摘要：激光熔焊和激光復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展以及大功率激光器的出現(xiàn)，使得激光焊接技術(shù)進入了長期以來一直被傳統(tǒng)焊接技術(shù)所壟斷的汽車車身制造領(lǐng)域，使其在汽車車身的制造過程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。激光熔焊及激光復(fù)合焊接技術(shù)以其較高的焊接速度、連接質(zhì)量和高速焊接時電弧的穩(wěn)定性，大大提高了激光焊接技術(shù)在車身制造領(lǐng)域的應(yīng)用。 大眾邁騰車身激光焊縫總長度達42m，激光焊接使車身的前撞、后撞、側(cè)撞都能做到吸收能量。高強鋼的激光焊接工藝，使車身受撞擊時的能量承載到超高強度熱成形鋼板上，使車身強度得到大幅度提高。 1. 概述 從20世紀80年代開始，激光焊接技術(shù)開始運用于汽車車身制造領(lǐng)域，主要是應(yīng)用于激光焊接車身。激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，使工件在瞬間熔化，從而實現(xiàn)焊接過程。激光焊接設(shè)備使用的激光器主要有兩大類：一類是固體激光器，又稱Nd∶YAG激光器，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4kW的Nd∶YAG激光器；另一類是CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標(biāo)準(zhǔn)激光功率在2～5kW之間。 目前，車身焊接主要有電阻點焊、MIG和MAG焊等方式。汽車制造過程中，激光技術(shù)主要用于車身不等厚板的拼焊和車身焊接。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)圍的焊接，在一汽大眾，傳統(tǒng)的電阻點焊已經(jīng)逐漸被激光焊接所代替。激光焊接運用于汽車，可以降低車身重量并達到省油的目的；提高車身的裝配精度，使車身的剛度提升30%從而提高了車身的安全性；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)目并提高車身一體化程度。 在開發(fā)激光焊接新技術(shù)方面，激光技術(shù)在車身制造過程中的發(fā)展經(jīng)歷了不等厚鋼板激光拼接技術(shù)、車身激光焊接技術(shù)和激光復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展歷程。與單一的激光熔焊技術(shù)相比，激光復(fù)合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點：高速焊接時電弧較高的穩(wěn)定性、更大的熔深，較大縫隙的焊連能力、焊縫的韌性更好，通過焊絲可以影響焊縫組織結(jié)構(gòu)，以及無焊縫背面下垂現(xiàn)象等。 目前一汽大眾公司在Audi C6、Golf A6、寶來、速騰、邁騰、Model X等幾乎所有品牌的車型制造過程中，均不同程度地采用激光切割、激光熔化焊接和激光復(fù)合焊接等先進的制造技術(shù)（見下表）。2. 激光焊原理 激光焊采用激光作為焊接熱源，機器人作為運動系統(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，可實現(xiàn)薄板的快速連接。 當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時(>106W/cm2)，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高至沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個附加應(yīng)力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個小凸坑。隨著加熱過程的進行，激光可以直接射入坑底，形成一個細長的“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。光斑功率密度很大時，所產(chǎn)生的小孔將不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著光束相對于工件而沿著焊接方向前進。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方，重新凝固形成焊縫（見圖1）。（1）激光器 用于激光焊接的激光器主要有CO2氣體激光器和YAG固體激光器兩種。激光器最重要的性能是輸出功率和光束質(zhì)量。從這兩方向考慮，CO2激光器比YAG激光器具有更大優(yōu)勢，是目前深熔焊接主要采用的激光器。一汽大眾在汽車制造過程中應(yīng)用的大多數(shù)光源功率在4000W左右。 （2）光導(dǎo)和聚焦系統(tǒng) 光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)由圓偏振鏡、擴束鏡、反射鏡或光纖及聚焦鏡等組成，實現(xiàn)改變光束偏振狀態(tài)、方向、傳輸光束和聚焦的功能。這些光學(xué)零件的狀況對激光焊接質(zhì)量有極其重要的影響。在大功率激光作用下，光學(xué)部件，尤其是透鏡性能會劣化，使透過率下降，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，同時表面污染也會增加傳輸損耗。 （3）焊接機器人由于激光熔焊、激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)方法的不同以及焊接接頭形式的不同，所以對焊接接頭的裝配精度要求也不同。搭接焊縫的激光熔焊和角焊縫的激光釬焊可以采用普通的焊接機器人。對于對接焊縫的激光釬焊和激光焊必須采用區(qū)別于常規(guī)機器人的絞臂式焊接機器人，通常設(shè)計焊縫自動跟蹤矯正系統(tǒng)。 （4）焊接夾具可以保證激光焊接時所連接板材或總成的精確定位，保證焊縫間隙，防止焊接變形，從而提高激光焊接接頭的質(zhì)量。 （5）激光焊接控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要包括焊接過程的視頻監(jiān)視系統(tǒng)、機器人的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和矯正系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)等。對于不同的激光焊接方式，控制系統(tǒng)的組成也有所相同。激光熔焊無需送絲系統(tǒng)、焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和運行軌跡矯正系統(tǒng)。對于激光切割技術(shù)，往往還需要與激光在線檢測系統(tǒng)協(xié)同使用。圖2為激光-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)的設(shè)備組成，它需要匹配送絲系統(tǒng)。 4. 邁騰激光焊接技術(shù)的特點 邁騰的激光焊縫長達42m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強度和剛性。速騰的激光焊接主要是在車身的頂蓋和側(cè)圍的連接、底板不等厚板的拼接、車門內(nèi)板不等厚板的拼接、底板與側(cè)圍、后圍板、前后風(fēng)窗口以及門框等連接處。在外觀上，采用激光復(fù)合釬焊的車頂只有一條細致平滑的焊縫，直接作為外表面而增加了車身的流線視覺效果。而采用傳統(tǒng)點焊工藝的車頂則有兩條橡膠密封條。 （1）邁騰車身激光切割技術(shù)的特點 用激光將不同厚度、不同材質(zhì)、不同或相同性能的幾塊薄板拼焊起來，再沖壓成形。不但提高了板材利用率（由40%～60%提高到70%～80%），而且減輕了車身重量，提高了車身結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能。 激光拼焊是在車身設(shè)計制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計和性能要求，選擇不同規(guī)格的鋼板，通過激光裁剪和拼裝技術(shù)完成車身某一部位的制造，例如邁騰前擋風(fēng)玻璃框架、車門內(nèi)板、車身前底板等處均采用激光拼接技術(shù)（見圖3）。激光拼焊具有減少零件和模具數(shù)量、減少點焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等優(yōu)點。 圖3 邁騰車身激光拼接技術(shù)的應(yīng)用（2）速騰車身激光熔焊焊接方法的特點 就點焊本身而言，焊點的強度可以很高，但沒有焊點的部分還是斷續(xù)分離的，在車身整體強度方面要比焊接成一體的激光焊接接頭強度要低。點焊的不連續(xù)性和其自身的特點：如焊點容易變形，尤其是在焊接三層板連接、鍍鋅板連接和高強鋼的連接時，焊接變形較大，導(dǎo)致焊點處的平整度降低及產(chǎn)生縫隙，而且點焊會造成焊接點周圍的母材熱影響區(qū)強度下降，車輛遭嚴重撞擊時的斷裂部位往往是在該處。目前，我國只有大眾車系普遍采用了激光焊接這種先進的焊接制造工藝。 邁騰車身的四門兩蓋、后流水槽、后圍板及前后風(fēng)窗口等諸多部位均采用了激光熔焊技術(shù)。由于焊接速度較快，所以焊接接頭的熱影響區(qū)較其他的焊接方法小，幾乎沒有焊接變形。這樣可極大地提高了車身的結(jié)構(gòu)和匹配尺寸、門蓋與側(cè)圍的平度與密封效果、風(fēng)擋玻璃與風(fēng)窗口的匹配與密封，以及實現(xiàn)多層板的優(yōu)質(zhì)連接。另外，由于邁騰車身全部采用鍍鋅鋼板，如果采用傳統(tǒng)的點焊技術(shù)，由于三層板和鍍鋅的緣故，必須采用較大的焊接電流和焊接壓力，其結(jié)果必然導(dǎo)致焊點質(zhì)量下降和焊點變形嚴重，從而導(dǎo)致裝配質(zhì)量下降。 在邁騰側(cè)圍總成的制造過程中，由于優(yōu)質(zhì)高強鋼在側(cè)圍B－柱、側(cè)圍前內(nèi)板總成、側(cè)圍后內(nèi)板總成、門檻加強板和側(cè)圍頂部加強板的普遍應(yīng)用，給側(cè)圍逐級總成的焊接帶來了極大的困難。高強鋼的屈服強度約為普通鋼板的3～4倍，采用傳統(tǒng)的點焊已經(jīng)不能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接，惟一可行的是采用中頻點焊連接技術(shù)和激光熔焊連接技術(shù)。邁騰側(cè)圍連接幾乎全部選擇使用激光熔焊技術(shù)（見圖4、圖5）和少量的中頻焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)不僅具有較高的熱輸入，而且焊接速度較快，無焊接變形，可以獲得其他焊接方法無法達到的優(yōu)質(zhì)焊縫。由于提高了車身尺寸匹配精度和接頭強度，使邁騰車身的強度達到了較高的水平。 圖5 邁騰車身激光焊接技術(shù)的應(yīng)用（3）速騰車身激光復(fù)合焊接的特點 圖6描繪了激光-MIG復(fù)合焊的基本原理。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。激光復(fù)合焊技術(shù)并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時作用于焊接區(qū)。激光和電弧在不同程度和形式上影響復(fù)合焊接的性能。在激光-MIG復(fù)合焊接時，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時也發(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。 激光復(fù)合焊接技術(shù)是激光與其他熱源的相互作用，從而使焊接速度提高，焊接周期縮短，而且達到同樣焊接目的所需的激光功率大大降低，這些都能使焊接成本大大降低。因此，激光復(fù)合焊接技術(shù)無論從工藝角度，還是從經(jīng)濟角度來看都具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 激光復(fù)合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點。對于激光復(fù)合焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：無燒穿時焊縫背面下垂的現(xiàn)象，適用范圍更廣；對于激光＋MIG焊接，優(yōu)點主要體現(xiàn)在：較高的焊接速度、熔焊深度大、產(chǎn)生的焊接熱少、焊縫的強度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使整個系統(tǒng)的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性好、設(shè)備可用性好、焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，以及焊接生產(chǎn)工時短、費用低、生產(chǎn)效率高。 圖6 激光-MIG復(fù)合焊接原理一汽大眾車身頂蓋與側(cè)圍的連接都采用激光-MIG復(fù)合焊，常用接頭形式與邁騰頂蓋激光釬焊接頭形式如圖7所示。由于激光-MIG復(fù)合焊具有較好的電弧穩(wěn)定性和填充性能，焊后焊縫熔寬比符合設(shè)計要求、焊縫表面光滑、具有較高強度和塑性，一般表面無需PVC涂層，可直接作為裸露表面使用。由于焊縫為連續(xù)密封焊縫，因而對整車的車身剛性、密封性和防止內(nèi)部噪聲的產(chǎn)生等方面均具有積極的作用。 圖7 一汽大眾車身頂蓋與側(cè)圍激光焊接由于激光焊接系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于維修的要求相對較高，通常對于一個車型，所有的激光焊接設(shè)備需要組成一個局域網(wǎng)，做到數(shù)據(jù)內(nèi)部之間的通信。每一個焊接光源均需要一個Internet接口，直接與激光光源設(shè)備供應(yīng)商的計算機故障分析系統(tǒng)相連。當(dāng)激光焊接設(shè)備發(fā)生故障時，如果現(xiàn)場維修不能解決，可以由設(shè)備供應(yīng)商進行遠程故障診斷和維修，避免了不必要的長時間停產(chǎn)。為便于人員之間的信息交流，激光光源存放地備有國內(nèi)外電話（見圖8）。 圖8 速騰激光焊數(shù)據(jù)通信布局另外，由于激光焊接設(shè)備具有較高的價格，所以必須充分利用現(xiàn)有激光光源資源，以便降低備件儲備。一汽大眾邁騰車身激光焊接所使用的焊接光源一般都由數(shù)個偶數(shù)倍的光源輸出光路。數(shù)量的多少一方面取決于焊接工藝和焊接夾具的設(shè)計形式；另一方面取決于激光緊急維修預(yù)案。 5. 結(jié)語 一汽大眾作為國內(nèi)知名的汽車制造企業(yè)，一直以技術(shù)領(lǐng)先引導(dǎo)國內(nèi)汽車制造技術(shù)的發(fā)展方向，激光焊接及其復(fù)合焊接技術(shù)的開發(fā)與利用，是一汽大眾車身制造水平發(fā)生質(zhì)的飛躍的重要標(biāo)志。激光熔焊及其復(fù)合焊接技術(shù)作為目前最為先進的焊接方法之一，實現(xiàn)了較高焊接速度與良好焊接質(zhì)量的完美結(jié)合。具有寬廣的應(yīng)用范圍和高效的特性，同時縮短了生產(chǎn)時間，提高了生產(chǎn)率，使一汽大眾的產(chǎn)品更具較強的信任度和市場競爭力。