激光焊接技术在汽车试制及小批量生产中的应用

2021-11-25张敏宋昊高翔吕岩

金属加工(热加工) 2021年11期

张敏，宋昊，高翔，吕岩

中国第一汽车股份有限公司研发总院吉林长春 130011

1 序言

激光焊接是一种高效精密的焊接方式，与传统焊接工艺相比，具有能量密度高、焊接变形小、焊接强度高、焊接效率高，以及可实现非接触焊接等优点，在汽车行业中被广泛应用与推广[1]。在量产车型中，激光焊接主要用于车身、底盘、精密传动系统及电池等零部件生产。在汽车新产品试制、小批量生产、展车制造中，激光焊接还被广泛应用于汽车整车及零部件改制、定制。随着汽车产品功能、结构及材料的多样化发展，激光焊接技术也将在汽车产品的快速变革中发挥更大的作用。

2 激光焊接原理

广义的激光焊接是以激光作为热源的一种焊接方法，按其原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。热传导型焊接功率密度在104～105W/cm2，它是通过激光将热量传递至被焊材料表面，表面热量再向内部扩散，从而使被焊材料熔化，形成焊接熔池。热传导焊焊缝熔深浅，焊接速度慢。激光深熔焊功率密度在105～107W/cm2，它通过激光在金属表面形成“小孔”，材料表面发生气化，激光能量借助“小孔效应”而被材料内部吸收，从而形成焊缝，焊缝深宽比大，焊接速度快[2]。

3 激光焊接设备

主机厂使用的激光焊接设备一般需包括激光器、激光焊接加工头、运动执行系统、冷却系统、控制系统、排风除尘系统、储气送气系统及安全防护系统等几部分[3]。

1）激光器是激光焊接设备的核心，是为设备提供焊接热源的部件，目前市场上的激光器按照工作介质一般分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器。这些激光器因激光源不同，光束质量、波长、功率密度也不同，每一种激光器都有各自的优缺点，在选用激光器种类时，要结合实际焊接需求选用，同样的零部件生产中，产量、节拍、成本也会对激光器的选择产生影响。目前，各大主机厂的汽车试制及小批量生产中，CO2激光器（气体激光器中的一种）和Nd:YAG激光器（固体激光器中的一种）使用较为广泛。

2）激光焊接加工头用来实现焦距、工作距离调整，从而获得合适的光斑尺寸，达成预期焊接效果。按照实现焊接效果、使用工况不同，一般激光焊接加工头又可细分为钎焊激光加工头、自熔焊激光加工头、飞行焊激光加工头、电弧-激光复合焊激光加工头等，如图1所示。在汽车生产线大批量生产中，每个焊接工位执行固定种类的生产任务，一般采用专机模式，即一台设备选用一个激光加工头，执行一种模式下的焊接任务。在汽车试制及小批量生产中，为满足柔性化产品制造需求，一台设备选用多个激光加工头，通过切换激光加工头，一台设备可以实现熔焊、钎焊、复合焊及飞行焊等多个模式的激光焊接。

图1 激光加工头

3）运动执行系统是保证激光头按照需求轨迹执行命令的运动执行部件，是激光焊接设备中另一重要组成部分。常用的运动执行系统有工业机器人、机床。在汽车批量生产中，车身部件激光焊接激光头需在三维空间内执行焊接命令，一般选择工业机器人作为运动执行机构。汽车传动部件、齿轮、电池、精密零部件等焊接一般以平面执行焊接任务为主，选用机床作为运动执行机构更有助于生产效率提高及质量稳定。在主机厂的汽车试制及小批量生产中，为使设备同时满足不同产品的使用需求，一般更多地选用机器人运动执行系统。

4 激光焊接技术在汽车试制及小批量生产中的应用

激光焊接因其高效、精密、变形小的优点，在各行各业中被广泛应用，在不同的行业、不同的使用环境、不同的产量要求下，焊接设备、焊接工艺的选择也不同。本文浅析激光焊接在主机厂的试制及小批量生产中的应用。

4.1 激光焊接在底盘及动力总成零部件试制及小批量生产中的应用

底盘及动力总成零部件以结构件为主，零件对强度、精度要求高，因此在焊接过程中，对焊缝的强度和焊接变形较为关注。

（1）齿轮激光焊接激光焊接在齿轮焊接中的应用较为成熟，目前已在国内外车企批量生产中被广泛应用[4]。齿轮激光焊接要求焊缝深度一般为3～5mm，齿轮精度要求高，焊接变形不允许超过1级，焊缝周边飞溅尽可能少。因此，在齿轮激光焊接中，焊前要进行零件清洗，减少油污杂质对焊接飞溅及焊接缺欠的影响。在焊接过程中，要重点关注焊缝的熔深、焊接变形及收尾处缩孔的处理。焊缝熔深最直接的影响因素是焊接功率和焊接速度。焊接功率越大，焊缝熔深也越大；焊接速度越快，焊缝熔深就越小。焊接功率过小、焊接速度过慢，会造成焊缝熔深不足；焊接功率过大、焊接速度过快，会造成焊接变形增大。焊接设备使用的激光器类型也会对焊缝成形产生影响，选用CO2激光器焊接的齿轮，深宽比大，焊缝窄；选用Nd:YAG激光器焊接的齿轮，深宽比小，焊缝较前者更宽。在齿轮激光焊接中（见图2），保护气体的使用也是重要影响因素，一般以氦气、氩气、氮气为主，气体流量5～20L/min。因此，在实际生产中，要通过工艺试验，寻找到最佳的工艺匹配参数，从而保证零件的高质量焊接。

图2 齿轮总成激光焊接

（2）轴齿激光焊接变速器的中间轴与齿轮有多种连接方法，例如，一体式轴齿、花键连接、过盈配合连接、焊接连接。这些连接方式各有优缺点。虽然一体式结构紧凑，但由于受齿加工局限，齿轮布局受到限制；花键连接，齿轮布局灵活，轴齿结构紧凑，但花键加工工序多，轴齿连接精度难保证；过盈配合连接，轴及齿轮加工简单，但是为了保证传递的扭矩，要求齿轮轮毂有一定宽度和厚度，结构尺寸大；焊接连接，齿轮布局灵活，轴齿结构紧凑，轴齿加工工序少，但是需要保证焊接强度和轴齿精度。激光焊接因其焊接效率更高、焊接变形小、连接强度高，在轴齿焊接中被广泛应用。轴齿激光焊接（见图3）在工艺实施过程中，与齿轮焊接施焊材料类似，因此焊接工艺较为接近。不同的是，轴齿焊接前，中间轴与齿轮一般需过盈配合，在过盈配合装配过程中，一方面要关注两种零部件的清洁度；另一方面要保证两种零件配合间隙均匀，从而保证焊缝质量。

图3 中间轴与齿轮激光焊接

（3）柔性盘总成激光焊接柔性盘总成位于发动机与双离合器之间，有传递扭矩、阻隔发动机轴向振动的作用，是变速器中的重要总成之一。柔性盘总成是由两层柔性盘薄板、6个焊接螺母、一个花键毂通过激光焊接方式连接而成，产品连接强度及精度要求高[5]。柔性盘总成激光焊接焊缝应均匀、饱满，并避免应力集中现象产生（见图4）。焊接夹具的设计和各被焊零件之间的配合间隙是影响柔性盘总成激光焊接的最重要因素。焊接夹具应保证被焊零件之间的间隙稳定、均匀，同时通过压紧机构，控制焊接过程中柔性盘薄板的变形。被焊零件的间隙需通过大量试验进行研究，一般不填丝焊接情况下，配合间隙不能超过1.5mm。间隙过大时，容易烧穿、下塌、虚焊；间隙过小时，将无法装配或者装配困难。

图4 柔性盘总成激光焊接

（4）其他底盘及动力总成零部件激光焊接除以上零部件外，激光焊接还被用于拨叉总成、驻车轴总成、制动凸轮轴、各种传感器总成及电动机电池零部件等焊接中。在新产品试制中，激光焊接因其良好的异种材料连接能力，在精密零部件加长、缩短改制中也发挥着重要作用。图5所示为激光焊接的驻车轴总成，激光45°角入射形成角焊缝，焊缝美观，零件变形小。

图5 驻车轴总成激光焊接

4.2 激光焊接在车身试制及小批量生产中的应用

激光焊接在车身试制中的应用主要包括激光拼焊、顶盖激光钎焊、后尾门激光钎焊、车门自熔焊等。

（1）激光拼焊激光拼焊是以激光焊接为连接形式，将不同材质、不同厚度的钢板拼合焊接成一块整体板材，通过这样的方式可以实现将不同强度、不同厚度的钢板放在最恰当的位置，以实现最优的性能组合。激光拼焊后冲压与先冲压后焊接相比，优势在于可以减少零件的数量，提升冲压成形率，简化制造工艺，同时可以实现车辆的轻量化。近年来，在激光拼焊技术的基础上，国外钢材公司开发出一体式热成形门环，即通过激光拼焊成整体料片后一体冲压成汽车门环，如图6所示。通过这样的方式，可以用1个门环零件取代5～6个侧围内板零件，在实现车身轻量化的同时提升了车身整体刚度和强度，简化了车身制造工艺。目前，国内部分企业也在积极针对这一技术进行探索与开发，但暂未见到大批量生产应用。

图6 激光焊接一体式门环

（2）顶盖和后尾门激光钎焊激光钎焊是以激光作为热源，采用熔点低于母材的钎料，将钎料和连接部位加热到母材熔点之下、钎料熔点之上，钎料填满零件间隙，然后冷凝形成焊缝的焊接过程[6]。钎料液相线温度高于450℃为硬钎焊，钎料液相线温度低于450℃为软钎焊。软钎焊一般用于电路板、电子元器件的连接，车身采用的激光钎焊为硬钎焊，目前，激光钎焊在顶盖及后尾门上的应用较为成熟，国内外各大主机厂均有该位置使用激光焊接生产的应用。图7所示为激光焊接的某车型后尾门总成，焊接生产中，控制的关键要素是零件的匹配间隙、焊接功率、焊接速度及送丝速度，需在批量生产前结合使用设备进行试验验证。

图7 激光钎焊的后尾门总成

（3）车门激光焊接车门激光焊接是指在车门内板总成焊接中，采用激光焊接工艺代替点焊，从而实现零件翻边减小、结构优化、尺寸精度提升。车门激光焊接的应用中，奔驰公司在车门窗框及门锁加强板等区域均采用激光焊接工艺，焊缝形式有直线形、C形、O形。奥迪公司仅在车门窗框处使用激光焊接，其他与车门内板连接零件依旧使用点焊工艺，二者各有优劣。在铝合金车门焊接中，激光焊接工艺同样适用，并在焊接变形及强度方面有明显优势。近年，国内自主品牌也纷纷在车门焊接中选择激光焊接，图8所示为某品牌激光焊接的车门内板总成。焊接工艺实施的要点是为镀锌板在焊接过程中挥发的锌蒸气提供溢出通道。

图8 激光焊接的车门内板总成

4.3 激光焊接在改制、定制、展车制造生产中的应用

在汽车新产品试制、小批量生产、展车制造中，激光焊接还被应用于汽车整车及零部件改制、定制。图9所示为某项目顶盖缩短改制示意，通过激光切割与激光焊接，实现顶盖缩短600mm，节约一套顶盖冲压模具费用，同时可以缩短试制车辆制造周期，加快新产品验证。顶盖外板为镀锌板材料，激光对接焊接时，焊接夹具的设计、激光切割的精度、镀锌板焊接的工艺是保证项目能够实施的最关键三个要素。