引言

汽車車身作為汽車其他零部件的載體，其制造技術(shù)直接決定了汽車整體的制造質(zhì)量。在汽車車身制造過(guò)程中，焊接是重要的生產(chǎn)工序。目前用于汽車車身焊接的焊接技術(shù)主要包括電阻點(diǎn)焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG焊）和熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊（MAG焊）以及激光焊接。

壹晨激光手持焊機(jī)

激光焊接技術(shù)作為光機(jī)電一體化的先進(jìn)焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)的汽車車身焊接技術(shù)相比，具有能量密度高、焊接速度快、焊接應(yīng)力和變形小、柔性好等優(yōu)勢(shì)。

汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車身部件以薄壁、曲面構(gòu)件為主。汽車車身焊接面臨車身材料變化、車身部件厚度不一、焊接軌跡和接頭形式多樣化等焊接難點(diǎn)。此外，汽車車身焊接對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率有很高的要求。

基于合適的焊接工藝參數(shù)，激光焊接能保證汽車車身關(guān)鍵部件焊接時(shí)的高疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性，從而保證車身焊接質(zhì)量和使用壽命。激光焊接技術(shù)能適應(yīng)不同接頭形式、不同厚度以及不同材料類型的汽車車身部件焊接，滿足汽車車身制造的柔性化需求。因此，激光焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)手段。

壹晨機(jī)器人激光焊 展圖

汽車車身激光焊接工藝

汽車車身激光深熔焊工藝

激光深熔焊工藝原理（圖1）如下：當(dāng)激光功率密度達(dá)到一定水平時(shí)，材料表面發(fā)生氣化，從而形成匙孔。當(dāng)孔內(nèi)金屬蒸氣壓力與四周液體的靜壓力和表面張力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，激光可通過(guò)匙孔照射到孔底，隨著激光束的運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)的焊縫。在激光深熔焊焊接過(guò)程中，不需要添加輔助焊劑或填料，即可將工件自身材料焊接為一體。

圖1 激光深熔焊工藝 示意圖

激光深熔焊得到的焊縫一般光滑平直，變形量小，有利于提升汽車車身的制造精度。焊縫的抗拉強(qiáng)度較高，保證了汽車車身焊接質(zhì)量。焊接速度快，有利于提高焊接生產(chǎn)效率。

在汽車車身焊接過(guò)程中，使用激光深熔焊工藝可以大幅減少零件、模具及焊接工裝數(shù)量，從而降低車身自重和生產(chǎn)成本。然而，激光深熔焊工藝對(duì)待焊部件的裝配間隙容忍度較差，需要將裝配間隙控制在0.05~2 mm之間，若裝配間隙過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷。

當(dāng)前研究表明，在汽車車身同種材料焊接中，通過(guò)優(yōu)化激光深熔焊的工藝參數(shù)，可以獲得表面成形良好、內(nèi)部缺陷較少、力學(xué)性能優(yōu)良的焊縫。焊縫優(yōu)良的力學(xué)性能可以滿足汽車車身焊接構(gòu)件的使用需求。然而，在汽車車身焊接中，以鋁合金-鋼為代表的異種金屬激光深熔焊工藝還不成熟，雖然通過(guò)添加過(guò)渡層可獲得性能優(yōu)異的焊縫，但是不同過(guò)渡層材料對(duì)IMC層的影響機(jī)制及其對(duì)焊縫微觀組織的作用機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步深入研究。

汽車車身激光填絲焊工藝

激光填絲焊接工藝原理如下：通過(guò)在焊縫中預(yù)先填入特定焊絲或在激光焊接過(guò)程中同步送入焊絲來(lái)形成焊接接頭。相當(dāng)于在激光深熔焊時(shí)向焊縫熔池中輸入近似同質(zhì)的焊絲材料。激光填絲焊工藝的示意圖如圖2所示。

圖2 激光填絲焊工藝 示意圖

相比激光深熔焊，激光填絲焊在汽車車身焊接方面有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是可大幅提升待焊汽車車身部件之間裝配間隙的容忍度，解決激光深熔焊對(duì)坡口間隙要求過(guò)高的問(wèn)題；二是可以通過(guò)使用不同成分含量的焊絲來(lái)改善焊縫區(qū)域的組織分布，進(jìn)而調(diào)控焊縫性能。

在汽車車身制造過(guò)程中，激光填絲焊工藝主要用于焊接車身鋁合金和鋼材部件。特別是在汽車車身鋁合金部件的焊接過(guò)程中，熔池表面張力較小，易導(dǎo)致熔池下塌，而激光填絲焊工藝在激光焊接過(guò)程中通過(guò)焊絲的熔化可較好地解決熔池塌陷問(wèn)題。

汽車車身激光釬焊工藝

激光釬焊工藝原理如下：利用激光作為熱源，激光束經(jīng)過(guò)聚焦后照射到焊絲表面，焊絲熔化，熔化的焊絲滴落并填充到待焊工件之間，釬料與工件之間發(fā)生熔解和擴(kuò)散等冶金效應(yīng)，從而使工件實(shí)現(xiàn)連接。與激光填絲焊接工藝不同，激光釬焊工藝只熔化焊絲而不熔化待焊工件。激光釬焊具有良好的焊接穩(wěn)定性，但得到的焊縫抗拉強(qiáng)度較低。圖3為激光釬焊工藝在汽車行李箱蓋焊接中的應(yīng)用。

圖3 激光釬焊在汽車中的應(yīng)用

在汽車車身焊接過(guò)程中，激光釬焊工藝主要是焊接對(duì)接頭強(qiáng)度要求不高的車身部位，如車身的頂蓋和側(cè)圍之間的焊接、行李箱蓋上下部之間的焊接等，大眾、奧迪等中高端車型的頂蓋均采用激光釬焊工藝。

汽車車身激光釬焊焊縫中存在的主要缺陷包括咬邊、氣孔、焊縫變形等，調(diào)控工藝參數(shù)和使用多焦點(diǎn)激光釬焊工藝均能明顯抑制缺陷產(chǎn)生。

汽車車身激光-電弧復(fù)合焊工藝

激光-電弧復(fù)合焊接工藝原理如下：采用激光和電弧兩種熱源同時(shí)作用待焊工件表面，工件經(jīng)過(guò)熔化、凝固后形成焊縫。圖4為激光-電弧復(fù)合焊工藝示意圖。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊工藝 示意圖

激光-電弧復(fù)合焊接兼具了激光焊接和電弧焊的優(yōu)點(diǎn)：一是在雙熱源的作用下，焊接速度得以提高，熱輸入量變小，焊縫變形量小，保持了激光焊接的特點(diǎn)；二是具有更好的橋接能力，裝配間隙容忍度更大；三是熔池的凝固速度變慢，有利于消除氣孔、裂紋等焊接缺陷，改善熱影響區(qū)組織和性能；四是由于電弧的作用，其能夠焊接高反射率、高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，應(yīng)用材料的范圍更廣。

在汽車車身制造過(guò)程中，激光-電弧復(fù)合焊接工藝主要是焊接車身鋁合金構(gòu)件和鋁合金-鋼異種金屬，針對(duì)裝配間隙較大的部件進(jìn)行焊接，如汽車車門部分位置的焊接，這是因?yàn)檠b配間隙有利于激光-電弧復(fù)合焊接橋接性能的發(fā)揮。此外，激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)還被應(yīng)用在奧迪車身的側(cè)頂梁位置。

在汽車車身焊接過(guò)程中，激光-電弧復(fù)合焊接相比單激光焊接具有間隙容忍度大的優(yōu)勢(shì)，然而激光電弧復(fù)合焊接需綜合考慮激光與電弧的相對(duì)位置、激光焊接參數(shù)、電弧參數(shù)等因素。激光-電弧焊接過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)行為復(fù)雜，尤其是異種材料焊接的能量調(diào)控及IMC厚度和組織調(diào)控的機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

其他汽車車身激光焊接工藝

激光深熔焊、激光填絲焊、激光釬焊以及激光-電弧復(fù)合焊等焊接工藝已經(jīng)有了較為成熟的理論和廣泛的實(shí)際應(yīng)用。隨著汽車制造業(yè)對(duì)車身焊接效率要求的提升以及汽車輕量化制造中異種材料焊接需求的增加，激光點(diǎn)焊、激光擺動(dòng)焊、多激光束焊以及激光飛行焊等工藝得到了關(guān)注。

激光點(diǎn)焊工藝

激光點(diǎn)焊是一種先進(jìn)的激光焊接技術(shù)，具有焊接速度快、焊接精度高等突出優(yōu)勢(shì)。激光點(diǎn)焊的基本原理是將激光束聚焦到待焊零件上的某一點(diǎn)，使該點(diǎn)處的金屬瞬間熔化，通過(guò)調(diào)節(jié)激光密度實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)焊或深熔焊效果，當(dāng)激光束停止作用時(shí)，液態(tài)金屬回流、凝固后形成接頭。

激光點(diǎn)焊主要有兩種形式：脈沖激光點(diǎn)焊和連續(xù)激光點(diǎn)焊。脈沖激光點(diǎn)焊中的激光束峰值能量高，但作用時(shí)間短，一般用于鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)金屬的焊接。連續(xù)激光點(diǎn)焊中的激光束平均功率高，激光作用時(shí)間長(zhǎng)，多用于鋼的焊接。

在汽車車身焊接方面，相比電阻點(diǎn)焊，激光點(diǎn)焊具有非接觸、點(diǎn)焊軌跡可自主設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足汽車車身材料不同搭接間隙下的高質(zhì)量焊接需求。

激光擺動(dòng)焊接工藝

激光擺動(dòng)焊接是近年來(lái)被提出的一種新型激光焊接技術(shù)，受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是：通過(guò)在激光焊接頭上集成振鏡組，實(shí)現(xiàn)激光束快速、有序、小范圍的擺動(dòng)，從而達(dá)到激光焊接時(shí)光束邊向前運(yùn)動(dòng)邊攪拌的效果。

激光擺動(dòng)焊接過(guò)程中的主要擺動(dòng)軌跡包括：橫向擺動(dòng)、縱向擺動(dòng)、圓形擺動(dòng)和無(wú)窮形擺動(dòng)等。激光擺動(dòng)焊接工藝在汽車車身焊接中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在激光光束擺動(dòng)的作用下，熔池的流動(dòng)狀態(tài)得到顯著改變，因此該工藝既能在同種汽車車身材料焊接中消除未熔合缺陷、實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化并抑制氣孔，又可改善汽車車身異種材料焊接時(shí)不同材料未充分混合、焊縫力學(xué)性能差等問(wèn)題。

多激光束焊接工藝

目前，光纖激光器可利用安裝在焊接頭中的分光模塊將單束激光分為多束激光。多激光束焊接相當(dāng)于在焊接過(guò)程中施加多個(gè)熱源，通過(guò)調(diào)節(jié)光束的能量分布，不同光束可實(shí)現(xiàn)不同的功能，如：能量密度較高的光束為主光束，負(fù)責(zé)深熔焊接；能量密度較低的分光束可以對(duì)材料表面進(jìn)行清潔和預(yù)熱，增加材料對(duì)激光束能量的吸收。

汽車車身大量使用鍍鋅高強(qiáng)鋼材料，多激光束焊接工藝能改善鍍鋅鋼板焊接過(guò)程中鋅蒸氣的蒸發(fā)行為和熔池的動(dòng)態(tài)行為，改善飛濺問(wèn)題，提升焊縫的抗拉強(qiáng)度。

激光飛行焊工藝

激光飛行焊技術(shù)是一種新型的激光焊接技術(shù)，焊接效率高，焊接軌跡可自主化設(shè)計(jì)。激光飛行焊接的基本原理是：當(dāng)激光束入射到掃描鏡的X、Y兩個(gè)反射鏡上時(shí)，通過(guò)自主編程控制反射鏡的角度，實(shí)現(xiàn)激光束任意角度的偏轉(zhuǎn)。

傳統(tǒng)的汽車車身激光焊接主要依靠焊接機(jī)器人帶動(dòng)激光焊接頭進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)焊接效果。然而，汽車車身焊縫數(shù)量多、焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，焊接機(jī)器人重復(fù)性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重限制了汽車車身的焊接效率。相比之下，激光飛行焊只需調(diào)整反射鏡角度即可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)焊接。因此，激光飛行焊技術(shù)能夠顯著提升焊接效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

總結(jié)與展望

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來(lái)車身焊接技術(shù)將在焊接工藝與智能化技術(shù)兩方面繼續(xù)發(fā)展。

汽車車身尤其是新能源汽車車身，正在向輕量化方向發(fā)展。輕質(zhì)合金、復(fù)合材料及異種材料將被更廣泛地用于汽車車身，常規(guī)激光焊接工藝難以滿足其焊接要求，因此高質(zhì)高效焊接工藝將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

近年來(lái)，新興的激光焊接工藝，如激光擺動(dòng)焊接、多激光束焊接、激光飛行焊接等，已經(jīng)在焊接質(zhì)量和焊接效率方面得到了初步的理論研究和工藝探索。未來(lái)需要將新興激光焊接工藝與汽車車身輕量化材料、異種材料焊接等場(chǎng)景緊密結(jié)合，對(duì)激光光束擺動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)、多激光束能量作用機(jī)理以及飛行焊接效率提高等方面進(jìn)行深入研究，探索出成熟的輕量化汽車車身焊接工藝。

汽車車身激光焊接技術(shù)正在與智能化技術(shù)深度融合，汽車車身激光焊接狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知及工藝參數(shù)的反饋控制對(duì)焊接質(zhì)量有決定性作用。當(dāng)前激光焊接智能化技術(shù)多用于焊前軌跡規(guī)劃和跟蹤及焊后質(zhì)量檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外在焊接缺陷檢測(cè)與參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控方面的研究尚處于起步階段，且激光焊接工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)未能應(yīng)用在汽車車身制造中。

因此，針對(duì)激光焊接技術(shù)在汽車車身焊接過(guò)程中的應(yīng)用特點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)開(kāi)發(fā)以先進(jìn)多傳感器為核心的激光焊接智能感知系統(tǒng)以及高速高精的焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，保證激光焊接智能化技術(shù)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性和精確性，打通“焊前軌跡規(guī)劃-焊中參數(shù)自適應(yīng)控制焊后質(zhì)量在線檢測(cè)”環(huán)節(jié)，保障高質(zhì)高效加工。

審核編輯 黃宇