汽車頂蓋激光釬焊與電阻點焊優劣分析

劉洋 鐘巧波

【關鍵詞】激光釬焊;電阻點焊;頂蓋;側圍

【中圖分類號】TG407;U466【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0076-03

0 引言

目前，汽車頂蓋與側圍主流連接方式有電阻點焊和激光釬焊兩種。電阻點焊技術成熟，應用廣泛，頂蓋連接應用最多的就是這種方式，國內自主品牌汽車、日系車和韓系車大多采用此方式。激光釬焊也稱激光填絲釬焊，是在電弧釬焊的基礎上發展起來的一種釬焊技術，具有外觀好、速度快、結構簡單等優點，德系車頂蓋連接基本已經標配此技術[1-2]。國內自主品牌汽車主要采用電阻點焊，同時也嘗試使用頂蓋激光釬焊，據了解，“吉利汽車”“北汽福田”“上汽集團”“江淮汽車”“一汽轎車”“東風柳汽”“東風汽車”“比亞迪”均采購了1～2套頂蓋激光釬焊設備，并在部分車型上使用。本文主要介紹頂蓋采用電阻點焊和激光釬焊的優勢、劣勢，為產品設計開發提供參考。

1 工作原理

電阻點焊是通過點焊電極對被焊工件施加并保持一定的壓力，使工件穩定接觸，然后使利用電流通過焊件，使接觸表面產生熱量，溫度升高，融化接觸點，局部形成焊點（如圖1所示）。激光釬焊是利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面，焊絲被光束能量加熱融化形成高溫液態金屬，液態金屬浸潤到被焊零件連接處，在界面層生成均勻的固溶體和共晶組織，使之與工件形成良好的冶金結合（如圖2所示）。

2 優劣對比

2.1 連接結構

全景天窗的電阻點焊和激光釬焊結構如圖3所示[3]，電阻點焊的側圍腔體與頂蓋腔體被隔開，頂蓋中部的剛度差。激光釬焊的兩個腔體緊密相鄰，頂蓋中部的剛度好且性能更優。同時，點焊技術由于其焊槍本身體積較大，電極頭工作需要一定的機械運動軌跡，在結構設計中需要做結構特征或減小結構尺寸對焊槍進行避讓，所以結構設計上存在諸多限制。激光釬焊是單面焊接，肉眼可見的地方均可以焊接，極大地增加了結構設計的靈活性，可以獲得更優的結構。

這里需要注意，電阻點焊頂蓋邊緣采用臺階結構，而激光釬焊則為翻邊結構且翻邊角度為負角，因此在頂蓋沖壓工藝中，激光釬焊所用的頂蓋必須增加一個翻邊工序才能實現此結構，綜合頂蓋整體工藝設計可能會導致增加一套沖壓模具。

在非全景天窗車型中，傳統電阻點焊工藝的頂梁是與頂蓋焊接成為一個整體再上總拼線，頂梁的焊接集成到分拼工位上，未占用總拼的場地和布置。采用激光釬焊工藝后，頂梁無法與頂蓋焊接，頂梁必須先在總拼線上與側圍焊接后，再將頂蓋上件并進行激光焊接，這時總拼線上工藝過程增多，占用了緊張的總拼線資源，對生產線布置要求較高，對場地的需求也高。

2.2 外觀顏值

從兩種技術的連接結構可以看到，電阻點焊結構有一凹槽（即流水槽），流水槽內有電阻點焊，由于點焊外觀一般不為客戶接受，因此需要在流水槽安裝一個飾條，以便遮擋點焊[如圖4（a）所示]，但這種方式會導致頂蓋與側圍連接處特征線較多，還要考慮飾條與前擋風玻璃的匹配程度，設計復雜，外觀較差。而且，客戶使用一段時間后，飾條唇邊、零件凹槽處會積聚灰塵、落葉、雜物等，唇邊、凹槽特征狹小，其中的污垢難以簡單清除，進而會使車輛外觀顯得臟、舊。激光釬焊則不存在上述問題，首先，頂蓋與側圍直接搭接，無飾條，沒有多余的零件，僅搭接處的一條特征線[如圖4（b）所示]，并且此特征線會由前擋風玻璃的下端一直延伸到頂蓋末端（即尾門處），整體結構簡單、自然、過渡平順，外觀極佳。其次，激光釬焊處外表面平整，不會藏污納垢，即使落有一些灰塵、雜物，只需簡單擦拭即可清除，方便客戶進行日常清理，也會讓車輛顯得光鮮、干凈。因此，從產品設計外觀到日常使用的外觀，使用激光釬焊的車輛外觀均遠遠優于電阻點焊。

2.3 焊接速度

電阻點焊為間歇焊接，焊接速度約1.9 m/min（焊點間距按80 mm，2.5 s焊1個焊點），激光釬焊速度為4.2m/min，相比而言，激光釬焊速度更快，生產工時更短，利于加快生產節拍。

2.4 焊接材料

當前，電阻點焊只能進行鋼與鋼的焊接，鋁與鋁的電阻點焊技術尚不成熟，在行業內僅有個別車企使用，鋁與鋁電阻點焊技術有帶極點焊（Delta Spot）和鋁點焊（Resistance Spot Welding of Aluminum）等，目前僅有“通用”“特斯拉”使用鋁點焊。因此，當前電阻點焊只能用于傳統的鋼車身。激光釬焊既可以連接鋼與鋼，還能連接鋁與鋁，既能用于傳統鋼車身，還能用于全鋁車身，因此采用激光釬焊技術對向全鋁車身發展的車企具備一定的兼容性。同時，電阻點焊焊接鍍鋅板較為困難，對工藝要求較高，而激光釬焊對鍍鋅板適應良好[4]。

2.5 單車成本

電阻點焊需要增加車頂飾條，約40元/臺車，在涂裝車間還需涂密封膠，約1.1元/臺車。激光釬焊無飾條，但需要消耗釬焊絲，約8.7元/臺車，綜合來看，采用激光釬焊，單臺車可以節約成本32.4元。

電阻點焊與激光釬焊在能耗成本、日常運行成本上也有差異，但總成本小。電阻點焊焊接頂蓋，耗電約0.48 kW/臺車，使用自來水冷卻，無保護氣體，激光釬焊耗電約0.04 kW/臺車（4 kW×36 s/3 600×2道），使用過濾后的純凈水，采用氬氣作為保護氣體。電阻點焊會消耗電極帽，平均損失0.48元/臺車。激光釬焊導電嘴不時需要更換，平均成本為0.004元/臺車，同時需要不時地更換防護鏡、光纖等。

2.6 固定投資

激光釬焊設備包含焊接系統、頂蓋拾取裝件系統、機器人系統、除塵系統、激光隔離房、集成費用、各類控制系統等，一條生產線需配置2套左右的釬焊設備，2套設備總采購價格為1 200萬～3 000萬元?！百e采爾”采購價約600萬元/套，“福尼斯”采購價約1 500萬元/套。電阻點焊一般需4套焊鉗，成本總共約52萬元。

2.7 生產線布置

激光釬焊需要專門的激光房，激光房一般布置在總拼線或者公共補焊線（如圖5所示）。布置在總拼線柔性較差，跨平臺車型無法兼容，但是距離側圍、頂蓋上件工位近，零件尺寸變異少，焊接精度高，產品質量好，布置在公共補焊線情況則相反。

3 技術風險

電阻點焊發展時間長，技術成熟，主機廠完全具備相關能力。激光釬焊作為近幾十年發展起來的技術，對主機廠的制造水平要求較高。

3.1 搭接精度

激光釬焊對零件搭接精度要求極高，一般要求搭接間隙為0.1～0.35 mm，間隙過大會導致焊釬熔料下沉，甚至掉落（如圖6所示）。由于激光釬焊搭接精度遠超電阻點焊的要求，因此原有方式已無法滿足激光釬焊的要求。行業內通常是在焊接時增加預緊夾具，把頂蓋壓向側圍，避免搭接離空，例如某公司采用一種琴鍵式夾板夾具固定頂蓋（如圖7所示）。

3.2 行李架安裝

電阻點焊結構的行李安裝在流水槽，與車內隔離。激光釬焊結構行李架必須安裝在頂蓋上，頂蓋開孔，車內提供行李架的支撐（如圖8所示）。首先，這種方式對行李架的密封性能要求高，必須增加防水墊圈，否則外界雨水滲透車內會引起嚴重的客戶抱怨。其次，必須保證支撐加強板與頂蓋之間的距離符合設計要求，距離波動不能太大，否則行李架在裝配過程中容易將頂蓋拉變形，導致外觀質量問題。最后，支撐加強板必須保證一定的剛度，其料厚、結構形狀需要進行認真設計和仿真分析，滿足行李架在使用過程中的承載要求，避免頂蓋變形過大或出現明顯凹陷的問題。

4 總結

相比電阻點焊方式，頂蓋與側圍的連接采用激光釬焊方式，頂蓋剛度高、外觀好，生產速度快，同時取消了車頂飾條和密封膠，單車成本減少約32.4元。但是，激光釬焊固定投資大，生產柔性差，對零件搭接精度高，生產上必須保證頂蓋與側圍間隙，同時要加強行李架防水處理。電阻點焊方式是車身連接傳統的生產技術，頂蓋采用此技術與已有的生產系統兼容性好，固定投資小，對生產精度要求低，但結構設計復雜，整車成本較高。

參 考 文 獻

[1]林平.激光釬焊在汽車行業的焊接應用[J].電焊機，2010，40（5）：39-44.

[2]Klaus LOEFFLER.The Latest Laser Applied Techno-logy of the Auto Industry in Europe on the Example of the Body in White Applications of the Volkswag-en Golf V[J].Journal of the Japan Welding Socie-ty. 2004，73（8）：547-550.

[3]王仁虎，王鏑，姜峻嶺.車頂激光釬焊連接結構設計方法研究[J].汽車與配件，2015（45）：80-83.

[4]谷亞飛.鍍鋅鋼板的激光釬焊工藝及缺陷抑制機理研究[D].武漢：華中科技大學，2014.