近年來(lái)，隨著激光焊接技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，許多汽車制造企業(yè)均已開(kāi)始采用了激光焊接技術(shù)。在汽車制造工藝?yán)?，焊接是汽車裝配流水線上一道不可或缺的工序。然而，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)究竟如何？在這個(gè)車身上到處都是焊縫的時(shí)代，是時(shí)候坐下來(lái)對(duì)其進(jìn)行思考和討論了。

在汽車工業(yè)中，激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于車身焊接和零件焊接,與其它焊接方法相比，激光焊接具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

1.激光焊接的速度很快，最快可以達(dá)到20m/min；

2.由于能量集中、速度快而且是非接觸焊接，因此焊接變形很??；

3.由于激光焊接能夠使鋼板之間的連接處于晶體結(jié)構(gòu)之間的相互連接，所以不僅能提高車身的抗疲勞性、抗沖擊性以及抗腐蝕性能，而且也使車身的密封性有極大的提高。如果把TOURAN車身的激光焊接改成電阻焊接，當(dāng)它以120km/h的速度行駛時(shí)，噪聲將大約增加30%。

4.由于激光焊接是非接觸式焊接，一般距離鋼板10cm以上，因此，在車型更換時(shí)，只需更改夾具和機(jī)器人重新編程就可以了，非常適合柔性化生產(chǎn)。

圖1  典型的點(diǎn)焊圖                     圖2  典型的激光焊接圖

從某種意義上來(lái)說(shuō)，激光焊接相比于汽車生產(chǎn)應(yīng)用中的傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊和弧焊具有一定的優(yōu)勢(shì)：

1.單面焊接。點(diǎn)焊一般是對(duì)雙面板材進(jìn)行焊接，需要預(yù)留足夠的焊接邊緣，并使焊槍能夠達(dá)到翻邊的兩側(cè)。激光焊接只需對(duì)翻邊的一面進(jìn)行焊接，可以大大減少預(yù)留的焊接邊緣。這些材料的減少可以使整個(gè)車身的重量減輕，并使車身的設(shè)計(jì)更具彈性。

2.扭曲變形。與點(diǎn)焊相比，激光焊接的熱變形區(qū)域很窄。由于它是一種非接觸工藝，因此點(diǎn)焊中伴有的機(jī)械扭曲和波浪邊緣在激光焊接中不會(huì)產(chǎn)生。同時(shí)，這種非接觸特性也消除了易損件和高頻率維護(hù)部件，例如電極帽、電極桿和電纜等。

3、焊接強(qiáng)度和焊接速度。激光焊接的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是它的焊接速度，可以達(dá)到5m/min，同時(shí)產(chǎn)生很小的熱變形，而且對(duì)鄰近的金屬?zèng)]有機(jī)械扭曲。由于激光焊接可以是連續(xù)焊接，因此，激光焊接還能夠持續(xù)增強(qiáng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能。

通過(guò)將不同或相同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)的鋼板切成合適的尺寸和形狀，然后用激光焊接成一個(gè)理想的整體（即拼焊板），再進(jìn)行沖壓，由此制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)到非常合理的金屬組合。不僅能減少結(jié)構(gòu)件質(zhì)量、材料消耗、連接密封處理工作量和零件數(shù)量，而且在改善車身質(zhì)量的前提下，還減少了裝配工作量，同時(shí)使成型工具、沖壓機(jī)的工裝投資以及運(yùn)輸、儲(chǔ)存金屬材料的費(fèi)用減少。此外，還可提高車身尺寸精度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)件及裝配件的幾何形狀，從而對(duì)其制造公差進(jìn)行優(yōu)化。由于這種車身能輕松地使車身在靜態(tài)負(fù)荷、沖擊負(fù)荷及變荷下保持強(qiáng)度均衡，因此，也提高了車身的質(zhì)量穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)可靠性。同時(shí)，車身部件及整個(gè)車身的耐腐蝕能力也有極大地提高。

在白車身焊接中，激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)面車身的焊接。在使用激光焊接技術(shù)之前均采用點(diǎn)焊，因此會(huì)出現(xiàn)15mm的接縫。大眾的最新車型采用了激光釬焊，徹底消除了接縫。由于可以省去鑲邊，所以每輛汽車可以削減14歐元的成本，同時(shí)，由于工件連接之間的接合面寬度可以減少，因此，既可降低板材的使用量，也能提高車體的剛度。

圖3  激光拼焊的應(yīng)用

用激光焊接零部件，零件的焊接部位幾乎沒(méi)有變形，焊接速度快且不需要焊后熱處理。目前，激光焊接零部件已經(jīng)廣泛采用，常見(jiàn)于變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈等。

雖然激光焊接技術(shù)在車身制造中有很多優(yōu)勢(shì)，但它對(duì)部件的要求也比較高：首先它對(duì)沖壓件的要求很高，要求平整度控制在0.2mm之內(nèi)。在國(guó)外，廠家將很多沖壓件拿到外面進(jìn)行機(jī)加工來(lái)確保精度，這對(duì)竭力降低成本的中國(guó)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)很難理解。其次，激光焊接技術(shù)包含光、機(jī)、電、通訊等技術(shù)，這對(duì)維修人員素質(zhì)的要求也比較高。此外，激光發(fā)生器和機(jī)器人等在激光焊接中必須的部件的價(jià)格比較貴，因此要求的一次性投資比較大。

盡管如此，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用還是越來(lái)越廣泛。以上海大眾為例：從1999年在PASSAT首先開(kāi)始運(yùn)用激光焊接技術(shù)以來(lái)，在POLO、TOURAN的車身制造中，也越來(lái)越多的運(yùn)用到激光焊接，激光焊縫的長(zhǎng)度從4.1m 發(fā)展到現(xiàn)在的41m，所以對(duì)于PASSAT、POLO、TOURAN來(lái)說(shuō)，車身撕裂是天方夜譚。另外，由亞、歐、美35個(gè)冶金公司共同參與、業(yè)已完成的國(guó)際超輕車身聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)取得巨大成果，在所開(kāi)發(fā)的超輕車身上，50%的結(jié)構(gòu)件由激光焊接而成。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特征及沖壓成形后的質(zhì)量對(duì)采用薄板激光焊接工藝的影響很大。使用的金屬材料種類很重要，這關(guān)系到可焊性、成形性及生產(chǎn)能力。激光焊接產(chǎn)品/工藝方面需要考慮的內(nèi)容包括：

1.焊接板材應(yīng)該含有較高的吸收光能特性；

2.板材的厚度應(yīng)該小于1.5mm；

3.分總成零件的尺寸受限于激光發(fā)生裝置的工作區(qū)域范圍；

4.總成的焊接位置能夠進(jìn)行夾緊和支撐；

5.板材匹配間隙要求嚴(yán)格，一般小于板材厚度的20%。

目前，在線的車身激光焊接工藝（如車頂與側(cè)圍間焊接）主要應(yīng)用于一些歐洲的汽車制造商，而在北美和日本等地并不普及。但是，離線的薄板激光拼焊工藝卻為很多汽車制造商所使用。

拼焊可以把不同厚度、強(qiáng)度和鍍層的鋼板焊接在一起，然后沖壓成形。而激光技術(shù)可以很好的應(yīng)用于這種工藝，并在汽車工業(yè)廣受歡迎。在北美，激光拼焊的應(yīng)用正以每年1.5～2億片的速度增加，預(yù)計(jì)2006年將達(dá)到7億5千萬(wàn)片。它具有降低成本、減輕車身重量、不需要多種沖壓模具和相關(guān)傳統(tǒng)點(diǎn)焊夾具的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還可使鋼材得到充分利用。

激光焊接技術(shù)雖然有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些弊端：

1.由于激光焊聚焦光斑小，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的精度要求較高，因此提高了對(duì)焊接夾具的設(shè)計(jì)要求，從而也提高了投資；

2.激光焊接設(shè)備本身的價(jià)格不菲，初期投資較大。如果產(chǎn)量受車型銷售影響無(wú)法大幅度提高，則激光焊接對(duì)于大規(guī)模、高速生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)則無(wú)法得到發(fā)揮；

3.任何一種焊接工藝都或多或少會(huì)產(chǎn)生缺陷，對(duì)于激光焊來(lái)說(shuō)，一旦產(chǎn)生焊接缺陷，其質(zhì)量的檢測(cè)和返修都較其他焊接方法困難。當(dāng)前，能夠應(yīng)用于激光焊縫的可靠、便捷的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備尚存在空白。

盡管如此，激光焊接在汽車工業(yè)中，特別是中高檔車的生產(chǎn)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，如大眾公司生產(chǎn)的Golf在焊接長(zhǎng)度方面：激光焊接為52.5m，利用同一激光源的激光釬焊焊縫為3.6m，粘合劑接合為22.6m，亞弧焊為4.7m，點(diǎn)焊為2938處。按照對(duì)車體結(jié)構(gòu)整體組成的貢獻(xiàn)計(jì)算，激光焊與點(diǎn)焊的比例各占45％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他連接方法，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造領(lǐng)域中不可缺少的工藝。

另外，其具備的柔性也在生產(chǎn)中得到較多應(yīng)用，Nd:YAG激光可以通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，其光源發(fā)生設(shè)備距離焊槍終端可超過(guò)100m，從而可使多個(gè)車型、多個(gè)工位共用一組激光器，同時(shí)提高了設(shè)備利用率、能源動(dòng)態(tài)平衡和生產(chǎn)安全冗余性。一汽大眾二廠的PQ35平臺(tái)擁有30多個(gè)激光設(shè)備，不僅可以為SAGITAR速騰白車身焊接提供三個(gè)工段超過(guò)20個(gè)工位的光源，同時(shí)該設(shè)備還可為Caddy車型提供激光源，正在規(guī)劃中的一款新車亦可利用其中部分激光設(shè)備，從而保護(hù)了初始設(shè)備投資。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用激光設(shè)備時(shí)的車間占地面積比點(diǎn)焊設(shè)備減少了40%。另外，車身焊接激光系統(tǒng)的使用使生產(chǎn)節(jié)拍加快，在SAGITAR速騰白車身焊接中，使用激光焊接時(shí)的生產(chǎn)節(jié)拍比傳統(tǒng)方法快30％，而相應(yīng)工位的操作工數(shù)量不及傳統(tǒng)方法的1/2。

在國(guó)外，已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用遠(yuǎn)程激光來(lái)制造焊接柔性車身，這為柔性制造提供了新的課題。然而，在國(guó)內(nèi)仍有很多人沒(méi)有理解采用激光焊接的車身與采用電阻焊接的車身的區(qū)別。如果可以在用戶面前作對(duì)比試驗(yàn)，大家應(yīng)該會(huì)更容易理解。但是，隨著國(guó)內(nèi)用戶對(duì)汽車的理解和追求目標(biāo)的提高，相信會(huì)有越來(lái)越多的人認(rèn)可激光焊接技術(shù)和激光焊接的車身，同時(shí)，也將帶動(dòng)我們對(duì)激光焊接的研究。

激光焊接技術(shù)能將各種鋼板焊接在一起，可大幅度提高汽車的剛度、強(qiáng)度和密封性。在國(guó)外對(duì)汽車追求“安全第一”的環(huán)境下，激光焊接技術(shù)的發(fā)展會(huì)很快，而且國(guó)外已經(jīng)充分利用激光焊接技術(shù)進(jìn)行鋁合金車身的焊接，為鋁合金車身的制造提供了有效的方法。同時(shí)，它還推動(dòng)了汽車在不降低剛度和強(qiáng)度的前提下，向輕量化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。因此在國(guó)外，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，而有了市場(chǎng)，勢(shì)必會(huì)促進(jìn)激光焊接技術(shù)的不斷發(fā)展。

相對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝而言，薄板激光拼焊技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的工藝，可以降低汽車的制造成本。而就車身在線的焊接工藝來(lái)說(shuō)，激光焊接設(shè)備相對(duì)于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的成本仍相當(dāng)昂貴。對(duì)于一個(gè)典型的激光焊接工位（如圖4），包括兩套激光發(fā)生器、冷卻箱、激光頭，兩臺(tái)機(jī)器人及相應(yīng)的機(jī)運(yùn)線和外部封閉等，大約需要200～300萬(wàn)美金。

目前受限于車身相關(guān)產(chǎn)品及工藝的設(shè)計(jì)要求，在線的車身激光焊接尚無(wú)法大量替代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。但隨著車身設(shè)計(jì)的優(yōu)化，激光焊接對(duì)車身結(jié)構(gòu)特有的優(yōu)勢(shì)以及激光焊接技術(shù)可靠性的進(jìn)一步提高和設(shè)備成本的降低，相信激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。目前，在車頂和側(cè)圍的焊接以及行李箱蓋等分拼區(qū)域的焊接已有更多的汽車廠使用了或考慮使用激光焊接。

圖4  一個(gè)典型的激光焊接工位

當(dāng)前，必須要承認(rèn)的事實(shí)是：激光焊接設(shè)備的初期投資較大。雖然隨著產(chǎn)量的提升可收回預(yù)期的投資，但激光技術(shù)的使用，亦使車身的材料成本、車間的建設(shè)成本和人力成本受到控制?？傮w看來(lái)，在生產(chǎn)初期產(chǎn)量不高的情況下，汽車的制造成本會(huì)略高于使用傳統(tǒng)工藝的制造成本。

關(guān)于激光設(shè)備，預(yù)計(jì)下一代在汽車產(chǎn)業(yè)中大量使用的激光器可穩(wěn)定提供6kW的能量輸出。效率可達(dá)20%，光束質(zhì)量達(dá)到6mm×mrad，并可在超過(guò)100m的光纜中靈活傳送，正常運(yùn)行時(shí)間達(dá)99.9%，而修理時(shí)間不超過(guò)30min。

就激光焊接工藝而言，激光-電弧復(fù)合焊將是一個(gè)熱點(diǎn)。激光-MIG焊采用激光束和電弧共同工作，焊接速度高、焊接過(guò)程穩(wěn)定，同時(shí)熱效率高，并允許更大的焊接裝配間隙。激光-MIG復(fù)合焊的熔池比MIG焊的要小，熱輸入低、熱影響區(qū)小且工件變形小，大大減少了焊后糾正焊接變形的工作。復(fù)合焊比激光焊更加經(jīng)濟(jì)，激光-MIG復(fù)合焊的焊縫是由激光和MIG焊共同形成的，可降低所需的激光束能量，從而大大降低激光器的功率。當(dāng)前，大規(guī)模使用的激光器效率不超過(guò)3%，因而作用在工件上的激光束能量每降低1kW，則在激光器上降低的能耗就接近35kVA。在歐洲，每增加1kW的激光功率大約需要10萬(wàn)歐元，如果能用3kW的激光器代替4kW的激光器，即使考慮到增加MIG焊電源和激光焊頭所需的費(fèi)用，投資也可以節(jié)省6萬(wàn)歐元左右。

針對(duì)激光焊縫的質(zhì)量檢測(cè)，當(dāng)前已經(jīng)有使用超聲波技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)儀器出現(xiàn)。針對(duì)不同車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用的超聲波探頭可以達(dá)到90％的準(zhǔn)確率，該設(shè)備的發(fā)展有望使白車身激光焊接質(zhì)量再提高一個(gè)臺(tái)階！

（轉(zhuǎn)載）