侯順華，錢春平，夏良俊，耿勇

(1.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；2.上海大眾汽車有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315000；3.上海大眾汽車有限公司儀征分公司，江蘇 儀征 211400)

汽車行業(yè)的飛速發(fā)展對制造技術(shù)提出了更多更高的要求，這使得汽車制造業(yè)中越來越多地采用新技術(shù)、新工藝來降低制造成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率，而激光焊接技術(shù)無疑是汽車制造業(yè)中廣泛采用的一種新技術(shù)。與傳統(tǒng)的點焊相比，激光焊接在精度、效率、可靠性、自動化、輕量化和成本等方面，都具有無可比擬的優(yōu)越性。

激光焊接系統(tǒng)主要由激光源、送絲機構(gòu)、機器人、激光鏡組等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成見圖1所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)構(gòu)成

1 激光焊接的優(yōu)勢

焊接加工工藝性能包括焊接質(zhì)量、焊接速度、熱輸入量、裝配要求、熔深、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍、可控性、自動化程度、成本等方面，而成本又包括初始成本、運行與維護成本。與其它焊接加工工藝相比，激光焊接技術(shù)在焊接質(zhì)量、焊接速度、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍等方面，都要優(yōu)于電阻點焊、電子束焊、電容放電焊接、鎢極氬弧焊、摩擦焊等。以下主要將激光焊與車間應(yīng)用最多的傳統(tǒng)點焊在經(jīng)濟性、工藝性兩個方面進行分析比較。

1.1 經(jīng)濟性優(yōu)勢

激光焊接較之傳統(tǒng)點焊，在經(jīng)濟性能上有很大的優(yōu)勢，不僅可以節(jié)省焊件材料，降低生產(chǎn)制造成本，而且在人工成本上也具有顯著的優(yōu)勢。

板材成本。傳統(tǒng)點焊需把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，因此需要預(yù)留足夠的焊接凸緣，而激光焊接只需焊接單面翻邊材料，可以大大減少預(yù)留的凸緣，減輕整個車身的重量。以上海大眾儀征工廠所用NIMARK點焊槍為例，焊接板件凸緣寬度最少需要16mm，而激光焊接只需要5mm，如果把白車身點焊改為激光焊，每輛車可節(jié)省鋼材40kg，儀征工廠年產(chǎn)38萬輛共可節(jié)約鋼材15200噸。

焊接設(shè)備成本。一臺大功率激光器配上數(shù)控加工系統(tǒng)可取代十臺電阻焊機械手，且效率是電阻點焊的十倍以上。因此，采用激光焊接技術(shù)，同等焊接工作量要求下，相較于傳統(tǒng)點焊所需的控制系統(tǒng)、機器人、工裝夾具等大幅減少，單臺激光焊接設(shè)備可節(jié)省現(xiàn)場設(shè)備投入800萬。

人工成本。原車頂與側(cè)圍采用傳動點焊之后需要設(shè)立人工工位，一般需兩名工人添加密封條。采用激光焊，由于其特殊的密封工藝及美觀效果，無需人工操作，經(jīng)統(tǒng)計，可節(jié)約人工工位費用200萬。

設(shè)計成本。激光焊接工藝簡化車身結(jié)構(gòu)件，大大提高汽車設(shè)計的靈活性，縮短產(chǎn)品設(shè)計投產(chǎn)周期。

1.2 工藝性優(yōu)勢

激光焊接最突出的特點就是功率密度高，熱輸入小且集中，焊接部位的熱變形和熱影響區(qū)很小，有利于提高焊接速度以及焊縫的力學(xué)性能。對車身車間而言，激光焊較之點焊的工藝優(yōu)勢主要集中在以下幾個方面。

（1）能量密度高。

（2）激光焊接速度快、熔深大。

（3）激光焊接熱輸入量小，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊縫晶粒細小致密。

（4）激光焊縫力學(xué)性能好，強度高。

（5）激光焊接可達性更好，點焊槍焊接過程中焊槍打開需要一定空間，同時為兼顧兩個焊接頭需要調(diào)整姿態(tài)，而激光單面焊接能夠適應(yīng)更復(fù)雜的車身結(jié)構(gòu)。

（6）激光焊接焊縫細窄，無需使用密封條與鑲嵌條，提高外觀的流線性，更加美觀大方。

2 激光焊接強度分析

2.1 焊接殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要因素之一，對焊接力學(xué)性能有著重要的意義。為了分析激光焊接與傳統(tǒng)點焊工藝的焊接強度，分別在ANSYS軟件中建立激光焊接、傳統(tǒng)點焊焊接仿真模型，如圖2所示。使用ANSYS軟件對激光焊接進行模擬，需定義熱源函數(shù)，并將該函數(shù)作為載荷加載在焊接模型上，所定義的熱源函數(shù)如下式所示：

圖2 焊接仿真模型

如圖3所示為激光焊接以及點焊焊接板件的殘余應(yīng)力分布圖。從仿真模擬圖中可以看出，激光焊接在最大殘余應(yīng)力和平均殘余應(yīng)力兩個指標上均小于點焊。此外，激光焊接區(qū)沒有殘余應(yīng)力集中的現(xiàn)象。而點焊有殘余應(yīng)力集中，主要集中在焊核外圍，這對于點焊性能有很大影響，受到剪切載荷時必然很容易破壞。

圖3 焊接殘余應(yīng)力仿真結(jié)果

2.2 一定載荷下焊接件應(yīng)力分析

如圖4所示，以平行于焊縫方向施加3000N拉力時，對于激光焊縫最大應(yīng)力約為305MPa,電阻點焊最大應(yīng)力約400MPa，電阻點焊最大應(yīng)力集中在板材貼合面位置。施加載荷條件下，激光焊接和點焊的應(yīng)力均高于無載荷條件。

圖4 焊接有限元仿真云圖

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能控制、圖像處理、傳感器、信息與通訊等先進技術(shù)與激光焊接技術(shù)的融合，使得激光焊接正向著智能化、遠程化、柔性化方向發(fā)展，而焊接質(zhì)量是首要前提。為保障焊接質(zhì)量，不僅需要嚴格規(guī)范作業(yè)，還需要在不斷積累自身實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，吸收借鑒先進經(jīng)驗，積極做好技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新。

[1]謝頌京,姚建華,劉必利．激光焊接技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J]．激光與光電子學(xué)進展,2005,42(9):43-47．

[2]楊春燕．激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]．西安航空學(xué)院學(xué)報,2008,26(5):18-20．

[3]伍強, 徐蘭英, 楊永強等．高強鋼激光焊接殘余應(yīng)力的研究[J]．中國激光,2015, 42(6):129-135．

[4]王曉虹,谷曉燕,孫大千．鋼/鋁異種金屬激光焊接頭界面特性的研究[J]．機械工程學(xué)報,2017, 53(4):26-33．