激光焊接汽车车身

1、激光焊接汽车车身、激光焊接技术激光加工是利用高辐射强度的激光束，经过光学系统聚焦(功率密度可达1041011W/cm2 )，对工件加工部位施加高温进行热加工的技术。与传统的焊接方法相比，激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使 其非常适于大规模生产线和柔性化制造。其中，激光焊接 在工程车辆制造领域中的成功应用可大大提高生产效率 和产品质量，已经凸显出激光焊接的巨大优势。激光焊接的优点首先是被焊接工件变形度极小，几乎没有连接间隙，焊接深度与宽度比高，在高功率器件焊接时，深度与宽度比可达5:1，最高时可达10:1 1，焊接质量比传统焊接方法 好；其次是焊缝强度高，焊接速度快，焊缝窄，且通常表 面

2、状态好，免去了焊后清理等工作，外观比传统焊接要美观；另外，激光焊接可焊接难以接近的部位，施 行非接触远程焊接，具有很大的灵活性，尤其是近几年来，在光纤激光加工技术中，由于光纤传输技术的 优势，激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。鉴于这些特点，在汽车工业，激光焊接通常被应用于车身焊接的关键工位以及对工艺有特殊要求的部 位，如：用于车顶与侧围外板焊接能解决焊接强度、效率、外观及密封性的问题；用于后盖焊接可解决直 角搭接问题；应用在车门总成的激光拼焊可有效提高焊接质量和效率。二、激光焊接工艺(1) 现代激光焊接普通激光焊接工艺主要被用于车顶焊接，可以降噪和适应新的车身结构设计。欧洲各大汽车厂的激

3、光器绝大多数被用于车顶焊接。目前，德国大众已在Audi A6、Audi A4、Golf和Passat等车顶采用了此项技术，宝马的5系、欧宝的Vectra车型以及瑞典沃尔沃的一些车型生产中，对激光焊接更是趋之若鹜。在我国，上海大众已经在众多车型上采用了激光技术来焊接车顶和侧围外板，如帕萨特、途安等；上 海通用的新君威、君越平台上也应用了激光焊接工艺。图1是上海通用新君威的车顶与侧围焊接装置，采用了 4kW泵浦激光器，同时，焊缝识别、跟踪系统以及焊缝质量实时监测系统等都集成于激光焊接头上。 焊接新君威车顶只需十几秒，与传统点焊相比，焊接质量和效率都大大提高，焊接完毕后，无需增加车顶 饰条，提高了整

4、车的美观度。与传统电阻点焊接头相比，采用激光焊接方式可大幅降低接头凹槽宽度（由20mm降低到10mm左右），从而可以减少车重。在设计连接方式时，可采用重叠方式（overlap joint ）和搭接方式（fillet joint）两种。从图2可以看出，二者所焊接的位置有所差别。重叠方式对激光焦点的定位要求较低，只需聚焦在 板材重叠范围内即可，不需要专门的焊缝跟踪系统，但缺点是当焊接镀锌板时，被激光气化的锌蒸汽无法 溢出，会导致焊缝可能出现气孔等缺陷。搭接方式对激光焦点的定位要求较高，需聚焦在搭接缝上，故需 要专门的焊缝跟踪系统，增加了设备成本，但它可以避免焊接镀锌板时的焊缝气孔等缺陷问题，锌蒸汽

5、可 从搭接头边缘缝隙中排出。图3为两种不同方式下焊接镀锌板的质量对比（4.4kW，0.8mm热镀锌板）。图3不同搭接方式镀锌板激光焊接质量对比使用激光焊接的优点很明显，焊接速度快（以56m/min的焊接速度，焊接1.5m车顶只需十几秒）、焊缝质量好、连接强度高（激光焊缝强度是常规电阻点焊的1.5倍）且具有较高的密封性；缺点是设备投资成本较高，如两台 4kW ND:YAG 泵浦激光器加上附属焊接系统的成本约为250万美元，远远高于电阻点焊设备的投资。（2）激光钎焊激光钎焊与传统的 MIG钎焊类似，其区别在于它采用激光源来熔化焊填充焊缝，以形成焊接接头。 图4所示为激光钎焊的工艺及应用效果。汽车生

6、产厂家通常采用的激光钎焊钎料是CuSi3，熔点950 C左右，远低于钢的熔点（约 1500 C）,故激光钎焊所需的激光器功率较低（约为普通激光焊接的一半），能够大大节省昂贵激光器的投资成本。 CuSi3 浸润后强度可达 350MPa左右，高于普通低碳钢，故激光钎焊能够达到很高的强度。图4激光钎焊工艺及应用激光钎焊过程中，钎料被填入到接头缝隙中，无需在焊后涂胶及添加饰条，能够节省大量工艺成本。目前激光钎焊已在车顶与侧围外板、后盖焊接上得到广泛应用。激光钎焊在焊接车顶与侧围外板时的缺点 是，它对夹具定位的要求较高，每种车型均需要专门的夹具来对车顶侧围进行夹持（见图5），以保证焊缝的精度，获得稳定的

7、焊接质量，因此，激光钎焊夹具的柔性较差。图5激光钎焊的夹具（3）远程激光焊接远程激光焊接（见图6）已经正在成为可替代传统汽车白车身电阻点焊的一种新手段。根据行业调查,业界已安装的远程激光焊接设备超过60套，主要集中在欧洲和北美地区。图6远程激光焊接系统远程激光焊接为非接触式焊接，采用专门的镜头将激光聚焦在12m远的焊接工件上，镜头由机器人驱动，通过机器人移动和激光聚焦点的变化，灵活地实现各个部位的焊接。激光远程焊接技术发挥了单 侧、非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合，大大缩短了焊 接时间，在整个焊接工艺流程中提高了总生产效率。对于传统激光/机器人焊接，2

8、0mm的缝焊需0.20.4s完成，重复定位时间约3s，而对于远程激光焊 接来说，焊接时间相同，重复定位时间仅为0.2s。由此可见，远程激光焊接的关键优势在于定位时间大大缩短，这是由于它装备了高速的光束扫描装置。Comau Pico公司很早就曾为推动远程激光焊接技术的发展而努力， 他们曾和Rofin Sinar等公司合作， 采用一台基于 CO2激光器的远程焊接设备，利用扫描镜片以高速反射光束，焊接车身件的多个焊接位置。在Fiat Marea车型的一个典型部件上，远程CO2激光焊接也被用来替代电阻点焊，以消除在车后部尾门上采用胶粘剂带来的成本。在这一应用中，总的激光缝焊时间是5s。在对该车型门框的

9、焊接上，43条激光焊缝仅需30s就能完成，替代了传统的电阻点焊。在这项应用中，重复定位时间的降幅高达 94%。Renault公司采用一套 Agilaser焊接C85的前门部件，替代了原先使用的需要12台机器人电阻焊的系统。原系统需要占地1050m2 ，而采用5机器人工作站的 Agilaser仅占地808m2。两台Agilasers以66s的周期生产部件，焊接93条右侧及左侧激光焊缝，而以前则需要电阻点焊 130 个右侧和左侧焊点。 在Renault公司，一台Agilaser在C65车型的前门焊接38条激光焊缝，仅用两套夹 具。激光远程焊接的优点在于更经济、占用空间更少，相比要使用68套夹具的电

10、阻点焊来说，远程焊接的仅需一套夹具。另一方面，远程激光焊接的缺点在于其对工件匹配要求很高，这使得设计和制作夹具 非常复杂。（4）激光拼焊板德国蒂森克虏伯激光拼焊板有限公司从1985年开始生产拼焊板，激光拼焊技术的出现使得汽车生产制造从整车制造商向材料供应商转移。目前，激光拼焊板主要应用于汽车制造业。在激光焊接中，材料是 对接而不是搭接，这将带来如下焊缝特性：1、降低焊缝区域的体积，例如，焊缝宽度不超过 0.51mm2、不增加焊缝高度；3、对冲压成形性能影响较小；4、在焊缝上附加镀锌后，可保持其阴极保护功能；5、焊接过程中，热影响区小。2完成焊接后，焊缝区域的静态、动态强度是非常重要的指标，因此

11、，还需对焊缝区域抽样，进行破坏 性抗拉强度测试（杯突测试），以检验焊缝区的拉伸成形性能。一般来说，焊缝的拉伸强度比母材的强度 要咼。激光拼焊板工艺与传统点焊搭接工艺的产品相比有诸多优势：不仅降低了整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且减少了外围加强件数量，简化了装配步骤及工艺，同时使车辆 的碰撞能力增强，冲压成型率及抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封胶，也为环保带来利益。拼焊板已被广泛的应用于车身部位，ULSAB（世界轻质钢制车身协会）的最新研究结果表明：最新型的钢制车身结构中，50 %采用了拼焊板制造。图7蒂森克虏伯诺邦公司生产的直线激光拼焊器当激光拼焊技术应用于

12、车身侧围的制造，不再需要任何加强杆、加强筋及附属的生产工艺，则重量和 部件数量都会得到减少，而高延展性材料的应用也会使抗撞击能力得到改进。同时，也不再需要加强板， 在B柱上，拼焊板的应用可大大降低累积公差。激光拼焊板的采用，不仅提高了车门部件制成品质量的稳定性，使车门部件的调校不再是个难题，同 时可降低部件的重量，而且原有接缝处密封措施的省略，也使其更具有环保性。此外，拼焊板在车门上的 应用还使铰接区域的刚性得到整体加强，车门的配合公差得到大幅改善。重量降低、生产工艺得到优化， 则必然使成本下降。奥迪A6的车身强度和钢度一直备受赞扬，国产全新奥迪A6L在原有基础上进行了再次改进：采用了激光拼焊

13、技术的车身设计（如图7）。新奥迪 A6L经过强化的车身，其抗扭转强度提高了34%配合全新的车身、底盘设计加之采用先进激光焊接技术的坚固车身结构，使国产全新奥迪A6L在遭遇碰撞时，预测的车身变形区、侧面防撞保护梁以及合理的车内空间结构等能够为乘客提供有效保护。这些看不到摸不着 的设计和选材不但能降低车辆的制造成本和重量，还能在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全。三、激光焊接汽车车身的优势与发展（1）优势及要求激光焊接最重要的优势在于能够将非常高的能量聚焦于一点，激光束打在两个要焊接部分的边缘，输入 能量把金属加热并将其融化。在激光束作用以后，溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中，有一小部分的 数

14、量将进入被焊接的零件中。 在焊接减少热变形的同时， 也减少了输入的热能量。 减少因热量影响的变形， 并增加对准确性的纠正，可以节省大量金钱和时间。然而，如何提高焊接速度和减少低能量输入是目前面临的挑战。在被供热的区域减少低能量输入虽有它 的好处： 珠光体、马氏体和奥氏体接缝结构的复杂钢型不会大范围改变结构， 这一特点同样适用于其它钢， 如被限定好碳沉淀的 IF 钢；但另一方面也存在一些不足， 少量的能量会导致快速冷却， 热能将被导入冷却 部位。为减少接缝的硬化，小心调整焊接的速度参数、激光功率、冷却比率和焦点位置是非常重要的。而为防 止金属进一步硬化，还需采用保护气体加以保护，如氩气和氦气等不

15、会在材料中发生任何热反应的气体。激光光束的小光点尺寸引起的另一个问题是切边质量， 如果在两个零件中间有要进行焊接的接缝， 激光 束要保证通过材料时不会与其相接触并将其融化。要避免这点，对零件精确性的要求非常高。目前，使用 领域较普遍的是连接两个零件的长缝，这能够在越来越多的车身空白处发现。（2）技术趋势未来激光焊接技术将会采用哪种方式？答案有两个：一种是演变 ,改进现有技术。 这意味着针对发展激光焊接将会有一种新的激光源 纤维激光，这是一种设有灵活的纤维谐振器的激光，输入能量比率远远 高于输出能量，整个设备将比较紧凑。大功率纤维激光的另一个好处在于模件建造，许多功率大约为300500W 的纤维

16、谐振器，如果发生技术漏洞，更换一个合适的模块非常容易。在这种情况下，由于激光工作 的时间比较长，因此也不需要配备一个训练有素的技术员。另一种是在一些以电阻螺柱焊接为主的地区介绍的激光焊接方式“交替龙门焊接 ”，当焊接时间超过 50%的工作时间时， 激光焊接装置更为节省。 在应用方面 ,现在正在应用电阻螺柱焊接， 解决这个问题的 办法是一种规定有两个焊接交替配置的激光。 当一个配置的焊接正在运行时 ,另一个配置处处理头向下一个 焊接位置移动，在这以后激光将转至另一个焊接配置，这项技术已由蒂森克虏伯引进。然而，除此之外针对汽车制造商也将会出现完全新式的使世界焊接领域发生革命性变化的焊接技术， 如摩擦焊接。它的优势是只需能够焊接两个零件必要的低能量输入即可，而热量变形较低。由于温度非常 低,因此， 焊缝不会比材料坚硬。但也有不足之处： 高强度压力和快速自转要求必须要很好地固定住金属零 件。目前，只有几家公司采用这项技术来焊接铝。但无论从哪个角度来说，激光拼焊技术将会是未来车身 焊接技术的发展方