激光深熔焊工艺在铝车身上的集成应用

2021-12-31

汽车工艺师 2021年3期

奇瑞新能源汽车股份有限公司安徽芜湖 241000

汽车轻量化能有效地节约油耗、减少排放，在日益严峻的环境和能源形势下，各大汽车企业都在不断积极探索汽车轻量化方案。

铝和铝合金材料具有比重小、塑性好、比强度高（0.113N/kg）、导热性能好、化学性能以及减重效果好（25%～40%）等一系列优良的使用特性。因此，近年来，越来越多的企业选择了采用铝及铝合金材料替代普通碳钢的车身轻量化技术路线。美国、德国、英国等先后开发出标志性铝基轻量化产品A8、XFL等。奇瑞 eQ1 上市，标志着国内首款全铝车身诞生。

为显著提升纯电动汽车行业的制造技术水平，满足大批量定制化制造和产品市场定位，基于奇瑞新能源eQ1产品的绿色关键制造工艺激光深熔焊技术，目的就是要解决当前纯电动汽车制造自动化、绿色制造、产品一致性等问题，促进先进技术与制造业融合，保证本公司产品的可持续发展和竞争力。

激光器的选择

常见的激光器种类，按其工作介质分为五类，分别是：气体、固体、半导体、染料以及光纤。

1.气体激光器

气体激光器可以是纯气体，也可以是混合气体。最常见的CO2激光器具有峰值功率高、光束集中、功率可选范围大、连续和脉冲兼具、波长范围广（9000～12 000nm）以及体积小等优势，多应用于军事、材料切割等。

2.固体激光器

固体激光器的特征是高功率稳定性、输出功率连续可调节，高光束质量，工作性能可靠，激光器寿命长，可长时间连续工作。电源自带过热、限流保护电路，TEC及激光头风扇制冷，可外接信号发生器进行高速调制（TTL调制及模拟调制）。可实现加载单模/多模光纤耦合输出，耦合效率高，操作方便，光纤可拆卸更换。采用多级串联来实现高功率输出，目前平均功率最高可达到上600～800W，重频可达80～200次/s，单脉冲能量可达80J。主要应用：校准光路、荧光激发、光谱分析、光电检测、干涉实验及拉曼实验等。

3.半导体二极管激光器

半导体二极管激光器利用电子发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡和反馈，产生光束放大，输出激光。应用场景：荧光激发、光谱分析、材料、细胞、肿瘤、活体照射及光动力治疗等。

4.染料激光器

染料激光器具有输出波长可调功能。它是光谱范围0.4～1.4μm可调的窄带宽激光器，通过混频技术获得紫外到中红外波段的可调谐相干光。主要用于高光谱特征参量与光谱库研究。

5.光纤激光器

光纤激光器应用领域较多，包括空间远距离通讯、千兆光纤通讯仪、船舶、汽车、切割、打标、钻孔、焊接、医疗器械及基建等。玻璃光纤具有成本低、应用成熟、产品空间尺寸小及质量轻等优点；它不需要像晶体一样对入射光进行相对严格的相位匹配，原因是玻璃基体的星分裂引起的不均匀加宽导致了宽吸收带。材料体积比极低，功耗低，热量去除快，交换效率高，阈值低；输出的激光波长多。这是因为稀土离子能级非常丰富，而且有多种稀土离子。由于这种激光器谐振腔内没有透镜，不需要调整焦距而且免维护，应用场景较为普遍。光纤输出形式使得激光器能够容易适应3D空间应用，能适应恶劣的环境，对振动、沾污、冲击及温湿度有很好的耐受性。只需简单的风冷。各类激光器各有特点，需要结合铝合金框架车身所用材料的特点并结合投资成本、维护成本等方面综合考虑，进行充分的验证和对比，从而选择合适的激光器类型。

激光器参数的选择

1.激光器功率

激光功率是激光焊接中的一个关键因素，使用激光来焊接金属和非金属已经成熟应用，其中存在一个激光光束能量密度阈值，低于该阈值，熔透很浅，大于或等于此值，穿透性将大大增加。激光功率超过能量阈值（也就是激光问题高），空气会产生离子，产生稳定可靠的高深宽比焊缝。当功率小于能量阈值，焊接熔深不足，焊缝连接强度不足。而当激光功率接近形成小孔的临界条件时，激光深熔焊和热传导焊不间断运行，导致焊缝熔深波动很大。使用激光深熔焊工艺时，功率和速度与焊缝熔深有关系。焊接的熔深直接与光束功率密度有关。

深熔焊和导电焊交替进行，成为不稳定的焊接过程，导致熔透波动较大。激光深熔焊过程中，激光功率可以同时控制熔深和焊接速度。熔透率与入射光束的功率密度直接相关，是入射光束功率和光束焦点的函数。一般来说，对于一定直径的激光束，穿透深度随光束功率的增加而增大。

2.激光脉冲波形

针对高反射率材料，使用激光进行焊接必然会产生60%～85%的能量损失，通过调整激光脉冲宽度参数，可有效抑制能量损失。在激光脉冲信号处理过程中，高光金属的反射率随焊接时间变化。当被焊接零件材料达到熔点时，反射率会快速下降，当被焊接零件表面形成焊缝熔池时，材料反射率会稳定下来。多数高光材料能量输入开始阶段反射率高，一般采用前置尖峰的激光输出波形，利用波形出现尖峰使激光温度提升至熔点，减少反射率。对于黑金属材料，材料反射率低一般采用平整的波形。在应用中需根据材料表面特性不同，对脉冲波形进行调整。

3.激光脉冲宽度

激光脉冲宽度主要由焊缝深度与宽度确定，脉冲宽度越长热影响区越大，焊缝深度是随着脉冲宽度的0.5次方增加。但脉宽的加大峰值功率会降低，此方法主要用于激光热传导焊接形式，焊缝形貌尺寸深宽比低，用于两种板材厚度差异较大的搭接焊。但低的峰值功率使得激光功率损失较大。通过实验可得出，各种材料熔深达到最大时最佳脉冲宽度参数。

4.光斑直径

光斑直径决定激光的能量密度的聚焦程度。但对于功率较高的激光束，目前对光斑尺寸的测量是个难题，目前已经有一些间接测量方法。根据衍射理论，可以计算出光束聚焦的衍射极限光斑大小。但由于焦距透镜存在像差，实际光斑尺寸大于计算值。常用的测量方法是等温剖面法，即燃烧厚纸和穿透PP板后测量焦点和射孔直径。采用此手段要有一定经验，在测量过程中掌握好激光的功率和激光的作用时间。

5.激光透镜焦距

焊接时需对激光进行聚焦，常采用 62～253mm焦距的镜头。焦斑的大小与焦距的关系成正比，焦距变短，光斑变小。但焦距也影响震源深度，也就是说，震源深度增加焦距也随之增加，因此短焦距可以增加功率能量，但由于震源深度很小，镜头和工件之间的距离较大，且熔深较小。由于焊接过程中的受熔池飞溅影响，实际焊接使用的最短焦深一般为126mm。当连接零件之间存在较大缝隙时，可增加激光光斑尺寸，一般采用254mm焦距的镜头。为了达到焊接小孔效果，可提高焊接激光输出的功率能量。当功率超过2kW时，尤其是CO2激光束10.6μm，由于透镜采用精密材料构成，为了避免聚焦透镜光学损坏的风险，一般采用反射聚焦方法，通常使用抛光铜镜子反射器。由于其冷却效果好，常被推荐用于大功率激光聚焦。

铝及铝合金材料具有高反射性，选择激光器参数时需采用与之匹配的参数。除此之外，投资成本也是一个不得不考虑的问题，按目前国内市场的行情，一台3kW激光器的价格大约在150万～180万元，应在满足焊接要求的同时，选择尽可能低的功率，以保证最终的投资效益。

工装夹具的开发

1.焊接夹具的定位原理

在焊接过程中，每一个焊接件所放置的位置不能保证一致，即使对同一批要进行焊接的焊接件来说，也不能确保每一件都放在同一个位置。而且各焊接件本身的差异和各工件的位置、倾斜角度也是不一致的。由于焊接件位置的这种不确定性，同时要满足限定自由度。刚体在空间中有6个自由度，即沿XYZ三个坐标轴平移的3个自由度和3个旋转自由度。欠约束零件加工无法保证加工精度和质量符合性与稳定性，必须对焊接件进行自由度的限制。

汽车焊装夹具和普通机床夹具的形式和理论虽然是相似的，但普通的夹具定位在设计时一般采用6点定位原理，即通用的一面两销的定位原理，完全定位即可。然而在进行汽车焊装夹具设计的定位时，不能采用普通的标准。汽车车身是空间曲面，简单的 6 点定位不能保证焊接件的定位精度。在汽车车身夹具定位时应使用过定位，即所谓的“N-2-1”定位原理。

在生产线中以焊接件的平面作为定位基准进行自由度的限制是最常见的一种形式。在进行焊接夹具设计定位的时候，可以按焊接件表面接触的情况进行分析。通过焊接件表面接触面积大小，接触点的数目多少，确定在设计夹具时所采用的形式：夹紧装置还是支撑件。一般当零件较小（＜60mm），接触面积较大，会将“N-2-1”N整合成一个大面定位。

第二个基准一般是以工件的圆柱孔来进行定位，主要通过定位销来实现。一般采用短销来限定两个移动自由度。

第三个基准同样是采用定位销进行定位，和第一个进行配合限定一个旋转自由度。在夹具进行定位时一般较少采用长销进行定位，防止气缸夹紧时产生较大的力对销产生破坏，影响定位效果。

2.夹具设计

大批量生产辅助设施的限制与单件或小批量生产的生产线不同，大批量生产的铝合金框架车身生产线除了必要的焊接夹具外，还需要有辊床、滑撬、吊具、安全防护设施等机械化输送设备或工装。因而，在进行激光焊接夹具的设计时，需要与周边相关设施相适应，避免出现干涉现象。

3.激光焊接夹具的特殊要求

对于采用压力连接（点焊、SPR等）的零部件，夹具压头的分布不需要很紧密，最大可按300～400mm分布，待连接零件之间允许有不超过1mm的间隙存在。连接时，在工具头的压力作用下，完全可以将这部分配合偏差抵消。

激光焊则对配合间隙较为敏感，一般情况下，待连接零件之间的配合间隙不允许超过较薄料厚的30%。因此，夹具的夹头布置得越紧密，对焊接越有利。然而，夹头布置得越紧密，意味着焊接可达性越差。如何平衡这两者的关系则成为了进行激光焊接夹具设计中最为重要的考量因素。

激光焊接头的开发

1）铝合金车身的结构特点与传统车身的二维结构不同，新能源铝合金框架车身绝大部分是由挤压成形的铝型材构成的，具有三维立体结构，同一个接头通常需要从四个不同的方向施加焊接。同时，由于汽车造型的要求，某些接头的焊接操作空间往往被其他零部件所遮挡，加上焊接夹具的影响，焊接工具难以到达。

2）激光焊接头的结构。激光加工头是激光焊接设备的关键组成部分，利用它来实现调整焦距和工作距离，从而可获得合适的光斑尺寸。在激光焊接机头中集成了不同功能的组成单元，包括激光聚焦和导入单元、保护气导入和分配单元、冷却系统及透镜防护系统等。由于需要集成诸多功能单元，造成激光焊接头体积较大，势必会影响其在复杂车身结构上的应用。需要针对车身结构开发可达性更好的激光焊接头。

3）偏差探测系统的开发。零部件在从原材料到车身的加工过程中，往往要经过几道甚至十几道工序，每道工序加工过程中都不可避免地会产生偏差，随着工序的流动，这些偏差将累积到车身上并向后序传递。为了保证激光焊接的质量，除了制定合理的加工公差及控制零部件加工质量外，还需要配备相应的偏差探测系统。在焊接前，由该系统对装配偏差进行探测并反馈给激光焊系统，激光焊系统进行相应调整后再进行焊接，而且这一过程必须在大批量生产线的生产节拍内完成。