張敏，宋昊，高翔，呂巖

中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 吉林長春 130011

1 序言

激光焊接是一種高效精密的焊接方式，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，具有能量密度高、焊接變形小、焊接強(qiáng)度高、焊接效率高，以及可實(shí)現(xiàn)非接觸焊接等優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)中被廣泛應(yīng)用與推廣[1]。在量產(chǎn)車型中，激光焊接主要用于車身、底盤、精密傳動系統(tǒng)及電池等零部件生產(chǎn)。在汽車新產(chǎn)品試制、小批量生產(chǎn)、展車制造中，激光焊接還被廣泛應(yīng)用于汽車整車及零部件改制、定制。隨著汽車產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)及材料的多樣化發(fā)展，激光焊接技術(shù)也將在汽車產(chǎn)品的快速變革中發(fā)揮更大的作用。

2 激光焊接原理

廣義的激光焊接是以激光作為熱源的一種焊接方法，按其原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。熱傳導(dǎo)型焊接功率密度在104～105W/cm2，它是通過激光將熱量傳遞至被焊材料表面，表面熱量再向內(nèi)部擴(kuò)散，從而使被焊材料熔化，形成焊接熔池。熱傳導(dǎo)焊焊縫熔深淺，焊接速度慢。激光深熔焊功率密度在105～107W/cm2，它通過激光在金屬表面形成“小孔”，材料表面發(fā)生氣化，激光能量借助“小孔效應(yīng)”而被材料內(nèi)部吸收，從而形成焊縫，焊縫深寬比大，焊接速度快[2]。

3 激光焊接設(shè)備

主機(jī)廠使用的激光焊接設(shè)備一般需包括激光器、激光焊接加工頭、運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、排風(fēng)除塵系統(tǒng)、儲氣送氣系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)等幾部分[3]。

1）激光器是激光焊接設(shè)備的核心，是為設(shè)備提供焊接熱源的部件，目前市場上的激光器按照工作介質(zhì)一般分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和染料激光器。這些激光器因激光源不同，光束質(zhì)量、波長、功率密度也不同，每一種激光器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在選用激光器種類時(shí)，要結(jié)合實(shí)際焊接需求選用，同樣的零部件生產(chǎn)中，產(chǎn)量、節(jié)拍、成本也會對激光器的選擇產(chǎn)生影響。目前，各大主機(jī)廠的汽車試制及小批量生產(chǎn)中，CO2激光器（氣體激光器中的一種）和Nd:YAG激光器（固體激光器中的一種）使用較為廣泛。

2）激光焊接加工頭用來實(shí)現(xiàn)焦距、工作距離調(diào)整，從而獲得合適的光斑尺寸，達(dá)成預(yù)期焊接效果。按照實(shí)現(xiàn)焊接效果、使用工況不同，一般激光焊接加工頭又可細(xì)分為釬焊激光加工頭、自熔焊激光加工頭、飛行焊激光加工頭、電弧-激光復(fù)合焊激光加工頭等，如圖1所示。在汽車生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)中，每個(gè)焊接工位執(zhí)行固定種類的生產(chǎn)任務(wù)，一般采用專機(jī)模式，即一臺設(shè)備選用一個(gè)激光加工頭，執(zhí)行一種模式下的焊接任務(wù)。在汽車試制及小批量生產(chǎn)中，為滿足柔性化產(chǎn)品制造需求，一臺設(shè)備選用多個(gè)激光加工頭，通過切換激光加工頭，一臺設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)熔焊、釬焊、復(fù)合焊及飛行焊等多個(gè)模式的激光焊接。

圖1 激光加工頭

3）運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)是保證激光頭按照需求軌跡執(zhí)行命令的運(yùn)動執(zhí)行部件，是激光焊接設(shè)備中另一重要組成部分。常用的運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)有工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床。在汽車批量生產(chǎn)中，車身部件激光焊接激光頭需在三維空間內(nèi)執(zhí)行焊接命令，一般選擇工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。汽車傳動部件、齒輪、電池、精密零部件等焊接一般以平面執(zhí)行焊接任務(wù)為主，選用機(jī)床作為運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)更有助于生產(chǎn)效率提高及質(zhì)量穩(wěn)定。在主機(jī)廠的汽車試制及小批量生產(chǎn)中，為使設(shè)備同時(shí)滿足不同產(chǎn)品的使用需求，一般更多地選用機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)。

4 激光焊接技術(shù)在汽車試制及小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

激光焊接因其高效、精密、變形小的優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用，在不同的行業(yè)、不同的使用環(huán)境、不同的產(chǎn)量要求下，焊接設(shè)備、焊接工藝的選擇也不同。本文淺析激光焊接在主機(jī)廠的試制及小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用。

4.1 激光焊接在底盤及動力總成零部件試制及小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

底盤及動力總成零部件以結(jié)構(gòu)件為主，零件對強(qiáng)度、精度要求高，因此在焊接過程中，對焊縫的強(qiáng)度和焊接變形較為關(guān)注。

（1）齒輪激光焊接 激光焊接在齒輪焊接中的應(yīng)用較為成熟，目前已在國內(nèi)外車企批量生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[4]。齒輪激光焊接要求焊縫深度一般為3～5mm，齒輪精度要求高，焊接變形不允許超過1級，焊縫周邊飛濺盡可能少。因此，在齒輪激光焊接中，焊前要進(jìn)行零件清洗，減少油污雜質(zhì)對焊接飛濺及焊接缺欠的影響。在焊接過程中，要重點(diǎn)關(guān)注焊縫的熔深、焊接變形及收尾處縮孔的處理。焊縫熔深最直接的影響因素是焊接功率和焊接速度。焊接功率越大，焊縫熔深也越大；焊接速度越快，焊縫熔深就越小。焊接功率過小、焊接速度過慢，會造成焊縫熔深不足；焊接功率過大、焊接速度過快，會造成焊接變形增大。焊接設(shè)備使用的激光器類型也會對焊縫成形產(chǎn)生影響，選用CO2激光器焊接的齒輪，深寬比大，焊縫窄；選用Nd:YAG激光器焊接的齒輪，深寬比小，焊縫較前者更寬。在齒輪激光焊接中（見圖2），保護(hù)氣體的使用也是重要影響因素，一般以氦氣、氬氣、氮?dú)鉃橹?，氣體流量5～20L/min。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，要通過工藝試驗(yàn)，尋找到最佳的工藝匹配參數(shù)，從而保證零件的高質(zhì)量焊接。

圖2 齒輪總成激光焊接

（2）軸齒激光焊接 變速器的中間軸與齒輪有多種連接方法，例如，一體式軸齒、花鍵連接、過盈配合連接、焊接連接。這些連接方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。雖然一體式結(jié)構(gòu)緊湊，但由于受齒加工局限，齒輪布局受到限制；花鍵連接，齒輪布局靈活，軸齒結(jié)構(gòu)緊湊，但花鍵加工工序多，軸齒連接精度難保證；過盈配合連接，軸及齒輪加工簡單，但是為了保證傳遞的扭矩，要求齒輪輪轂有一定寬度和厚度，結(jié)構(gòu)尺寸大；焊接連接，齒輪布局靈活，軸齒結(jié)構(gòu)緊湊，軸齒加工工序少，但是需要保證焊接強(qiáng)度和軸齒精度。激光焊接因其焊接效率更高、焊接變形小、連接強(qiáng)度高，在軸齒焊接中被廣泛應(yīng)用。軸齒激光焊接（見圖3）在工藝實(shí)施過程中，與齒輪焊接施焊材料類似，因此焊接工藝較為接近。不同的是，軸齒焊接前，中間軸與齒輪一般需過盈配合，在過盈配合裝配過程中，一方面要關(guān)注兩種零部件的清潔度；另一方面要保證兩種零件配合間隙均勻，從而保證焊縫質(zhì)量。

圖3 中間軸與齒輪激光焊接

（3）柔性盤總成激光焊接 柔性盤總成位于發(fā)動機(jī)與雙離合器之間，有傳遞扭矩、阻隔發(fā)動機(jī)軸向振動的作用，是變速器中的重要總成之一。柔性盤總成是由兩層柔性盤薄板、6個(gè)焊接螺母、一個(gè)花鍵轂通過激光焊接方式連接而成，產(chǎn)品連接強(qiáng)度及精度要求高[5]。柔性盤總成激光焊接焊縫應(yīng)均勻、飽滿，并避免應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生（見圖4）。焊接夾具的設(shè)計(jì)和各被焊零件之間的配合間隙是影響柔性盤總成激光焊接的最重要因素。焊接夾具應(yīng)保證被焊零件之間的間隙穩(wěn)定、均勻，同時(shí)通過壓緊機(jī)構(gòu)，控制焊接過程中柔性盤薄板的變形。被焊零件的間隙需通過大量試驗(yàn)進(jìn)行研究，一般不填絲焊接情況下，配合間隙不能超過1.5mm。間隙過大時(shí)，容易燒穿、下塌、虛焊；間隙過小時(shí)，將無法裝配或者裝配困難。

圖4 柔性盤總成激光焊接

（4）其他底盤及動力總成零部件激光焊接 除以上零部件外，激光焊接還被用于撥叉總成、駐車軸總成、制動凸輪軸、各種傳感器總成及電動機(jī)電池零部件等焊接中。在新產(chǎn)品試制中，激光焊接因其良好的異種材料連接能力，在精密零部件加長、縮短改制中也發(fā)揮著重要作用。圖5所示為激光焊接的駐車軸總成，激光45°角入射形成角焊縫，焊縫美觀，零件變形小。

圖5 駐車軸總成激光焊接

4.2 激光焊接在車身試制及小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

激光焊接在車身試制中的應(yīng)用主要包括激光拼焊、頂蓋激光釬焊、后尾門激光釬焊、車門自熔焊等。

（1）激光拼焊 激光拼焊是以激光焊接為連接形式，將不同材質(zhì)、不同厚度的鋼板拼合焊接成一塊整體板材，通過這樣的方式可以實(shí)現(xiàn)將不同強(qiáng)度、不同厚度的鋼板放在最恰當(dāng)?shù)奈恢茫詫?shí)現(xiàn)最優(yōu)的性能組合。激光拼焊后沖壓與先沖壓后焊接相比，優(yōu)勢在于可以減少零件的數(shù)量，提升沖壓成形率，簡化制造工藝，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。近年來，在激光拼焊技術(shù)的基礎(chǔ)上，國外鋼材公司開發(fā)出一體式熱成形門環(huán)，即通過激光拼焊成整體料片后一體沖壓成汽車門環(huán)，如圖6所示。通過這樣的方式，可以用1個(gè)門環(huán)零件取代5～6個(gè)側(cè)圍內(nèi)板零件，在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)提升了車身整體剛度和強(qiáng)度，簡化了車身制造工藝。目前，國內(nèi)部分企業(yè)也在積極針對這一技術(shù)進(jìn)行探索與開發(fā)，但暫未見到大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

圖6 激光焊接一體式門環(huán)

（2）頂蓋和后尾門激光釬焊 激光釬焊是以激光作為熱源，采用熔點(diǎn)低于母材的釬料，將釬料和連接部位加熱到母材熔點(diǎn)之下、釬料熔點(diǎn)之上，釬料填滿零件間隙，然后冷凝形成焊縫的焊接過程[6]。釬料液相線溫度高于450℃為硬釬焊，釬料液相線溫度低于450℃為軟釬焊。軟釬焊一般用于電路板、電子元器件的連接，車身采用的激光釬焊為硬釬焊，目前，激光釬焊在頂蓋及后尾門上的應(yīng)用較為成熟，國內(nèi)外各大主機(jī)廠均有該位置使用激光焊接生產(chǎn)的應(yīng)用。圖7所示為激光焊接的某車型后尾門總成，焊接生產(chǎn)中，控制的關(guān)鍵要素是零件的匹配間隙、焊接功率、焊接速度及送絲速度，需在批量生產(chǎn)前結(jié)合使用設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 激光釬焊的后尾門總成

（3）車門激光焊接 車門激光焊接是指在車門內(nèi)板總成焊接中，采用激光焊接工藝代替點(diǎn)焊，從而實(shí)現(xiàn)零件翻邊減小、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸精度提升。車門激光焊接的應(yīng)用中，奔馳公司在車門窗框及門鎖加強(qiáng)板等區(qū)域均采用激光焊接工藝，焊縫形式有直線形、C形、O形。奧迪公司僅在車門窗框處使用激光焊接，其他與車門內(nèi)板連接零件依舊使用點(diǎn)焊工藝，二者各有優(yōu)劣。在鋁合金車門焊接中，激光焊接工藝同樣適用，并在焊接變形及強(qiáng)度方面有明顯優(yōu)勢。近年，國內(nèi)自主品牌也紛紛在車門焊接中選擇激光焊接，圖8所示為某品牌激光焊接的車門內(nèi)板總成。焊接工藝實(shí)施的要點(diǎn)是為鍍鋅板在焊接過程中揮發(fā)的鋅蒸氣提供溢出通道。

圖8 激光焊接的車門內(nèi)板總成

4.3 激光焊接在改制、定制、展車制造生產(chǎn)中的應(yīng)用

在汽車新產(chǎn)品試制、小批量生產(chǎn)、展車制造中，激光焊接還被應(yīng)用于汽車整車及零部件改制、定制。圖9所示為某項(xiàng)目頂蓋縮短改制示意，通過激光切割與激光焊接，實(shí)現(xiàn)頂蓋縮短600mm，節(jié)約一套頂蓋沖壓模具費(fèi)用，同時(shí)可以縮短試制車輛制造周期，加快新產(chǎn)品驗(yàn)證。頂蓋外板為鍍鋅板材料，激光對接焊接時(shí)，焊接夾具的設(shè)計(jì)、激光切割的精度、鍍鋅板焊接的工藝是保證項(xiàng)目能夠?qū)嵤┑淖铌P(guān)鍵三個(gè)要素。

圖9 某車型縮短改制示意

5 結(jié)束語

本文以激光焊接在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用為切入點(diǎn)，概述激光焊接原理，分析激光焊接設(shè)備及不同使用條件下的設(shè)備選型，重點(diǎn)介紹了激光焊接在底盤、動力總成零部件、車身及小批量改制中的應(yīng)用，并簡要介紹各項(xiàng)應(yīng)用實(shí)施過程中需要控制的工藝關(guān)鍵點(diǎn)。

新產(chǎn)品試制環(huán)節(jié)與量產(chǎn)環(huán)節(jié)在焊接工藝選擇及實(shí)施中，有相同點(diǎn)，也有產(chǎn)量、節(jié)拍、成本、周期要求差異而帶來的不同點(diǎn)，未來，激光焊接在新產(chǎn)品試制及小批量生產(chǎn)中還有更大的發(fā)展空間，有待探索與開發(fā)。