李前進(jìn)，李 海

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 激光拼焊技術(shù)的基本概念

激光拼焊技術(shù)是指采用先進(jìn)的激光技術(shù)及設(shè)備，將一定數(shù)量的不同材質(zhì)、厚度、涂層的鋼材、鋁合金等材料通過自動拼合和焊接組成一塊整體板材，通過沖壓制造成為零部件，用以滿足不同的零部件因作用不同而需具有不同材料性能、厚度及抗腐蝕性等要求。這一技術(shù)是基于激光焊接技術(shù)的成熟發(fā)展及應(yīng)用而衍生出的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，其主要的特點(diǎn)是焊接速度較快和質(zhì)量較高，且激光的精密性還保證了焊接效果的精準(zhǔn)性，生產(chǎn)效率極高[1]。

2 激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中的焊接方式

在激光拼焊技術(shù)產(chǎn)生并得到應(yīng)用以前，傳統(tǒng)的汽車車身制造大多采用一整塊厚重的鋼板直接沖壓形成車身的零部件，這不僅會使得焊縫質(zhì)量較低，并且容易導(dǎo)致汽車因自重過大而造成不必要的油耗。目前，激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中主要應(yīng)用于加工前后門內(nèi)板、前后縱梁、側(cè)圍、底板、輪罩及背門內(nèi)板等，其中以門內(nèi)板居多；而根據(jù)零部件的構(gòu)造及功能需求、材料性質(zhì)即厚度等要素的區(qū)別，汽車車身焊接所采用的激光拼焊技術(shù)主要包含直線焊接、折線焊接、曲線焊接、多零件組合焊接等形式，利用激光設(shè)備采用拼焊方式將不同性質(zhì)的材料焊接成拼焊板，進(jìn)而沖壓形成最終所需的零部件，這樣的工藝使得現(xiàn)代汽車既輕便又節(jié)能。例如，最常見的車門內(nèi)板，既要保證內(nèi)板具有一定韌性，又要保證其前后的材料具備一定的抗撞擊強(qiáng)度，傳統(tǒng)的工藝難以實(shí)現(xiàn)簡易加工，耗時(shí)耗力，而激光拼焊技術(shù)則能完美解決這一難題。

3 激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中的優(yōu)點(diǎn)

激光拼焊技術(shù)工藝的核心是充分發(fā)揮焊機(jī)的效力實(shí)現(xiàn)高效能產(chǎn)出，即實(shí)現(xiàn)不同批次板料焊接流程的連貫作業(yè)，從而最大限度地降低生產(chǎn)成本和能耗，實(shí)現(xiàn)降本增效。隨著國內(nèi)外近年來對激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接領(lǐng)域的廣泛推廣和應(yīng)用，這一技術(shù)的優(yōu)勢也越來越被凸顯出來[2]。

采用激光拼焊板技術(shù)方案與采用激光拼焊板和傳統(tǒng)的內(nèi)板+加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)的模具制造方案由于在沖壓技術(shù)上的差異，采用激光拼焊板方案可節(jié)省沖壓費(fèi)用，從而降低成本，大約可節(jié)約6.5%的制造成本。兩種方案的成本具體如表1、表2 所示。

表1 采用激光拼焊板技術(shù)方案總成本

首先，采用激光拼焊技術(shù)對成形前的零部件進(jìn)行事先的焊接合成，能夠極大程度提升車身焊接的速度、質(zhì)量及裝配精度，降低車身的制造成本、減少車身零件數(shù)，進(jìn)而減輕車身重量，同時(shí)簡化裝配工序及制造工藝。其次，節(jié)約焊接設(shè)備即沖壓裝置的使用，及沖壓過程合理利用了材料，可降低能耗和廢品率，提高原材料的利用率。一方面，利用激光焊接技術(shù)取代原有的加強(qiáng)板功能，通過選取恰當(dāng)?shù)牟牧虾穸燃百|(zhì)量，優(yōu)化了原有車身結(jié)構(gòu)，提高了車身的抗碰撞能力、抗腐蝕性及沖壓成型率，精簡車身制造周期的同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的靈活性；另一方面，該技術(shù)規(guī)避了密封膠的有害影響，提高了汽車制造的綠色環(huán)保性[3]。

表2 采用內(nèi)板＋加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)方案總成本

綜上所述，激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了汽車制造業(yè)經(jīng)濟(jì)與社會效益的高度統(tǒng)一，具有極大的優(yōu)勢。

3.2 激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中的缺點(diǎn)

1）激光拼焊技術(shù)對裝配位置的精確度要求極高，需確保激光束在工件上不會發(fā)生位置的偏移，否則極可能造成焊縫燒穿、焊縫局部變窄或偏向一側(cè)板材的缺陷問題。

2）激光的能量轉(zhuǎn)換效率一般不高于10%，較其他方式過低。

3）激光設(shè)備及相關(guān)工藝系統(tǒng)價(jià)格昂貴且對生產(chǎn)技術(shù)要求極高，首次投入使用成本較高（通常1 條激光拼焊生產(chǎn)線的投入成本為400 萬美元～500 萬美元），需達(dá)到汽車規(guī)?；a(chǎn)的量級才能實(shí)現(xiàn)該工藝的經(jīng)濟(jì)效益。

4）對焊件的最大可焊厚度有上限，生產(chǎn)操作中對于滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm 的工件，不建議使用激光焊接。

5）激光拼焊技術(shù)效果還受板材的金屬性能、沖壓性能等多方面因素的影響，如高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等的焊接性會受到激光的影響，其生產(chǎn)工藝的特性要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)、選材、沖壓和焊接等相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員通力配合，才能在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的基本要求的前提下控制成本，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

4 激光拼焊設(shè)備及激光拼焊技術(shù)生產(chǎn)工藝流程

4.1 激光拼焊設(shè)備

激光拼焊生產(chǎn)設(shè)備主要包含三大板塊：第一，傳送裝置（如上料車、下料機(jī)器人、傳送帶等）；第二，激光焊接設(shè)備（定位裝置及激光焊機(jī)設(shè)備）；第三，檢測裝置（檢測機(jī)器人及無損檢測裝置）。

4.2 激光拼焊技術(shù)生產(chǎn)工藝流程

1）設(shè)計(jì)拼焊板。針對車身各個(gè)部分的不同功能和特征進(jìn)行車身零部件拼焊板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的目的是達(dá)到車身各部位材料強(qiáng)度的相對平衡，充分利用不同材質(zhì)板材的物理化學(xué)特性確保焊接的質(zhì)量，確保拼板焊縫的精準(zhǔn)度，使其位于后續(xù)沖壓工序產(chǎn)生最小限度拉力的位置，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約耗材、降低廢料率、提升板材使用效率的目標(biāo)。

2）選擇拼焊板材料。拼焊板材料的性質(zhì)對其效果起到了至關(guān)重要的作用，通常選用硬度較低的冷軋低碳鋼用于拼焊加工后，還需要深拉工序0.65mm ～2.5mm 厚度的板材。實(shí)際生產(chǎn)中，常選擇高強(qiáng)度的薄鋼板作為車身焊接的拼焊板材料，主要是因?yàn)檫@類材料具有極佳的金屬塑性及焊接性能。另外，用于潮濕環(huán)境中的拼焊板材料，一般選擇采用雙面鍍鋅高強(qiáng)度鋼板。

3）裁剪拼焊板。將選取的恰當(dāng)材料板材放置在相應(yīng)的剪裁設(shè)備裝置上（如沖壓機(jī)、沖剪機(jī)或激光等），裁剪成設(shè)計(jì)的尺寸及形狀。為確保后續(xù)無縫拼焊工序的完美實(shí)施，該步驟務(wù)必保證精準(zhǔn)裁剪。

4）激光拼焊。激光拼焊過程對工藝精度有極高的要求，必須確保激光束精準(zhǔn)射入焊縫而不與其接觸，且焊縫寬度應(yīng)與拼焊板材料厚度一致，并具有較強(qiáng)的塑性。另外，為保證焊縫質(zhì)量，避免硬化或其他缺陷，還需仔細(xì)核對相關(guān)參數(shù)，如拼焊速率、激光功率、對焦的位置等，而且應(yīng)利用氬氣、氦氣等不易發(fā)生熱反應(yīng)的保護(hù)氣體。

5）檢驗(yàn)拼焊板。激光拼焊后極易產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，因此需對拼焊板進(jìn)行質(zhì)量抽查，尤其是要通過物理力學(xué)性能測試重點(diǎn)檢測焊縫的塑性及強(qiáng)度，以確保其支持后續(xù)深拉加工。例如，采用焦點(diǎn)X 光透視或利用電磁聲學(xué)法的橫向偏振平面波檢測激光拼焊板的焊縫缺陷，采用機(jī)械試驗(yàn)或液壓壓延試檢測其沖壓拉深能力。同時(shí)，應(yīng)評估不同厚度板材、焊縫高出板材、沖壓及沖壓時(shí)伴隨的熱處理之后的焊區(qū)強(qiáng)度變化等因素的影響程度。

6）拼焊板沖壓制成汽車車身成品件。要在對拼焊板的厚度、各金屬部件的機(jī)械性能、焊縫性能以及沖壓時(shí)的焊區(qū)變化進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，對拉深模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求焊區(qū)與模具之間保持足夠大的夾角，防止厚度較低的拼焊板在沖壓拉深加工時(shí)出現(xiàn)斷裂缺陷。

5 國內(nèi)外激光拼焊技術(shù)在汽車車身焊接中應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，隨著近年來我國逐步加強(qiáng)對該技術(shù)的投入和應(yīng)用，激光拼焊技術(shù)的發(fā)展取得了質(zhì)的飛躍，由過去主要依靠進(jìn)口激光拼焊板逐步轉(zhuǎn)為自產(chǎn)自銷，激光拼焊技術(shù)已成為我國汽車制造業(yè)復(fù)興的重要技術(shù)手段之一。我國大型的中高檔汽車制造商，如上海大眾、長安福特等已經(jīng)紛紛開始積極將激光拼焊技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，同時(shí)也在持續(xù)加強(qiáng)與國外具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)強(qiáng)國開展合作，通過多種途徑和方式提高我國的激光拼焊技術(shù)水平，不斷拓展市場規(guī)模。但是，與發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在較大的技術(shù)差距。

6 結(jié)束語

在科技和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，激光拼焊技術(shù)作為一項(xiàng)重要的新型加工工藝，已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。基于目前我國所倡導(dǎo)的節(jié)能、環(huán)保、綠色科學(xué)的發(fā)展觀，未來將有越來越多的技術(shù)投入汽車制造領(lǐng)域研究，以提高汽車加工工藝水平，同時(shí)為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量改善和降低成本提供新的思路和方法。激光拼焊技術(shù)作為未來車身焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向，不僅是汽車制造廠商必不可少的核心技術(shù)競爭力，還是汽車行業(yè)著智能化、輕量化方向發(fā)展的必經(jīng)之路。