定位銷來實現(xiàn)。一般采用短銷來限定兩個移動自由度。

第三個基準同樣是采用定位銷進行定位，和第一個進行配合限定一個旋轉自由度。在夾具進行定位時一般較少采用長銷進行定位，防止氣缸夾緊時產(chǎn)生較大的力對銷產(chǎn)生破壞，影響定位效果。

2.夾具設計

大批量生產(chǎn)輔助設施的限制與單件或小批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線不同，大批量生產(chǎn)的鋁合金框架車身生產(chǎn)線除了必要的焊接夾具外，還需要有輥床、滑撬、吊具、安全防護設施等機械化輸送設備或工裝。因而，在進行激光焊接夾具的設計時，需要與周邊相關設施相適應，避免出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

3.激光焊接夾具的特殊要求

對于采用壓力連接（點焊、SPR等）的零部件，夾具壓頭的分布不需要很緊密，最大可按300～400mm分布，待連接零件之間允許有不超過1mm的間隙存在。連接時，在工具頭的壓力作用下，完全可以將這部分配合偏差抵消。

激光焊則對配合間隙較為敏感，一般情況下，待連接零件之間的配合間隙不允許超過較薄料厚的30%。因此，夾具的夾頭布置得越緊密，對焊接越有利。然而，夾頭布置得越緊密，意味著焊接可達性越差。如何平衡這兩者的關系則成為了進行激光焊接夾具設計中最為重要的考量因素。

激光焊接頭的開發(fā)

1）鋁合金車身的結構特點與傳統(tǒng)車身的二維結構不同，新能源鋁合金框架車身絕大部分是由擠壓成形的鋁型材構成的，具有三維立體結構，同一個接頭通常需要從四個不同的方向施加焊接。同時，由于汽車造型的要求，某些接頭的焊接操作空間往往被其他零部件所遮擋，加上焊接夾具的影響，焊接工具難以到達。

2）激光焊接頭的結構。激光加工頭是激光焊接設備的關鍵組成部分，利用它來實現(xiàn)調整焦距和工作距離，從而可獲得合適的光斑尺寸。在激光焊接機頭中集成了不同功能的組成單元，包括激光聚焦和導入單元、保護氣導入和分配單元、冷卻系統(tǒng)及透鏡防護系統(tǒng)等。由于需要集成諸多功能單元，造成激光焊接頭體積較大，勢必會影響其在復雜車身結構上的應用。需要針對車身結構開發(fā)可達性更好的激光焊接頭。

3）偏差探測系統(tǒng)的開發(fā)。零部件在從原材料到車身的加工過程中，往往要經(jīng)過幾道甚至十幾道工序，每道工序加工過程中都不可避免地會產(chǎn)生偏差，隨著工序的流動，這些偏差將累積到車身上并向后序傳遞。為了保證激光焊接的質量，除了制定合理的加工公差及控制零部件加工質量外，還需要配備相應的偏差探測系統(tǒng)。在焊接前，由該系統(tǒng)對裝配偏差進行探測并反饋給激光焊系統(tǒng)，激光焊系統(tǒng)進行相應調整后再進行焊接，而且這一過程必須在大批量生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍內完成。

結語

奇瑞新能源汽車采用激光焊接技術對比傳統(tǒng)MIG焊接工藝，每米焊縫節(jié)約成本8.7元/m，以替換11m焊縫計算，單車節(jié)省約95元，按年產(chǎn)6萬輛計算，可實現(xiàn)節(jié)約成本570萬元/年。通過本文研究希望可以給同行業(yè)一些建議和參考。