激光焊接技术在汽车工业中的应用及发展前景 - 葛宜银讲解

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专 题 报 道 1 前言

世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。40多年来，激光技术已在多个学科领域得到了大量的应用，如航空航天、造船、核能、汽车等。尤其是在新型汽车生产中，具有更加光明的应用前景。目前，汽车工业是激光加工的第二个应用领域，约占激光加工的15%份额。在国外发达国家的汽车制造中，有50%~70%的零部件采用了激光加工工艺，如激光切割、激光打孔、激光焊接、激光标识等。

相对于普通的汽车连接方法，激光焊接的主要优点如下。

（1）与传统焊接装备相比，激光焊接速度高，单位时间熔化面积大，焊接效率高，自动化程度高，可以减少再加工的费用。因此考虑到运行成本，激光焊接还是比较经济的焊接方法。

（2）焊接时不用焊条或填充材料，可以得到无杂质、无污染的焊缝。 （3）激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在力学 激光焊接技术在

汽车工业中的应用及发展前景

随着汽车产业的升级和激光技术的发展，激光焊接技术在汽车制造中得到越来越多的应用。本文介绍了激光焊接、激光拼接、激光复合焊接和激光钎焊在汽车生产中的应用现状和发展前景。

奇瑞汽车股份有限公司 葛宜银

性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。

（4）激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。与真空电子束焊接相比，具有不需要真空室、不产生X 射线等优点。 现代汽车发展的趋势之一是轻量化。为了达到这个目的，一方面可以采用密度比较小的铝（镁）合金或者强度比较高的高强钢代替普通钢，另一方面就是采用新的加工工艺减轻质量。目前，汽车工艺主要的连接方法为电阻点焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。当采用铝（镁）合金或高强钢作为车身材料的时候，这些方法将不再适用。如铝（镁）合金的点焊、熔化焊的焊接性很差，很难保证得到合格的接头，当采用薄的高强钢代替普通钢的时候，目前的连接工艺将难以保证整体结构的稳定性，而激光焊非常适合新的车身材料。同时，采用激光焊不需要添加焊接材料，能减轻车身质量，并且具有更强的结合强度。

2 激光焊接方法 2.1 激光焊接

激光焊接在汽车制造中的应用

始于变速器的齿轮焊接。在汽车变速器齿轮的设计制造中，为了减轻齿轮质量，减小体积和加工难度，节约原材料，发达国家已将整体加工的齿轮组或齿轮轴改为分体加工，然后将两部分焊接在一起，形成一个整体。20世纪80年代末，克莱斯勒公司的Kokomo 分公司购进9台6 kW CO2激光器，用于齿轮激光焊接，生产能力提高40%。20世纪90年代初，美国三大汽车公司投入40多台激光器用于传动部件焊接。

另外，随着新型铝、镁等轻质材料在汽车中的广泛应用，传统的点焊方法已经不能适应新型材料的连接要求。一方面，铜电极会和铝、镁元素形成金属键化合物，影响电极的使用寿命；另一方面，铝、镁合金表面的氧化膜也影响点焊接头质量，故激光焊接代替点焊也是汽车制造的发展趋势。目前，激光焊接技术已成为汽车工业的标准工艺，是汽车制造生产中最主要的焊接方法之一。2.2 激光拼焊

汽车车身部件生产的传统工艺是先冲压后焊接。新的工艺方式则将

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这种顺序颠倒过来称为“拼焊”，即将不同厚度和不同性能的钢板冲裁后拼焊起来，然后冲压成形。采用拼焊钢板可以按照汽车的不同部位对应采用不同的板材，更好地发挥其作用。

激光拼焊是当今世界最先进的轿车车身制造技术，以激光焊接不同厚度、不同涂层、不同材质的钢板，然后冲压成形，因此激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、减轻零件质量、降低成本和提高尺寸精度、增加抗冲击防撞性等优点。采用此项技术可以使生产成本降低15%。

最早应用此项技术的为1985年Audi 100的底板拼焊。日本丰田汽车公司的侧围生产线采用拼焊板后，模具由20副减少到4副，材料利用率由40%增加到65%。在20世纪90年代中期，BMW 公司利用激光焊接机器人完成了BMW5系列轿车的第一条焊缝，焊缝总长度达12 m。目前，国外发达汽车生产厂家已经广泛采用这种生产工艺，而国内汽车厂商如大众公司、通用公司、奇瑞公司等已经或者计划采用这种技术。

2.3 复合激光焊接

目前，激光复合焊接技术主要为激光-电弧（TIG 、MIG ）复合。德国大众的材料专家认为，与纯激光焊接技术相比，利用激光混合焊接技术可大大提高钣金件缝隙的连接能力，从而使大众公司可以更加充分地利用激光高速焊接时电弧焊接的工艺稳定性。同时，采用激光复合焊接技术具有非常快的焊接速度，如激光-MIG 复合焊接最大焊接速度可达9 m/min。

激光焊缝最明显的特征是具有很

高的深宽比。激光焊的热影响区非常窄，焊缝的深宽比很高，但由于焦点直径很小，所以焊缝桥联能力很差。而电弧焊则是通过弧柱传输能量。电弧焊的特点在于电源成本低，焊缝桥联性好，易于通过填充金属改善焊缝结构。但电弧焊的能量密度比较低，加热面积较大，焊接速度相对较低。Laser-Hybrid 激光复合焊技术是两种焊接方法同时作用于焊接区，除了电弧向焊接区输入能量，激光也向焊缝金属输入热量。激光-MIG 焊采用激光束和电弧共同工作，焊接速度高，焊接过程稳定，热效率高，以及允许更大的焊接装配间隙。

目前，激光复合焊接技术已经在汽车生产中得到广泛的应用。大众的Phaeton D1所有车门都采用激光-MIG 复合焊。另一个应用实例是BMW5系列的铝合金隔板，采用这种激光混合焊接技术与内高压变形加工的铝合金支架焊接在一起。BMW 公司采用了双焦点激光焊接技术。该技术在铝合金材料的焊接过程中有很好的性能，因此广泛应用于BMW 公司的大批量生产中。另外，新型奥迪A8轿车侧顶梁上有各种规格和形式的接头，就是采用激光-MIG 复合焊工艺，焊缝共计4.5 m 长。激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如，复合焊在焊接Phaeton 车门对接接头时，焊接速度在1.2~4.8 m/min都是可行的。德国大众汽车工程公司的T.GRAF 等人开发了用于汽车车身制造的激光-MIG 复合焊接机头。该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各方向上的调节精度达到0.1 mm 。

为了在保证强度的同时能减轻

车门的质量，大众公司的车门通常由经冲压、铸造和挤压成形的铝件加工而成。车门的焊缝总长4 980 mm ，现工艺是7条MIG 焊缝(总长380 mm，11条激光焊缝(总长1 030 mm ，48条激光-MIG 复合焊缝(总长3 570 mm。2.4 激光钎焊

随着车身件制造及装配精度的提高，以及用于车身表面覆盖件连接的激光钎焊技术的出现，车顶盖激光焊接逐渐被激光钎焊所取代，车顶激光钎焊也成为可直接在车身表面实施连接的新技术（奔驰公司在C 级车后立柱上采用了激光填丝焊接，也属于少数车身表面焊接技术之一）。目前，德国大众汽车公司的车顶焊接几乎全部是激光钎焊，车型包括Golf5、新Audi A6、MAGOTAN 等。激光钎焊于1998年最早用在大众公司生产的Bora 车身覆盖件——行李箱盖的表面连接。至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的一个典型应用，广泛用在德系车上，近年来在一些美系车上也可看到。

3 结束语

与欧、美、日本等发达国家相比，我国的激光焊接技术，尤其是通用激光焊接设备制备与发达国家的差距还很大。我们一定要抓住机遇，提高激光技术在汽车制造中的

车门的质量，大众公司的车门通常由经冲压、铸造和挤压成形的铝件加工而成。车门的焊缝总长4 980 mm ，现工艺是7条MIG 焊缝(总长380 mm，11条激光焊缝(总长1 030 mm ，48条激光-MIG 复合焊缝(总长3 570 mm。2.4 激光钎焊

随着车身件制造及装配精度的提高，以及用于车身表面覆盖件连接的激光钎焊技术的出现，车顶盖激光焊接逐渐被激光钎焊所取代，车顶激光钎焊也成为可直接在车身表面实施连接的新技术（奔驰公司在C 级车后立柱上采用了激光填丝焊接，也属于少数车身表面焊接技术之一）。目前，德国大众汽车公司的车顶焊接几乎全部是激光钎焊，车型包括Golf5、新Audi A6、MAGOTAN 等。激光钎焊于1998年最早用在大众公司生产的Bora 车身覆盖件——行李箱盖的表面连接。至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的一个典型应用，广泛用在德系车上，近年来在一些美系车上也可看到。

3 结束语

与欧、美、日本等发达国家相比，我国的激光焊接技术，尤其是通用激光焊接设备制备与发达国家的差距还很大。我们一定要抓住机遇，提高激光技术在汽车制造中的

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