白车身激光焊接工艺浅析

2018-03-16侯顺华钱春平夏良俊耿勇

中国设备工程 2018年5期

侯顺华，钱春平，夏良俊，耿勇

(1.上海大众汽车有限公司，上海 201805；2.上海大众汽车有限公司宁波分公司，浙江宁波 315000；3.上海大众汽车有限公司仪征分公司，江苏仪征 211400)

汽车行业的飞速发展对制造技术提出了更多更高的要求，这使得汽车制造业中越来越多地采用新技术、新工艺来降低制造成本、提高生产质量与效率，而激光焊接技术无疑是汽车制造业中广泛采用的一种新技术。与传统的点焊相比，激光焊接在精度、效率、可靠性、自动化、轻量化和成本等方面，都具有无可比拟的优越性。

激光焊接系统主要由激光源、送丝机构、机器人、激光镜组等组成，其系统构成见图1所示。

图1 激光焊接系统构成

1 激光焊接的优势

焊接加工工艺性能包括焊接质量、焊接速度、热输入量、装配要求、熔深、焊接材料范围、焊件几何尺寸范围、可控性、自动化程度、成本等方面，而成本又包括初始成本、运行与维护成本。与其它焊接加工工艺相比，激光焊接技术在焊接质量、焊接速度、焊接材料范围、焊件几何尺寸范围等方面，都要优于电阻点焊、电子束焊、电容放电焊接、钨极氩弧焊、摩擦焊等。以下主要将激光焊与车间应用最多的传统点焊在经济性、工艺性两个方面进行分析比较。

1.1 经济性优势

激光焊接较之传统点焊，在经济性能上有很大的优势，不仅可以节省焊件材料，降低生产制造成本，而且在人工成本上也具有显著的优势。

板材成本。传统点焊需把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，因此需要预留足够的焊接凸缘，而激光焊接只需焊接单面翻边材料，可以大大减少预留的凸缘，减轻整个车身的重量。以上海大众仪征工厂所用NIMARK点焊枪为例，焊接板件凸缘宽度最少需要16mm，而激光焊接只需要5mm，如果把白车身点焊改为激光焊，每辆车可节省钢材40kg，仪征工厂年产38万辆共可节约钢材15200吨。

焊接设备成本。一台大功率激光器配上数控加工系统可取代十台电阻焊机械手，且效率是电阻点焊的十倍以上。因此，采用激光焊接技术，同等焊接工作量要求下，相较于传统点焊所需的控制系统、机器人、工装夹具等大幅减少，单台激光焊接设备可节省现场设备投入800万。

人工成本。原车顶与侧围采用传动点焊之后需要设立人工工位，一般需两名工人添加密封条。采用激光焊，由于其特殊的密封工艺及美观效果，无需人工操作，经统计，可节约人工工位费用200万。

设计成本。激光焊接工艺简化车身结构件，大大提高汽车设计的灵活性，缩短产品设计投产周期。

1.2 工艺性优势

激光焊接最突出的特点就是功率密度高，热输入小且集中，焊接部位的热变形和热影响区很小，有利于提高焊接速度以及焊缝的力学性能。对车身车间而言，激光焊较之点焊的工艺优势主要集中在以下几个方面。

（1）能量密度高。

（2）激光焊接速度快、熔深大。

（3）激光焊接热输入量小，热影响区小，焊接变形小，焊缝晶粒细小致密。

（4）激光焊缝力学性能好，强度高。

（5）激光焊接可达性更好，点焊枪焊接过程中焊枪打开需要一定空间，同时为兼顾两个焊接头需要调整姿态，而激光单面焊接能够适应更复杂的车身结构。

（6）激光焊接焊缝细窄，无需使用密封条与镶嵌条，提高外观的流线性，更加美观大方。

2 激光焊接强度分析

2.1 焊接残余应力分析

残余应力是影响焊接结构疲劳性能的重要因素之一，对焊接力学性能有着重要的意义。为了分析激光焊接与传统点焊工艺的焊接强度，分别在ANSYS软件中建立激光焊接、传统点焊焊接仿真模型，如图2所示。使用ANSYS软件对激光焊接进行模拟，需定义热源函数，并将该函数作为载荷加载在焊接模型上，所定义的热源函数如下式所示：