激光拼焊技术在汽车车身焊接中的应用*

李前进，李 海

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730070）

1 激光拼焊技术的基本概念

激光拼焊技术是指采用先进的激光技术及设备，将一定数量的不同材质、厚度、涂层的钢材、铝合金等材料通过自动拼合和焊接组成一块整体板材，通过冲压制造成为零部件，用以满足不同的零部件因作用不同而需具有不同材料性能、厚度及抗腐蚀性等要求。这一技术是基于激光焊接技术的成熟发展及应用而衍生出的现代加工工艺技术，其主要的特点是焊接速度较快和质量较高，且激光的精密性还保证了焊接效果的精准性，生产效率极高[1]。

2 激光拼焊技术在汽车车身焊接中的焊接方式

在激光拼焊技术产生并得到应用以前，传统的汽车车身制造大多采用一整块厚重的钢板直接冲压形成车身的零部件，这不仅会使得焊缝质量较低，并且容易导致汽车因自重过大而造成不必要的油耗。目前，激光拼焊技术在汽车车身焊接中主要应用于加工前后门内板、前后纵梁、侧围、底板、轮罩及背门内板等，其中以门内板居多；而根据零部件的构造及功能需求、材料性质即厚度等要素的区别，汽车车身焊接所采用的激光拼焊技术主要包含直线焊接、折线焊接、曲线焊接、多零件组合焊接等形式，利用激光设备采用拼焊方式将不同性质的材料焊接成拼焊板，进而冲压形成最终所需的零部件，这样的工艺使得现代汽车既轻便又节能。例如，最常见的车门内板，既要保证内板具有一定韧性，又要保证其前后的材料具备一定的抗撞击强度，传统的工艺难以实现简易加工，耗时耗力，而激光拼焊技术则能完美解决这一难题。

3 激光拼焊技术在汽车车身焊接中的优缺点

3.1 激光拼焊技术在汽车车身焊接中的优点

激光拼焊技术工艺的核心是充分发挥焊机的效力实现高效能产出，即实现不同批次板料焊接流程的连贯作业，从而最大限度地降低生产成本和能耗，实现降本增效。随着国内外近年来对激光拼焊技术在汽车车身焊接领域的广泛推广和应用，这一技术的优势也越来越被凸显出来[2]。

采用激光拼焊板技术方案与采用激光拼焊板和传统的内板+加强板结构的模具制造方案由于在冲压技术上的差异，采用激光拼焊板方案可节省冲压费用，从而降低成本，大约可节约6.5%的制造成本。两种方案的成本具体如表1、表2 所示。

表1 采用激光拼焊板技术方案总成本

首先，采用激光拼焊技术对成形前的零部件进行事先的焊接合成，能够极大程度提升车身焊接的速度、质量及装配精度，降低车身的制造成本、减少车身零件数，进而减轻车身重量，同时简化装配工序及制造工艺。其次，节约焊接设备即冲压装置的使用，及冲压过程合理利用了材料，可降低能耗和废品率，提高原材料的利用率。一方面，利用激光焊接技术取代原有的加强板功能，通过选取恰当的材料厚度及质量，优化了原有车身结构，提高了车身的抗碰撞能力、抗腐蚀性及冲压成型率，精简车身制造周期的同时提高了设计的灵活性；另一方面，该技术规避了密封胶的有害影响，提高了汽车制造的绿色环保性[3]。

表2 采用内板＋加强板结构方案总成本

综上所述，激光拼焊技术在汽车车身焊接中的应用实现了汽车制造业经济与社会效益的高度统一，具有极大的优势。

3.2 激光拼焊技术在汽车车身焊接中的缺点

1）激光拼焊技术对装配位置的精确度要求极高，需确保激光束在工件上不会发生位置的偏移，否则极可能造成焊缝烧穿、焊缝局部变窄或偏向一侧板材的缺陷问题。

2）激光的能量转换效率一般不高于10%，较其他方式过低。

3）激光设备及相关工艺系统价格昂贵且对生产技术要求极高，首次投入使用成本较高（通常1 条激光拼焊生产线的投入成本为400 万美元～500 万美元），需达到汽车规模化生产的量级才能实现该工艺的经济效益。

4）对焊件的最大可焊厚度有上限，生产操作中对于渗透厚度远超过19mm 的工件，不建议使用激光焊接。

5）激光拼焊技术效果还受板材的金属性能、冲压性能等多方面因素的影响，如高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等的焊接性会受到激光的影响，其生产工艺的特性要求产品设计、选材、冲压和焊接等相关专业领域的技术人员通力配合，才能在实现生产的基本要求的前提下控制成本，以达到最佳的经济效益[4]。

4 激光拼焊设备及激光拼焊技术生产工艺流程

4.1 激光拼焊设备

激光拼焊生产设备主要包含三大板块：第一，传送装置（如上料车、下料机器人、传送带等）；第二，激光焊接设备（定位装置及激光焊机设备）；第三，检测装置（检测机器人及无损检测装置）。

4.2 激光拼焊技术生产工艺流程

1）设计拼焊板。针对车身各个部分的不同功能和特征进行车身零部件拼焊板的设计，设计的目的是达到车身各部位材料强度的相对平衡，充分利用不同材质板材的物理化学特性确保焊接的质量，确保拼板焊缝的精准度，使其位于后续冲压工序产生最小限度拉力的位置，以实现节约耗材、降低废料率、提升板材使用效率的目标。

2）选择拼焊板材料。拼焊板材料的性质对其效果起到了至关重要的作用，通常选用硬度较低的冷轧低碳钢用于拼焊加工后，还需要深拉工序0.65mm ～2.5mm 厚度的板材。实际生产中，常选择高强度的薄钢板作为车身焊接的拼焊板材料，主要是因为这类材料具有极佳的金属塑性及焊接性能。另外，用于潮湿环境中的拼焊板材料，一般选择采用双面镀锌高强度钢板。

3）裁剪拼焊板。将选取的恰当材料板材放置在相应的剪裁设备装置上（如冲压机、冲剪机或激光等），裁剪成设计的尺寸及形状。为确保后续无缝拼焊工序的完美实施，该步骤务必保证精准裁剪。

4）激光拼焊。激光拼焊过程对工艺精度有极高的要求，必须确保激光束精准射入焊缝而不与其接触，且焊缝宽度应与拼焊板材料厚度一致，并具有较强的塑性。另外，为保证焊缝质量，避免硬化或其他缺陷，还需仔细核对相关参数，如拼焊速率、激光功率、对焦的位置等，而且应利用氩气、氦气等不易发生热反应的保护气体。

5）检验拼焊板。激光拼焊后极易产生的质量缺陷，因此需对拼焊板进行质量抽查，尤其是要通过物理力学性能测试重点检测焊缝的塑性及强度，以确保其支持后续深拉加工。例如，采用焦点X 光透视或利用电磁声学法的横向偏振平面波检测激光拼焊板的焊缝缺陷，采用机械试验或液压压延试检测其冲压拉深能力。同时，应评估不同厚度板材、焊缝高出板材、冲压及冲压时伴随的热处理之后的焊区强度变化等因素的影响程度。

6）拼焊板冲压制成汽车车身成品件。要在对拼焊板的厚度、各金属部件的机械性能、焊缝性能以及冲压时的焊区变化进行详细分析的基础上，对拉深模具进行优化设计，力求焊区与模具之间保持足够大的夹角，防止厚度较低的拼焊板在冲压拉深加工时出现断裂缺陷。

5 国内外激光拼焊技术在汽车车身焊接中应用的发展现状

目前，随着近年来我国逐步加强对该技术的投入和应用，激光拼焊技术的发展取得了质的飞跃，由过去主要依靠进口激光拼焊板逐步转为自产自销，激光拼焊技术已成为我国汽车制造业复兴的重要技术手段之一。我国大型的中高档汽车制造商，如上海大众、长安福特等已经纷纷开始积极将激光拼焊技术应用于实际生产，同时也在持续加强与国外具有丰富生产经验的技术强国开展合作，通过多种途径和方式提高我国的激光拼焊技术水平，不断拓展市场规模。但是，与发达国家相比，仍然存在较大的技术差距。

6 结束语

在科技和经济高速发展的今天，激光拼焊技术作为一项重要的新型加工工艺，已经在诸多制造领域得到了广泛的应用。基于目前我国所倡导的节能、环保、绿色科学的发展观，未来将有越来越多的技术投入汽车制造领域研究，以提高汽车加工工艺水平，同时为汽车产品设计、质量改善和降低成本提供新的思路和方法。激光拼焊技术作为未来车身焊接技术的重要发展方向，不仅是汽车制造厂商必不可少的核心技术竞争力，还是汽车行业着智能化、轻量化方向发展的必经之路。