激光技術(shù)在白車(chē)身柔性制造中的應(yīng)用分析

高翔，楊亞偉，宋昊，張敏，呂巖，馬旭

中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司第第第院 吉林長(zhǎng)春 130011

自1960年5月激光產(chǎn)生以來(lái)，激光加工技術(shù)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)已成為現(xiàn)代光電技術(shù)的重要支柱之一，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展以及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)“新四化”（電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化）的潮流趨勢(shì)、汽車(chē)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)變得愈發(fā)激烈。

國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)環(huán)境對(duì)于新產(chǎn)品試制在周期、質(zhì)量、費(fèi)用等方面的要求越來(lái)越高。汽車(chē)試制是現(xiàn)代汽車(chē)前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，尤其是如何高質(zhì)、高效、低投入地完成設(shè)計(jì)方案的快速驗(yàn)證，是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)持續(xù)性的熱點(diǎn)話(huà)題。

激光加工工藝技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，其憑借著生產(chǎn)效率高、柔性化程度高、自動(dòng)化程度高和加工精度高等優(yōu)點(diǎn)已得到了汽車(chē)行業(yè)的高度認(rèn)可，已成為各大汽車(chē)廠(chǎng)商必爭(zhēng)的技術(shù)高地。其主要應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身焊接、高強(qiáng)度熱成形板切割、鋁合金焊接及小批量試制、個(gè)性定制等場(chǎng)景。將激光切割、激光焊接工藝相結(jié)合應(yīng)用到白車(chē)身改制領(lǐng)域，具有連接強(qiáng)度可靠、外觀(guān)美觀(guān)及生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，對(duì)于白車(chē)身改制具有較大優(yōu)勢(shì)。

激光加工工藝介紹

1.激光加工工藝

激光加工是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門(mén)加工技術(shù)。激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子、電器及機(jī)械制造等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門(mén)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化、無(wú)污染及減少材料消耗等起到愈來(lái)愈重要的作用[1]。激光切割、焊接、熔覆、表面處理、快速成形、打孔及打標(biāo)等激光加工工藝日益成熟，其中激光切割和激光焊接技術(shù)在汽車(chē)白車(chē)身試制行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。

2.激光切割

（1）激光切割的原理及特點(diǎn) 激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束掃描工件表面，在極短時(shí)間內(nèi)將材料局部加熱到幾千至上萬(wàn)攝氏度，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)，借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)將工件隔開(kāi)，達(dá)到切割的目的。如果吹出的氣體和被切割材料產(chǎn)生熱效反應(yīng)，則此反應(yīng)將提供切割所需的附加能源。保證熱影響區(qū)和透鏡不受污染的作用[2，3]。

激光切割是一種熱切割過(guò)程，具有非接觸加工、切縫寬度窄、熱影響區(qū)小和材料利用率高等特點(diǎn)。

（2）激光切割設(shè)備的基本組成 激光系統(tǒng)（激光器、激光光路、切割頭）、數(shù)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及除塵凈化系統(tǒng)等構(gòu)成了激光切割設(shè)備。目前激光切割設(shè)備制造商主要有德國(guó)通快、瑞士百超、意大利普瑞瑪、日本三菱重工及NTC等國(guó)外品牌，在國(guó)內(nèi)主要有大族激光、華工激光、楚天激光和領(lǐng)創(chuàng)激光等品牌廠(chǎng)商。

3.激光焊接

（1）激光焊接的原理 激光焊接是利用激光本身聚焦的能量作為焊接熱源，熔化被焊接工件（金屬或非金屬材料）使其形成一次性永久連接的方法。

（2）激光焊接的形式及應(yīng)用種類(lèi) 激光焊接主要有自動(dòng)化（工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床）激光焊接和手持式激光焊接（近年來(lái)才開(kāi)始推廣使用）兩種形式。目前激光焊接主要有激光釬焊、激光自熔焊、激光飛行焊（激光振鏡焊）及激光復(fù)合焊（激光+電?。┧拇髴?yīng)用種類(lèi)。

1）激光釬焊。以激光本身聚焦的能量作熱源，使用熔點(diǎn)比母材低的金屬材料作為釬料，在加熱熔化后，使液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭空隙并與母材彼此銜接。其最大特點(diǎn)就是焊接區(qū)域的強(qiáng)度好，焊縫密封性良好，外觀(guān)光滑細(xì)膩，因此常被應(yīng)用于白車(chē)身頂蓋外板與側(cè)圍外板的連接處（大眾品牌全車(chē)系）以及行李箱蓋外板上下段的連接處。

2）激光自熔焊。以激光本身聚焦的能量作熱源，使搭接或是對(duì)接的兩部分母材一同熔化形成液體金屬熔池，待其快速冷卻后，形成可靠焊縫連接。其主要的特點(diǎn)是焊接熱影響區(qū)域小，焊接應(yīng)力和變形小，板材搭接區(qū)域少（相比于電阻電焊工藝），因此常被應(yīng)用于不等厚板材拼接焊。白車(chē)身側(cè)圍門(mén)框處以及車(chē)門(mén)內(nèi)板等位置的焊接通常采用此種焊接方式。

3）激光振鏡焊。又稱(chēng)為激光飛行焊、激光遠(yuǎn)程焊或激光機(jī)器人掃描焊。其是在機(jī)器人的第六軸上安裝一個(gè)高速掃描反射鏡（常稱(chēng)“振鏡”）掃描頭，僅經(jīng)過(guò)鏡片搖擺反射，完成激光軌道運(yùn)動(dòng)，而無(wú)需機(jī)器人手臂跟隨運(yùn)動(dòng)。激光遠(yuǎn)程焊接體系高度柔性化，功率比一般的激光焊接更高，可實(shí)現(xiàn)C形、S形、L形等異形焊縫的快速編輯。因此常被應(yīng)用于儀表板骨架、座椅骨架、車(chē)身縱梁加強(qiáng)板、車(chē)門(mén)內(nèi)板及新能源電池包的焊接。

4）激光復(fù)合焊。以激光本身聚焦的能量和電弧能量一同互補(bǔ)疊加，作為一種復(fù)合型的高效熱源對(duì)工件進(jìn)行焊接，激光和電弧在彼此的作用下（同軸、旁軸）共同作用于焊接熔池內(nèi)。相比于單純的激光焊或電弧焊，激光復(fù)合焊具有更好的焊縫成形、更深的焊接熔深以及更小的熱影響區(qū)域，因此常被應(yīng)用于特種車(chē)防護(hù)裝甲的焊接、厚板鋁合金的焊接等焊接場(chǎng)合。

應(yīng)用實(shí)例分析

1.背景及方案介紹

某平臺(tái)車(chē)型試制改裝要求整車(chē)車(chē)身在原有基礎(chǔ)上整體縮短145mm，其中縮短部分全部集中在后車(chē)門(mén)區(qū)域，另外要求所有改制零件全部借用原有車(chē)身零件進(jìn)行改制，不得增加新制零件。

對(duì)于后車(chē)門(mén)外板的試制改制工作，傳統(tǒng)方法是將原有后車(chē)門(mén)外板一分為二相互搭接72.5mm，在搭接處進(jìn)行均布點(diǎn)焊焊接后進(jìn)行打磨涂膠處理。在本實(shí)例中通過(guò)前期數(shù)據(jù)分析后決定采用激光切割+激光焊接對(duì)接拼焊的試制改裝方案，對(duì)后車(chē)門(mén)外板進(jìn)行縮短145mm試制改裝。

2.具體實(shí)施步驟

（1）切割及焊接夾具的制作 其過(guò)程如下：

1）通過(guò)對(duì)后車(chē)門(mén)外板的三維數(shù)據(jù)分析確定夾具的具體結(jié)構(gòu)及制作方案。

2）使用PRIMA-plation二維激光切割機(jī)（4kW的CO2激光器）對(duì)夾具所需板材進(jìn)行切割制作。

3）激光切割?yuàn)A具采用板式插接式結(jié)構(gòu)（“兩橫三縱”ST3.0mm板材）。

4）激光焊接夾具采用型材貫穿板式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1中45鋼20.0mm、50mm×50mm×1.5mm方鋼），另外制作激光焊接夾具上部壓緊裝置并間隔50mm增設(shè)螺紋調(diào)節(jié)壓緊機(jī)構(gòu)（用于調(diào)節(jié)零件的斷面差）。

圖1 方鋼焊接

（2）三維激光切割 過(guò)程包括：

1）三維切割時(shí)使用NTC三維五軸激光切割機(jī)（4kWCO2激光器）。

2）將原有后車(chē)門(mén)外板（厚0.7mm）切割為三部分（見(jiàn)圖2），其中中間部分144.8mm（較145mm差0.2mm為激光切縫損耗）。

圖2 后車(chē)門(mén)外板激光切割

3）激光切割路徑上預(yù)設(shè)4處1.0mm斷續(xù)激光點(diǎn)，保證未完全切斷。這樣做的主要目的是：防止在第二條切縫切割時(shí)后車(chē)門(mén)外板發(fā)生竄動(dòng)扭轉(zhuǎn)影響整體切割尺寸精度。

4）對(duì)激光切割后的后車(chē)門(mén)外板進(jìn)行手工分離打磨處理，并對(duì)其進(jìn)行清潔檢測(cè)轉(zhuǎn)至激光自熔焊焊接工序。

（3）激光自熔焊對(duì)接拼焊 主要包括：

1）KUKA機(jī)器人、激光自熔焊焊接頭和IPG的4kW激光器。

2）將三維激光切割好后車(chē)門(mén)外板裝配到激光焊接夾具上，并裝配好上部壓緊裝置，再與零件上表面接觸處鋪墊好柔性塑料布，如圖3所示，保護(hù)后車(chē)門(mén)外板表面質(zhì)量，防止壓痕、劃痕等缺陷。

圖3 保護(hù)后車(chē)門(mén)外板切割

3）使用塞尺檢測(cè)間隙，如不滿(mǎn)足要求（≤0.1mm）則重新調(diào)整裝配。

4）使用螺紋調(diào)整機(jī)構(gòu)使斷面差保持在同一水平面。

5）激光焊接150mm的間隔進(jìn)行2.0mm激光點(diǎn)焊，焊接之后連續(xù)焊接整條焊縫。

6）檢查整條焊縫的焊接質(zhì)量，查看是否存在焊接質(zhì)量缺陷，如出現(xiàn)焊接缺陷對(duì)其進(jìn)行修復(fù)（精密焊補(bǔ)焊，搪錫及打磨拋光）。

7）對(duì)零件進(jìn)行清擦送檢，轉(zhuǎn)至車(chē)門(mén)包邊工序。

3.與傳統(tǒng)試制改裝方案效果的對(duì)比

激光加工工藝試制改裝方案效果如圖4所示，傳統(tǒng)點(diǎn)焊試制改裝方案效果如圖5所示。

圖4 激光焊改裝方案

圖5 點(diǎn)焊改裝方案

結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)點(diǎn)焊試制改裝方案相比，激光加工焊縫平整美觀(guān)、無(wú)接縫、密封性良好，且在質(zhì)量方面單件可以減輕約10%，后期處理（打磨、涂膠等）成本單件節(jié)約35元?？梢栽趻佂钑r(shí)有效避免鋼丸進(jìn)入縫隙中。

5.后期清理及清洗

拋丸后可以用專(zhuān)用工具對(duì)結(jié)合齒縫隙、油孔以及凹槽處的鋼丸進(jìn)行針對(duì)性清理。深孔可以使用深孔清洗機(jī)清洗。為了徹底解決結(jié)合齒縫隙深處的鋼丸，必須使用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，可以大大減少鋼丸的數(shù)量。

6.免拋丸

免拋丸就是零件熱處理后不進(jìn)行拋丸，這樣肯定就不存在卡鋼丸問(wèn)題。但拋丸的主要作用是去氧化皮、倒棱毛刺。如果不拋丸就要其他工序來(lái)彌補(bǔ)。常見(jiàn)做法是在熱前制齒倒棱后用銅刷進(jìn)行去毛刺，但因?yàn)闊崆安牧媳容^軟，飛邊毛刺容易翻邊貼到齒端面。熱后用鋼刷去除飛邊毛刺，外加后期的人工挑鋼丸，雖然能達(dá)到同樣的目的，但工序成品、人工成本、設(shè)備成本也在同步增加。比較理想的方案是在設(shè)計(jì)之初就設(shè)定免拋丸工藝，從熱處理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)配置熱前專(zhuān)用去毛機(jī)。

結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于變速器總成的其他異響，鋼丸引起的異響還是相當(dāng)直觀(guān)的，因?yàn)殇撏枋侨庋壑庇^(guān)可見(jiàn)。齒輪總成在設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分考慮零件結(jié)構(gòu)，制造時(shí)有針對(duì)性地優(yōu)化壓裝、焊接、熱處理以及后面的拋丸、清洗方案。變速器總成避免錐軸承或封閉式軸承，基本可以很大程度上解決鋼丸引起的軸承異響，這樣既能減少齒輪制造商的制造成本及質(zhì)量成本，也提升了變速器總成的一次下線(xiàn)合格率和產(chǎn)能。