激光拼焊技術在汽車車身焊接中的應用*

李前進，李 海

（甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1 激光拼焊技術的基本概念

激光拼焊技術是指采用先進的激光技術及設備，將一定數量的不同材質、厚度、涂層的鋼材、鋁合金等材料通過自動拼合和焊接組成一塊整體板材，通過沖壓制造成為零部件，用以滿足不同的零部件因作用不同而需具有不同材料性能、厚度及抗腐蝕性等要求。這一技術是基于激光焊接技術的成熟發展及應用而衍生出的現代加工工藝技術，其主要的特點是焊接速度較快和質量較高，且激光的精密性還保證了焊接效果的精準性，生產效率極高[1]。

2 激光拼焊技術在汽車車身焊接中的焊接方式

在激光拼焊技術產生并得到應用以前，傳統的汽車車身制造大多采用一整塊厚重的鋼板直接沖壓形成車身的零部件，這不僅會使得焊縫質量較低，并且容易導致汽車因自重過大而造成不必要的油耗。目前，激光拼焊技術在汽車車身焊接中主要應用于加工前后門內板、前后縱梁、側圍、底板、輪罩及背門內板等，其中以門內板居多；而根據零部件的構造及功能需求、材料性質即厚度等要素的區別，汽車車身焊接所采用的激光拼焊技術主要包含直線焊接、折線焊接、曲線焊接、多零件組合焊接等形式，利用激光設備采用拼焊方式將不同性質的材料焊接成拼焊板，進而沖壓形成最終所需的零部件，這樣的工藝使得現代汽車既輕便又節能。例如，最常見的車門內板，既要保證內板具有一定韌性，又要保證其前后的材料具備一定的抗撞擊強度，傳統的工藝難以實現簡易加工，耗時耗力，而激光拼焊技術則能完美解決這一難題。

3 激光拼焊技術在汽車車身焊接中的優缺點

3.1 激光拼焊技術在汽車車身焊接中的優點

激光拼焊技術工藝的核心是充分發揮焊機的效力實現高效能產出，即實現不同批次板料焊接流程的連貫作業，從而最大限度地降低生產成本和能耗，實現降本增效。隨著國內外近年來對激光拼焊技術在汽車車身焊接領域的廣泛推廣和應用，這一技術的優勢也越來越被凸顯出來[2]。

采用激光拼焊板技術方案與采用激光拼焊板和傳統的內板+加強板結構的模具制造方案由于在沖壓技術上的差異，采用激光拼焊板方案可節省沖壓費用，從而降低成本，大約可節約6.5%的制造成本。兩種方案的成本具體如表1、表2 所示。

表1 采用激光拼焊板技術方案總成本

首先，采用激光拼焊技術對成形前的零部件進行事先的焊接合成，能夠極大程度提升車身焊接的速度、質量及裝配精度，降低車身的制造成本、減少車身零件數，進而減輕車身重量，同時簡化裝配工序及制造工藝。其次，節約焊接設備即沖壓裝置的使用，及沖壓過程合理利用了材料，可降低能耗和廢品率，提高原材料的利用率。一方面，利用激光焊接技術取代原有的加強板功能，通過選取恰當的材料厚度及質量，優化了原有車身結構，提高了車身的抗碰撞能力、抗腐蝕性及沖壓成型率，精簡車身制造周期的同時提高了設計的靈活性；另一方面，該技術規避了密封膠的有害影響，提高了汽車制造的綠色環保性[3]。

表2 采用內板＋加強板結構方案總成本

綜上所述，激光拼焊技術在汽車車身焊接中的應用實現了汽車制造業經濟與社會效益的高度統一，具有極大的優勢。

3.2 激光拼焊技術在汽車車身焊接中的缺點

1）激光拼焊技術對裝配位置的精確度要求極高，需確保激光束在工件上不會發生位置的偏移，否則極可能造成焊縫燒穿、焊縫局部變窄或偏向一側板材的缺陷問題。

2）激光的能量轉換效率一般不高于10%，較其他方式過低。

3）激光設備及相關工藝系統價格昂貴且對生產技術要求極高，首次投入使用成本較高（通常1 條激光拼焊生產線的投入成本為400 萬美元～500 萬美元），需達到汽車規模化生產的量級才能實現該工藝的經濟效益。

4）對焊件的最大可焊厚度有上限，生產操作中對于滲透厚度遠超過19mm 的工件，不建議使用激光焊接。

5）激光拼焊技術效果還受板材的金屬性能、沖壓性能等多方面因素的影響，如高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等的焊接性會受到激光的影響，其生產工藝的特性要求產品設計、選材、沖壓和焊接等相關專業領域的技術人員通力配合，才能在實現生產的基本要求的前提下控制成本，以達到最佳的經濟效益[4]。

4 激光拼焊設備及激光拼焊技術生產工藝流程

4.1 激光拼焊設備

激光拼焊生產設備主要包含三大板塊：第一，傳送裝置（如上料車、下料機器人、傳送帶等）；第二，激光焊接設備（定位裝置及激光焊機設備）；第三，檢測裝置（檢測機器人及無損檢測裝置）。

4.2 激光拼焊技術生產工藝流程

1）設計拼焊板。針對車身各個部分的不同功能和特征進行車身零部件拼焊板的設計，設計的目的是達到車身各部位材料強度的相對平衡，充分利用不同材質板材的物理化學特性確保焊接的質量，確保拼板焊縫的精準度，使其位于后續沖壓工序產生最小限度拉力的位置，以實現節約耗材、降低廢料率、提升板材使用效率的目標。

2）選擇拼焊板材料。拼焊板材料的性質對其效果起到了至關重要的作用，通常選用硬度較低的冷軋低碳鋼用于拼焊加工后，還需要深拉工序0.65mm ～2.5mm 厚度的板材。實際生產中，常選擇高強度的薄鋼板作為車身焊接的拼焊板材料，主要是因為這類材料具有極佳的金屬塑性及焊接性能。另外，用于潮濕環境中的拼焊板材料，一般選擇采用雙面鍍鋅高強度鋼板。

3）裁剪拼焊板。將選取的恰當材料板材放置在相應的剪裁設備裝置上（如沖壓機、沖剪機或激光等），裁剪成設計的尺寸及形狀。為確保后續無縫拼焊工序的完美實施，該步驟務必保證精準裁剪。

4）激光拼焊。激光拼焊過程對工藝精度有極高的要求，必須確保激光束精準射入焊縫而不與其接觸，且焊縫寬度應與拼焊板材料厚度一致，并具有較強的塑性。另外，為保證焊縫質量，避免硬化或其他缺陷，還需仔細核對相關參數，如拼焊速率、激光功率、對焦的位置等，而且應利用氬氣、氦氣等不易發生熱反應的保護氣體。

5）檢驗拼焊板。激光拼焊后極易產生的質量缺陷，因此需對拼焊板進行質量抽查，尤其是要通過物理力學性能測試重點檢測焊縫的塑性及強度，以確保其支持后續深拉加工。例如，采用焦點X 光透視或利用電磁聲學法的橫向偏振平面波檢測激光拼焊板的焊縫缺陷，采用機械試驗或液壓壓延試檢測其沖壓拉深能力。同時，應評估不同厚度板材、焊縫高出板材、沖壓及沖壓時伴隨的熱處理之后的焊區強度變化等因素的影響程度。

6）拼焊板沖壓制成汽車車身成品件。要在對拼焊板的厚度、各金屬部件的機械性能、焊縫性能以及沖壓時的焊區變化進行詳細分析的基礎上，對拉深模具進行優化設計，力求焊區與模具之間保持足夠大的夾角，防止厚度較低的拼焊板在沖壓拉深加工時出現斷裂缺陷。

5 國內外激光拼焊技術在汽車車身焊接中應用的發展現狀

目前，隨著近年來我國逐步加強對該技術的投入和應用，激光拼焊技術的發展取得了質的飛躍，由過去主要依靠進口激光拼焊板逐步轉為自產自銷，激光拼焊技術已成為我國汽車制造業復興的重要技術手段之一。我國大型的中高檔汽車制造商，如上海大眾、長安福特等已經紛紛開始積極將激光拼焊技術應用于實際生產，同時也在持續加強與國外具有豐富生產經驗的技術強國開展合作，通過多種途徑和方式提高我國的激光拼焊技術水平，不斷拓展市場規模。但是，與發達國家相比，仍然存在較大的技術差距。

6 結束語

在科技和經濟高速發展的今天，激光拼焊技術作為一項重要的新型加工工藝，已經在諸多制造領域得到了廣泛的應用。基于目前我國所倡導的節能、環保、綠色科學的發展觀，未來將有越來越多的技術投入汽車制造領域研究，以提高汽車加工工藝水平，同時為汽車產品設計、質量改善和降低成本提供新的思路和方法。激光拼焊技術作為未來車身焊接技術的重要發展方向，不僅是汽車制造廠商必不可少的核心技術競爭力，還是汽車行業著智能化、輕量化方向發展的必經之路。