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(jìn)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(shí)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(dá)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(qiáng)鋼的激光焊接工藝，使車身受撞擊時(shí)的能量承載到超高強(qiáng)度熱成形鋼板上，使車身強(qiáng)度得到大幅度提高。 1. 概述 從20世紀(jì)80年代開始，激光焊接技術(shù)開始運(yùn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)焊已經(jīng)逐漸被激光焊接所代替。激光焊接運(yùn)用于汽車，可以降低車身重量并達(dá)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(diǎn)：高速焊接時(shí)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(jìn)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(jī)器人作為運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)，可實(shí)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(shí)(>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(shí)間內(nèi)升高至沸點(diǎn)，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(gè)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(gè)小凸坑。隨著加熱過程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細(xì)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(shí)，所產(chǎn)生的小孔將不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)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(jìn)。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(kuò)束鏡、反射鏡或光纖及聚焦鏡等組成，實(shí)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(shí)表面污染也會增加傳輸損耗。 （3）焊接機(jī)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(jī)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(jī)器人的絞臂式焊接機(jī)器人，通常設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)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(yùn)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(diǎn) 邁騰的激光焊縫長達(dá)42m，保證了其整體尺寸的精確性、車身強(qiáng)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(xì)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(diǎn)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(diǎn) 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(jì)制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)。 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(diǎn) 就點(diǎn)焊本身而言，焊點(diǎn)的強(qiáng)度可以很高，但沒有焊點(diǎn)的部分還是斷續(xù)分離的，在車身整體強(qiáng)度方面要比焊接成一體的激光焊接接頭強(qiáng)度要低。點(diǎn)焊的不連續(xù)性和其自身的特點(diǎn)：如焊點(diǎn)容易變形，尤其是在焊接三層板連接、鍍鋅板連接和高強(qiáng)鋼的連接時(shí)，焊接變形較大，導(dǎo)致焊點(diǎn)處的平整度降低及產(chǎn)生縫隙，而且點(diǎn)焊會造成焊接點(diǎn)周圍的母材熱影響區(qū)強(qiáng)度下降，車輛遭嚴(yán)重撞擊時(shí)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)質(zhì)量下降和焊點(diǎn)變形嚴(yán)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(qiáng)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(qiáng)板和側(cè)圍頂部加強(qiáng)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(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度約為普通鋼板的3～4倍，采用傳統(tǒng)的點(diǎn)焊已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接，惟一可行的是采用中頻點(diǎn)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(dá)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(qiáng)度，使邁騰車身的強(qiáng)度達(dá)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(diǎn) 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(shí)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(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時(shí)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(dá)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(jì)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(diǎn)。對于激光復(fù)合焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：無燒穿時(shí)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(diǎn)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(qiáng)度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使整個(gè)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(shí)短、費(fèi)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(jì)要求、焊縫表面光滑、具有較高強(qiáng)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(gè)車型，所有的激光焊接設(shè)備需要組成一個(gè)局域網(wǎng)，做到數(shù)據(jù)內(nèi)部之間的通信。每一個(gè)焊接光源均需要一個(gè)Internet接口，直接與激光光源設(shè)備供應(yīng)商的計(jì)算機(jī)故障分析系統(tǒng)相連。當(dāng)激光焊接設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，如果現(xiàn)場維修不能解決，可以由設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和維修，避免了不必要的長時(shí)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(jià)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(gè)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(jì)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(jìn)的焊接方法之一，實(shí)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(shí)縮短了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，使一汽大眾的產(chǎn)品更具較強(qiáng)的信任度和市場競爭力。