白車身激光焊接工藝淺析

侯順華，錢春平，夏良俊，耿勇

(1.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；2.上海大眾汽車有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315000；3.上海大眾汽車有限公司儀征分公司，江蘇 儀征 211400)

汽車行業的飛速發展對制造技術提出了更多更高的要求，這使得汽車制造業中越來越多地采用新技術、新工藝來降低制造成本、提高生產質量與效率，而激光焊接技術無疑是汽車制造業中廣泛采用的一種新技術。與傳統的點焊相比，激光焊接在精度、效率、可靠性、自動化、輕量化和成本等方面，都具有無可比擬的優越性。

激光焊接系統主要由激光源、送絲機構、機器人、激光鏡組等組成，其系統構成見圖1所示。

圖1 激光焊接系統構成

1 激光焊接的優勢

焊接加工工藝性能包括焊接質量、焊接速度、熱輸入量、裝配要求、熔深、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍、可控性、自動化程度、成本等方面，而成本又包括初始成本、運行與維護成本。與其它焊接加工工藝相比，激光焊接技術在焊接質量、焊接速度、焊接材料范圍、焊件幾何尺寸范圍等方面，都要優于電阻點焊、電子束焊、電容放電焊接、鎢極氬弧焊、摩擦焊等。以下主要將激光焊與車間應用最多的傳統點焊在經濟性、工藝性兩個方面進行分析比較。

1.1 經濟性優勢

激光焊接較之傳統點焊，在經濟性能上有很大的優勢，不僅可以節省焊件材料，降低生產制造成本，而且在人工成本上也具有顯著的優勢。

板材成本。傳統點焊需把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，因此需要預留足夠的焊接凸緣，而激光焊接只需焊接單面翻邊材料，可以大大減少預留的凸緣，減輕整個車身的重量。以上海大眾儀征工廠所用NIMARK點焊槍為例，焊接板件凸緣寬度最少需要16mm，而激光焊接只需要5mm，如果把白車身點焊改為激光焊，每輛車可節省鋼材40kg，儀征工廠年產38萬輛共可節約鋼材15200噸。

焊接設備成本。一臺大功率激光器配上數控加工系統可取代十臺電阻焊機械手，且效率是電阻點焊的十倍以上。因此，采用激光焊接技術，同等焊接工作量要求下，相較于傳統點焊所需的控制系統、機器人、工裝夾具等大幅減少，單臺激光焊接設備可節省現場設備投入800萬。

人工成本。原車頂與側圍采用傳動點焊之后需要設立人工工位，一般需兩名工人添加密封條。采用激光焊，由于其特殊的密封工藝及美觀效果，無需人工操作，經統計，可節約人工工位費用200萬。

設計成本。激光焊接工藝簡化車身結構件，大大提高汽車設計的靈活性，縮短產品設計投產周期。

1.2 工藝性優勢

激光焊接最突出的特點就是功率密度高，熱輸入小且集中，焊接部位的熱變形和熱影響區很小，有利于提高焊接速度以及焊縫的力學性能。對車身車間而言，激光焊較之點焊的工藝優勢主要集中在以下幾個方面。

（1）能量密度高。

（2）激光焊接速度快、熔深大。

（3）激光焊接熱輸入量小，熱影響區小，焊接變形小，焊縫晶粒細小致密。

（4）激光焊縫力學性能好，強度高。

（5）激光焊接可達性更好，點焊槍焊接過程中焊槍打開需要一定空間，同時為兼顧兩個焊接頭需要調整姿態，而激光單面焊接能夠適應更復雜的車身結構。

（6）激光焊接焊縫細窄，無需使用密封條與鑲嵌條，提高外觀的流線性，更加美觀大方。

2 激光焊接強度分析

2.1 焊接殘余應力分析

殘余應力是影響焊接結構疲勞性能的重要因素之一，對焊接力學性能有著重要的意義。為了分析激光焊接與傳統點焊工藝的焊接強度，分別在ANSYS軟件中建立激光焊接、傳統點焊焊接仿真模型，如圖2所示。使用ANSYS軟件對激光焊接進行模擬，需定義熱源函數，并將該函數作為載荷加載在焊接模型上，所定義的熱源函數如下式所示：

圖2 焊接仿真模型

如圖3所示為激光焊接以及點焊焊接板件的殘余應力分布圖。從仿真模擬圖中可以看出，激光焊接在最大殘余應力和平均殘余應力兩個指標上均小于點焊。此外，激光焊接區沒有殘余應力集中的現象。而點焊有殘余應力集中，主要集中在焊核外圍，這對于點焊性能有很大影響，受到剪切載荷時必然很容易破壞。

圖3 焊接殘余應力仿真結果

2.2 一定載荷下焊接件應力分析

如圖4所示，以平行于焊縫方向施加3000N拉力時，對于激光焊縫最大應力約為305MPa,電阻點焊最大應力約400MPa，電阻點焊最大應力集中在板材貼合面位置。施加載荷條件下，激光焊接和點焊的應力均高于無載荷條件。

圖4 焊接有限元仿真云圖

3 結語

隨著科學技術的發展，智能控制、圖像處理、傳感器、信息與通訊等先進技術與激光焊接技術的融合，使得激光焊接正向著智能化、遠程化、柔性化方向發展，而焊接質量是首要前提。為保障焊接質量，不僅需要嚴格規范作業，還需要在不斷積累自身實踐經驗的基礎上，吸收借鑒先進經驗，積極做好技術創新、工藝創新。

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