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浅议激光焊接技术在汽车制造中的应用
作者：程刚
来源：《科学与信息化》2018年第28期
摘 要 利用激光焊接可以在短时间内在被焊件的焊缝中形成连续的而且完全熔透的焊缝，这使得焊缝深宽比、焊接速度相比常规电弧焊技术有了显著的提高，因而激光焊接工艺被广泛应用到机械制造、汽车工业等诸多行业中。本文阐述了激光焊接的原理及特点，介绍了激光焊接技术在汽车制造业中的应用。
关键词 激光焊接；汽车制造；焊接原理；应用
激光焊接技术凭借高能量、高精度、高适应性等特点在汽车工业中被广泛采用，激光焊接技术正在逐渐取代传统的焊接方式，开始新的焊接时代。激光焊接是汽车工业中主要的连接方式之一，欧美工业发达国家50%～70%的汽车零部件都是用激光加工完成的。汽车激光焊接技术既是汽车新产品开发的技术保证，又是高质量、低成本生产不可或缺的技术手段。目前，激光焊接广泛应用于底盘、车顶、侧围、车门及车身总成等部分和车身大型覆盖件的焊装中，成为车身装配时的主要工艺手段。 1 激光焊接的原理
激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于10～10W/cm为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于10～10W/cm时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。用于齿轮焊接和冶金薄板焊接用的激光焊接机主要涉及激光深熔焊接。激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达2500℃左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成[1]。 2 激光焊接的特点
（1）热影响区小、形变小，因此特别适用于薄壁材料和精密零件的焊接；
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（2）焦点光斑小、功率密度高，能焊接高熔点、高强度的合金材料； （3）焊缝光滑无杂质、均匀致密，无须打磨； （4）不需要电极，没有电极污染或受损的困扰；
（5）属于非接触式焊接，器具的损耗小，后续维护成本较低；
基于以上种种优点，激光焊接被广泛应用于汽车工业、精密机械和机械零件、电子制造等行业等。激光焊接系统几乎可以达到完美加工的要求，在效率、经济、安全、强度、抗腐蚀性能方面良好。汽车的车身价值约占汽车总价值的1/5，采用激光焊接工艺使车身的抗冲击性和抗疲劳性都可以得到显著改善，提高汽车的品质[2]。 3 激光焊接技术在汽车制造中的应用
汽车制造中，激光焊接技术主要用于车身拼焊板焊接、零部件焊接和总成及分总成组焊。 3.1 激光拼焊技术
激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板。通过激光截剪和拼接技术完成车身某一部位的制造。拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务的，尤其在车身生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势。激光拼焊技术在全球新型钢制车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。奔驰、宝马、通用等各大汽车生产厂相继在车身中采用了激光拼焊板技术。目前，激光拼焊板已广泛应用在汽车车身的各个部位上，如行李箱加强板、行李箱内板、前轮罩、侧围内板、门内板、前地板、前纵梁、保险杠、横梁、轮罩、中立柱等[3]。 3.2 车身的激光焊接
激光组焊技术是将已冲压或切割成形的各种车身构件，先两双件组焊，然后再多件组焊，从而形成白车身分总成，各自车身分总成再总装成白车身总成。激光组焊是车身制造流程中的重要技术环节，可应用于大批量、小批量和新的样车生产。白车身激光焊接虽然目前尚存在设备投资及维护成本高，使用条件苛刻等问题，但由于其具备焊接精度高、零件变形小，焊接结构强度与刚度提升显著等一系列突出的优点，仍然被世界各大汽车厂商采纳并推广。 车身的激光焊接主要分为总成焊接、侧围与顶盖的焊接、后续焊。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接工艺，20世纪90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竞相将激光焊接引入汽车制造。国内内自主汽车品牌的华晨、奇瑞、
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吉利汽车也相继在其新车型上应用激光焊接技术，激光焊接技术在这些企业起到了不可替代的作用，并作为先进制造技术被业内人士接受，但目前主要靠引进国外成套装备或生产线。 3.3 汽车零部件激光焊接
激光焊接在汽车制造中的应用始于变速器的齿轮焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齿轮几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了应用。国外在汽车零部件生产中激光焊接已得到了非常广泛的应用，包括排气管、消声器、变速箱齿轮、离合器齿轮、汽车空调皮带轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等[4]。 参考文献
[1] 陈彦宾.现代激光焊接技术[M].北京：科学出版社，2005：201.
[2] 王家淳.激光焊接技术的发展与展望[J].激光技术，2001，25（1）：48-54.
[3] 游德勇，高向东.激光焊接技术的研究现状与展望[J].焊接技术， 2008，37（4）：5-9. [4] 陈根余，梅丽芳，张明军，等.激光焊接、切割在汽车制造中的应用[J].激光与光电子学进展，2009，46（9）：17-23.