激光焊接在白車身制造中的應用和發展

董功杰 王曉雋 陳聰 段宇 廖愷欣 杜晨輝

（北京奔馳汽車有限公司 車身與噴漆規劃部，北京100000）

1 前言

激光技術歷經了50多年的發展與積累，在材料加工、醫療、通訊、尖端武器等領域均備受青睞。其中激光焊接技術以其能量密度大且集中、熱輸入小、高度自動化、加工效率高等無可比擬的優勢，在汽車制造業尤其是白車身制造中廣泛應用。以激光熔焊、激光釬焊為代表的先進連接技術，在北京奔馳汽車有限公司國產化車型（A-L class、C-L class、E-L class、GLA、GLB、GLC-L、EQC）上，廣泛用于白車身底板前端、側圍門檻、側圍后輪罩、車門、行李箱蓋、后圍板等零件的焊接，在極大地加快加工效率，增強連接強度的同時，也顯著地提升了整車美觀性。

2 激光焊接工藝綜述

2.1 激光焊接工作原理及分類

激光焊接是一種以激光束為熱源，通過光學系統傳導、聚焦在待加工板材、釬料的局部區域，在極短的時間內形成一個能量高度集中的熱源區，板材或焊絲迅速熔化、冷卻，最終形成冶金結合實現母材連接的工藝。

根據加工過程中是否需要添加釬料，廣義的激光焊接可分為激光填料焊接和激光非填料焊接兩種，如圖1所示。激光非填料焊接過程中，通過母材本身的熔化實現連接，母材本身具有較好的親和性，不需要添加輔助焊料，目前北京奔馳汽車有限公司采用德國Trumpf公司開發的IPFO-3D智能可編程偏振鏡頭實現該工藝。激光填料焊接過程需要添加焊料，通過焊料的熔化、浸潤或焊料和母材的共同熔化實現連接，焊料起到橋接或提升母材的可焊性的作用，目前北京奔馳汽車有限公司采用德國Scansonic公司開發的ALO3釬焊頭實現這一工藝。

圖1 奔馳車型在用激光焊接技術分類

2.2 激光焊接工藝特點及優勢

2.2.1 提高加工效率

激光焊接屬于單面加工，能夠實現非接觸式焊接，相比于點焊、鉚接工藝而言，具有更好的可達性；同時焊接系統自動化程度高，以激光飛行焊為例，在機器人姿態保持不動的前提下，偏振鏡頭可通過偏振鏡片的疊加運動便可完成一定區域內復雜形狀焊縫成型，在焦距為450 mm時，智能可編程序聚焦鏡頭（Intelligent Programmable Focusing optics，IPFO）的可加工范圍為320 mm×190 mm的橢圓，加工效率極高，生產節拍提升30%以上，尤其適用于汽車行業的大批量生產制造。

2.2.2 降低車身質量

激光焊接能突破傳統焊接、鉚接工藝對可達性、有效搭接寬度的工藝限制，可以實現更窄的法蘭邊焊接，使得產品設計更為靈活，以簡化車身結構設計，有效降低白車身整體質量。

2.2.3 提升整車品質

激光焊接通過能量密度高且集中的激光束實現非接觸式加工，母材熱影響區小，焊縫深寬比大，焊縫表面成形狀態好。在增強連接強度、防腐性能的同時，整車面品質量得到有效提升[1]。

2.2.4 降低單車成本

以激光釬焊工藝為例，得益于高品質的焊縫質量，頂蓋-側圍搭接位置的結構膠、密封裝飾條可以取消，同理，行李箱蓋上下板連接處的結構膠、密封膠以及鍍鉻裝飾亮條也可以省去，兩組密封條和一組鍍鉻亮條的成本在40元以上，大大降低單車成本。

2.3 激光焊接質量標準和控制思路

為保證激光焊接產品質量穩定，北京奔馳汽車有限公司制定了嚴苛、精細的產品質量標準，并結合自身先進的質量控制體系，多環路、多方法地進行過程監控、產品檢驗，以杜絕缺陷品的產生甚至流出。

2.3.1 質量標準

激光焊接衍生出的工藝形式多種多樣，但各工藝的產品質量標準均從以下3個核心要素出發：強度、面品和密封性。不同的是，結合激光焊接工藝應用位置的不同，同一質量要素有不同等級的評價標準，就激光釬焊工藝而言，端部凹坑對于非外觀零件屬于可接受缺陷，但出現在外觀零件上則是不允許的。

連接強度是激光焊接最重要的質量要素，也是保證整車強度、剛度的基礎。與電阻點焊類似，通過評價待連接母材之間的有效連接來衡量連接強度是否合格，假設母材在受到外力拉拽后，極限情況下，有效連接（焊核）的斷裂應后于母材本身的斷裂，則連接接頭合格（表1）。

表1 激光焊接強度評價準則

面品指的是焊縫表面的成形狀態，常見的焊縫面品缺陷有孔洞、飛濺、波浪、裂紋、凹坑、燒傷等，如圖2所示。焊縫表面質量不好，一方面會影響客戶對可視零件的感官體驗，另一方面也會影響后續零件的裝配工藝。

圖2 激光焊接常見的表面質量缺陷

密封性要求需要結合焊縫應用的具體位置來綜合判斷，比如行李箱蓋外板的激光釬焊應用，有嚴格的密封性要求，以避免雨水等液體進入行李箱蓋內部，相應地，焊縫處的孔、洞缺陷是不可接受的。

2.3.2 質量控制

北京奔馳汽車有限公司結合自身完善的質量反饋環控制體系，通過設備監控、人工目視檢驗、質量部破壞性試驗、其它實驗相結合的方案，多種手段以不同的頻次來進行過程、產品檢驗，實現穩定的質量控制，見表2。

表2 激光焊接工藝質量要素及控制方案

3 激光焊接在北京奔馳的應用現狀

3.1 激光焊接應用綜述

21世紀初，以奔馳、寶馬、奧迪、大眾等為首的德系品牌汽車制造商，率先在國內合資公司的車身制造領域應用激光焊接工藝，如圖3所示。伴隨著汽車行業的蓬勃發展，激光焊接工藝不斷創新和成熟，以激光釬焊、激光熔焊為代表的先進連接工藝已成為當前各大主機廠焊裝車間的標配解決方案和技術亮點。

圖3 激光焊接在白車身制造領域的常見應用

同樣，激光焊接技術在北京奔馳汽車有限公司各款國產化車型上也應用廣泛，如表3所示，以全新一代E class-L轎車為例，白車身上激光焊縫達422條，總長度超過為10.5 m，使得車身強度、整車美觀性大大提升，鑄就了國產化車型旗艦轎車的卓越品質。

表3 激光焊接在北京奔馳各車型白車身上的應用

3.2 激光釬焊應用

3.2.1 工藝特點及應用

激光釬焊是激光填料焊接工藝的一種形式，焊接工藝過程中添加釬料，釬料熔化、鋪展、浸潤實現母材之間的連接。車身外覆蓋件多為鍍鋅鋼板，當激光束聚焦在鋼件母材和Cusi3焊絲上，一般激光束光斑的直徑約為焊絲直徑的2倍，鋼板的溫度迅速升高（Fe的熱吸收率為30%，Cu的吸收率為5%）并傳導至焊絲，當鋼板溫度升高至907℃近時（Zn的沸點），鍍鋅層開始氣化，溫度升至1 000℃時（Cusi3的熔點約為1 000～1 080℃附近）焊絲開始熔化并浸潤、鋪展至鋼板上，冷卻后迅速凝固形成連接，而整個過程中鋼板并未熔化（Fe熔點為1 538℃）。該工藝在具備良好的搭橋能力的同時，還能實現極其美觀的表面質量[2]。

目前該工藝主流的應用位置為行李箱蓋外板上-下連接、側圍-頂蓋連接、流水槽-側圍連接。相比較于點焊工藝而言，激光釬焊的應用，既能解決焊接可達性較差的問題，還能通過省去密封膠、結構膠、裝飾條的投入，來降低整車成本，最為關鍵的是可以得到完美的外觀質量。因此，尤其適用于焊點密集、可達性差、并且有密封和外觀要求的連接部位。

3.2.2 產品設計

激光釬焊工藝常見的焊縫類型有對接和角接兩種，見表4所示，對于整車可直接目視部位，應盡量避免角接結構設計。

表4 激光釬焊焊縫產品結構設計

由于激光釬焊工藝屬于單面、接觸式加工，因此連接部位的產品結構設計應在滿足造型要求的前提下，考慮以下設計要求。

a.搭接面的強度要求；

b.工裝夾具對連接部位的夾持面及公差需求；c.焊縫成形后的外觀要求；

d.釬焊頭在焊縫正面的通過性要求。

以下以C-class系列車型行李箱蓋總成角接焊縫為例進行說明，見圖4。

圖4 C-class車型行李箱蓋角接焊縫設計

a.Ls_min代表最小夾緊塊寬度，建議為3 mm;

b.Lf_min代表母材最小有效搭接寬度，建議為5 mm;

c.Lfu_min代表最小焊接面寬度，建議為4 mm。

因此，常規情況下，角接焊縫上層板材法蘭邊最小寬度為6 mm，下層板材法蘭邊最小寬度為9 mm。

3.3 激光飛行焊應用

3.3.1 工藝特點及應用

激光飛行焊是非填絲熔焊工藝的一種，屬于單面、非接觸式加工。激光束聚焦在母材本身，母材熔化、冷卻、凝結形成冶金結合。該工藝加工速度極快，搭接面需求小，焊縫深寬比大，熱影響區較小。適用于密集、重復性的連接點區域，有效解決了法蘭邊窄、焊槍可達性較差等問題，但不建議在整車外觀件應用。該工藝對鋼件、鋁件均有良好的焊接性能。目前北京奔馳汽車有限公司白車身應用激光飛行焊的零件有6種，如表5。

表5 激光飛行焊工藝在E-class白車身應用一覽

3.3.2 產品設計

得益于Trumpf-IPFO-3D偏振鏡頭，使得飛行焊焊縫設計較為靈活。目前白車身上常見的焊縫樣式有I形、C型、樣條型3種，如圖5所示，理論上焊縫形狀越復雜，連接強度越好，但相應的搭接邊寬度也越寬。因此，在法蘭邊較窄的部位常采用I型焊縫設計，如車門窗框區域；在法蘭邊寬度較為靈活的部位常采用C型焊縫設計以進一步提升連接強度，比如側圍門檻區域。

圖5 白車身常見激光飛行焊焊縫形狀

焊縫尺寸和最小搭接邊寬度是激光飛行焊產品結構設計時的重要參數，尤其在汽車輕量化趨勢下，期望在工藝可行性的前提下實現最窄的法蘭邊設計。

a.焊縫尺寸。I型焊縫常見的尺寸為1 mm（寬度）×20 mm(長度)；C型焊縫常見的尺寸為5 mm(寬度）×12 mm（長度）。

b.搭接邊的最小寬度。搭接鍍鋅鋼板在熔焊時，母材在熔融狀態下，鋅蒸汽的汽化逃逸，會造成氣孔、凹坑、飛濺等質量缺陷，因此在激光飛行焊工序之前，通常涉及凸點工序，在母材之間創造（0.15±0.05）mm的間隙，作為鋅蒸汽的自由逃逸通道。由于凸點工藝的設計，焊縫鍍鋅鋼板搭接法蘭邊的最小有效搭接寬度至少為5 mm以上，見圖6、圖7。

圖6 激光飛行焊和凸點工藝

圖7 I型焊縫法蘭邊寬度示意

4 激光焊接技術的前瞻發展動態

近年來，在白車身輕量化發展的趨勢下，越來越多的鋁合金零件在白車身上應用；同時伴隨智能制造、工業4.0的發展契機，各主機廠對高效、優質、智能的連接工藝技術不段追求和探索，使得激光焊接技術在白車身制造領域不斷創新，持續拓展應用邊界和應用深度，呈現出百花齊放的狀態。

4.1 連接工藝探索出新

在傳統填絲焊接、非填絲熔焊工藝的基礎上進行演變、創新，配合產品設計的優化，發掘探索多樣化的應用場景、應用形式。

4.1.1 車門窗框-角接激光飛行熔焊

鋁合金零件在車門總成上的應用，由于鋁合金材料更為活潑，傳統的激光飛行焊并不適用窗框位置的焊接，會帶來嚴重的焊縫凸起、飛濺、凹坑等質量缺陷。在此背景下，角接激光飛行焊成為車門窗框焊接的最佳解決方案，通過產品設計優化改搭接結構為角接結構，配合工藝技術的創新，能在保證連接強度的基礎上，獲得良好的表面質量，并通過縮短法蘭邊寬度進一步降低整車質量，助力汽車輕量化，見表6。

表6 車門窗框連接工藝對比表

目前該工藝在豪華品牌車型率先應用，比如奧迪A6L、寶馬5系、奔馳C級和E級的車門窗框位置。

4.1.2 頂蓋側圍-角接激光深熔焊

當前激光釬焊工藝在頂蓋-側圍位置的應用已成為大眾、奧迪、通用等車企的標配，鑒于該工藝對尺寸精度要求高、調試工作量大等特點，以沃爾沃為代表的車企，在該領域開發并應用了角接激光深熔焊工藝。該連接工藝改卷邊對接產品結構為角接設計，采用Permanova熔焊激光頭，搭配壓力靈活可調、隨行的單壓輪單元完成對焊接母材的夾緊，加上非接觸式光學焊縫跟蹤系統實時識別焊縫位置，見圖8。該工藝應用有以下顯著優勢。

圖8 側圍-頂蓋角接激光深熔焊示意

a.縮短法蘭邊寬度，降低整車質量；

b.不需要高精度的頂蓋-側圍卷邊對接尺寸要求，產品容差大，調試難度低；

c.沒有復雜的頂蓋定位夾緊工裝，省去焊接前清擦工藝，焊接過程中不添加釬料，大大降低了工程投入和運營成本。

4.1.3 車門折邊-激光填絲熔焊

通常，車門四周采用傳統的折邊工藝進行連接，內外板連接前涂敷折邊膠提升連接強度，采用機器人滾邊、模具壓邊或專機包邊的形式完成外板對內板的包覆成型。該種工藝外表面質量相對不穩定，且在折邊工藝后需考慮復雜的防竄動工藝（單邊焊、感應加熱、CMT++焊接等）來保證內外板間的相對尺寸，加上鋁合金零件的折邊性能差，易出現開裂問題，目前寶馬、奔馳等豪華品牌創新開發并應用激光填絲熔焊在鋁合金車門折邊位置。首先對外板進行預折邊變形，然后在內板和外板形成的角接焊縫位置添加釬料進行熔化焊接，如圖9所示。該工藝能夠省去折邊膠、折邊、防竄動等復雜工序的同時，能夠獲得良好、穩定的外表面質量。

圖9 車門折邊激光填絲熔焊應用示意

4.1.4 激光熔焊工藝多種創新應用

激光熔焊工藝以其不添加釬料、掃描范圍大、非接觸加工等優異特點，成為各主機廠創新開發、拓展應用場景的首選對象。針對焊點規律、密集且可達性差的位置，各主流汽車廠商嘗試并開發多種新型激光熔焊工藝，既能有效提升加工效率，也能降低工裝夾具的復雜程度，最重要的是能夠提升整車輕量化水平，如表7所示。

表7 創新激光熔焊工藝應用一覽

4.2 激光技術不斷進步

4.2.1 三光斑激光釬焊

隨著熱鍍鋅鋼板在白車身上的廣泛應用以進一步提升整車的防腐性能，激光釬焊工藝應用時，靠近接頭部位的微小污漬會帶來嚴重的焊接后微波問題，噴漆后清晰可見。自2016年開始，由大眾公司和Laserline合作開發，在Scansonic AL03釬焊頭的旋轉軸后安裝“質均化模塊”，將原本Laserline激光器傳導的單束激光束，通過質均化模塊，轉換為1個主光斑-矩形光斑，左右各1個前光斑-圓形光斑。兩個前置圓形光斑可稱之為剝蝕光點，對兩側待連接的熱鍍鋅鋼板進行表面預清潔，清除表面油污、污漬，并預熱母材，在改善釬料的流動性的同時，能夠得到更潔凈的成形狀態，有效降低微波、飛濺和凹槽問題，緊跟其后的主光斑-矩形光斑負責完成主要的釬料熔化、連接工作。

針對不同的產品結構設計，為保證釬焊的質量和穩定性，通過“質均化模塊”，一方面可以精確調整兩個前圓形光斑和主矩形光斑的相對位置；另一方面可以合理分配三個光斑的能量配比。因此該方案也成為解決熱鍍鋅鋼板激光釬焊的首選方案，如圖10所示。

圖10 三光斑激光釬焊工藝示意

4.2.2 擺動焊接

擺動焊接是基于激光非填絲熔焊在角接焊縫應用場景下的技術革新。由于沖壓件尺寸的不穩定性、工裝夾具的定位波動、制造過程中的誤差等因素，角接板材之間不可避免地會出現板材間隙、焊縫位置波動等情況，造成焊接之后出現氣孔、熔深不足、連接強度不足等問題。

目前主流的激光飛行焊3D掃描振鏡，通過一組可移動（控制焦點Z向）、兩組可轉動（控制焦點X、Y向）的振鏡實現3維空間的自由加工。在角接焊接過程中，采用光學焊縫跟蹤系統掃描焊接位置，在獲得板材間隙數據結果后，通過軟件控制自動調整Y向振鏡的擺動振幅（采用模擬量控制0～10 V）和擺動頻率（5～500 Hz之間），來克服板材之間的間隙（一般應小于0.5倍的板材厚度），擴大母材本身的熔化面積，同時攪動熔池促進熔融物與母材形成冶金結合，有效保證焊縫接頭的強度和面品質量。實驗證明，該項技術還能夠進一步降低焊接氣孔和飛濺的產生，如圖11所示。

圖11 擺動焊接在角接焊縫應用示意

目前擺動焊接技術已成為奔馳、寶馬、奧迪鋁合金車門窗框部位的角接激光飛行熔焊工藝中的標配技術，并在電池托盤、發動機零部件的角接接縫焊接中應用廣泛。

4.2.3 激光功率自適應調整

在角接激光飛行熔焊工藝應用下，如果采用傳統的常量功率輸出，由于角接結構獨特的產品特點，功率過小則連接強度不足，功率過大則會出現熱影響區過大、下層板熔透甚至熔斷的缺陷產生。通過采用功率自適應調制模塊，在擺動焊接的截面方向上配合靈活、恰當的激光功率，一般情況下，激光功率輸出與理想狀態下熔融截面的Z向高度成正比，來獲得理想的熔融連接接頭且不損傷母材本身，如圖12所示。

圖12 激光功率自適應調整焊接對比圖

4.3 檢測技術同步發展

將焊接工藝過程分為焊前、焊中、焊后3個階段，各階段分別有產品測量、過程監控、質量檢查的工藝需求，如圖13所示。工藝規劃階段，需要通過充分考慮不同階段的不同需求，以最經濟的成本投入，最簡化、集成化的系統設備組合，實現焊接過程的柔性化、數據化、智能化。

圖13 激光焊接過程的工藝需求

4.3.1 焊前產品測量

由于單件的沖壓誤差、制造過程的不穩定性等因素，待連接焊縫的狀態是不穩定的，通過采用不同的焊縫跟蹤手段，識別待連接接縫的實際位置，測量母材的變形狀況和母材之間的間隙，然后系統調整激光的聚焦位置、功率、擺動幅度或頻率等，實現自動補償。目前主流的測量跟蹤手段有以下兩種。

a.填絲焊接-接觸式機械焊縫跟蹤。接觸式跟蹤系統是Scansonic公司的專利產品，利用焊絲做機械式傳感器并自動補償。焊絲沿焊接方向行進，接縫位置的微小變化體現在焊絲接觸受力的不同，通過ALO3釬焊頭上的偏擺臂實現焊接側向補償（±90°），伸縮臂實現焊接高度方向的補償（±5 mm）。

b.角接非填絲熔焊-非接觸式光學焊縫跟蹤。基于光學三角測量原理，在3D偏振鏡頭上集成激光傳感器、焊縫跟蹤攝像頭，投射激光束經工件表面反射，由攝像頭進行收集成像，通過坐標變換計算得到焊縫截面的2D截面，也就得到了焊縫的實際位置、母材之間的實際間隙，并將該數據自動補償，自適應調節工具中心點位置，并且根據焊縫間隙變化調節焊接速度、激光功率和振鏡擺幅等參數，見圖14。

圖14 非接觸式光學焊縫跟蹤示意圖

4.3.2 焊中過程監控激光焊接過程中通過記錄焊接工藝微觀過程，同步對過程參數進行記錄、監控，有利于調試階段參數優化、量產階段質量問題分析。

以激光釬焊工藝為例，北京奔馳汽車有限公司選配了Weldeye過程監控系統，將照明、攝像、控制模塊集成在ALO3釬焊頭上，實現一體化集成設計，通過高速高清相機清晰拍攝焊接反應微觀過程，并同步記錄下焊縫編號、零件編號、激光功率、送絲速度、焊接位置等參數，實現焊接參數、焊接過程的同步可視化，如圖15所示，既能夠識別焊接過程的孔洞、漏焊等缺陷，也能在缺陷發生后進行過程和參數重現，大大縮短了問題、故障的分析解決時間。

圖15 激光釬焊Weldeye工作示意圖

4.3.3 焊后質量檢測

針對不同類別的連接工藝以及不同的質量要素要求，目前行業內呈現出多種高效的解決方案，能夠對焊縫的連接強度、密封性、表面質量進行有效的在線監控，提升生產線的自動化水平的同時，能避免不良產品流入下道工序，同時為工人返修提供直觀便捷的指導。

a.激光飛行焊。一般情況下，激光飛行焊工藝并無密封性和目視質量要求，因此該工藝的質量檢測集中在強度要素上。目前北京奔馳汽車有限公司采用德國Hema公司開發的Visir(鋼件應用)和Visal(鋁件應用)產品對激光飛行焊進行焊后拍照檢查，通過拍攝焊縫的紅外熱影響區，與理論焊縫形狀進行比對，識別并預警強度缺陷。目前行業內涌現出其他兩類主流解決方案。

Precitec公司開發的LWM產品，收集焊接過程的等離子云、激光束反射、熱反射三類過程參數信息，與批量合格產品的過程參數進行差異性對比，間接監控焊縫的強度。

基于相干干涉成像技術，測量激光束可以直接測量焊接匙孔的底部深度，即直接測量熔深數據，目前IPG公司開發的LDD-700屬于該類型的代表產品。

b.激光填絲焊接。針對該工藝在白車身上應用位置的不同，成品零件對強度、表面、密封性有不同的質量要求。目前行業內涌現出的多種填絲焊接焊后檢測方案，但均未解決強度要素的測量，即無法測量釬料橋接接頭的截面輪廓。各檢測系統的核心思路大體一致，基于光學三角測量原理，激光束掃描待測量焊縫獲得外表面輪廓的2D成像，在連續、多幀、勻速的2D成像技術上，通過輪廓拼接技術生成3D圖像。與標準焊接截面進行差異性比對，能夠識別飛濺、凹坑、孔洞、過切、凹槽等表面質量及密封性缺陷。北京奔馳汽車有限公司批準采用的填絲焊接檢測系統有兩種：EHR Tivir和W+R Ro?biscan系統，其中HER Tivir系統基于透射光原理能夠高效、精確地進行密封性檢查，如圖16所示。

圖16 EHR基于透射光原理進行密封性檢查

5 結束語

一方面，在汽車電動化、輕量化的發展趨勢下，更多鋁合金材料應用、更加靈活簡潔的產品結構設計出現在白車身上；另一方面，國家大力發展智能制造、制造業升級，推動制造技術的智能化、柔性化、綠色化發展。這無疑對相應的連接技術在可行性、經濟性、高效性、智能化和質量保證等方面提出更高、更嚴苛的訴求，而激光焊接技術歷經40多年的積淀、發展，伴隨著工藝設計、激光技術、檢測技術的不斷創新和進度，成為此背景下的優異解決方案，不斷拓寬應用場景和應用深度，將在白車身制造領域扮演越來越廣泛、越來越重要的角色。