新车身材料的连接

        镀锌钢板的零缝隙激光焊接技术已经走向成熟，车身车间做好准备了吗？

        

        使用激光来制造车身的想法出现于1970年代，最初是作为福特汽车公司研发小组概念开发工作的一个部分。1 从当时起，激光焊接在白车身组装加工中的优势得以被更好理解，大部分汽车OEM厂商学习，研究这一技术并进行了成功的生产应用。

        BIW（白车身）激光焊接所具有的优势和带来的机遇有：显著的产品提升，如车辆的强度，设计柔性，尺寸控制，以及重量降低；此外还有生产率提升和成本降低。

        和目前使用的电阻点焊（RSW）工艺相比，激光焊接的经济可行性已经通过不断增加的遍布欧洲、日本以及美国的白车身激光焊接应用得到证明。10 然而，焊接质量的限制和工装及工艺成本仍然阻碍着激光焊接在汽车车身车间的广泛应用。一旦这些挑战被消除，激光将为汽车车身设计和制造的方式带来革命。

        

        挑战

        目前用于车身构造最常见的材料是镀锌钢板，最普通的连接形式是叠焊。激光焊接镀锌钢板时出现的问题是在进行叠焊设置时界面上无间隙控制，这将导致锌蒸汽挥发产生气孔和飞溅。这种蒸发主要由于锌的沸点(~906℃) 和钢的熔点(~1500℃)之间的显著不同，这样如果气体无法排出的话，将使产生的锌蒸汽被包裹在熔融的焊接池中。

        在早期，主要的挑战是如何在镀层钢板上产生高质量的焊点，从而免去特殊工装或预处理带来的额外成本，进而确保经济上的可行性。

        出于这一原因激光技术在车身车间获得认可的速度还很慢。而且，还有诸如投资额高，熟练工人的缺乏和对改变的抗拒想法使其应用进程受到了推迟。

        由于镀层钢板良好的耐腐蚀特性，使其在汽车车身构造中得到了广泛应用，任何的技术解决方案应该紧随锌镀层的出现，满足汽车设计者所要求的各种类型的涂装要求，同时必须保证在供应钢材的公差范围之内。

        目前车身激光焊接应用中的主要方法包括了：跨表面的缝隙控制，涂层类型及厚度控制，或者表面预处理技术。总的来说，当中的每种方法都存在缺陷。

        最常用的缝隙控制方法需要复杂的工装/夹具，这样会增加成本并对设计带来限制，原因是会带来路径要求。此外，缝隙控制方式对于缝隙的变化非常敏感，这样使得这一过程并不稳定，从而产生焊接质量问题。尽管存在这些困难，目前欧洲的大部分生产应用中都用到了控制缝隙的方法，而且良好的工装库也基于这种方法得到了建立。

        第二种方法的实现会限制以下几种钢板的应用：未涂层的钢板、单面涂层钢板、较薄的钢板和特殊涂层钢板。这些会导致设计及选材的局限性，也会影响到抗腐蚀性能。

        最后，钢板焊接界面预处理技术被证明为是一种可行的，牢固的技术解决方案，但极少有人愿意采用，因为它成本太高，加工时间也太长。

        

        技术发展

        随着对涂层钢铁焊接性的技术挑战有了全面的认识，以及了解到找到一种牢固的解决方案的重要性，Daimler Chrysler的Chrysler集团内部通过数年努力，找到一种可行的生产方式，即研发出一种先进的焊接加工技术，能适用于白车身和整车生产的应用。

        对以往工作的总结清楚地说明方便的单光束焊接存在着严重的局限性，需要上面我们谈到的降低成本的解决方案之一。过去研究刊物所讨论的各种解决方案也存在一些不足和限制，比如：激光烧花表面预处理，椭圆光束，界面插入铜箔，以及双光束。

         图1 二次开发的双光束激光

焊接头和引导光束相互配合。

        零缝隙激光焊接

        表面预处理及添加材料的运用并不适合大量生产，作此决定主要是为开发出最好的匙孔几何形状以便能疏散锌气体。Chrysler集团参与了双光束零缝隙激光焊接技术的研发——这是由EWI 集团赞助的项目，于2001年完成，其间研究了一组平行的双光束，它们具有相同的功率和直径。但公布的结果即没有被完全了解，用于生产应用也不够稳定。为此，Chrysler开始自主研发一种合适的建模方法，它基于对过程物理学的根本了解。这将有助于了解激光束对材料及涂层的作用，它基于不同加工参数组合的匙孔剖面图的预测，以及对锌气体泄漏疏散机制的评估。建模结果通过一系列试验得到验证，由建模得到的结论也被用于设计实验加工参数，以期获得更大的焊接窗口。

         图2 通过二次开发焊接头得

到的0.76mm/0.76mm/0.76mm

HDG DQSK钢焊接的截面

        技术里程碑

        上述所谈到的创新方法最开始用于深入分析EWI——GSP研究结果，它揭示出在两个平行结构的双光束例子中，两个光束具有相同的能量和直径，引导光束一定比尾随光束能量更大。能量消耗作为每束激光穿透深度的函数曲线已在图表1中显示。我们可注意到引导光束并不能完全穿透联结处，同时尾随光束也未被完全利用。很明显，这种同等能量分布的方式从能量利用角度来说并不是经济有效的手段。而且，该结果显示出匙孔的前壁出现了台阶样的结构，通过实验结果证明这样不利于液体顺利流过，从而导致不稳定的焊接过程。而通过给予引导光束更多的能量，在更大的焊接速度窗口内获得更高的焊接质量。然而，通过广发的实验，仍有三大疑难问题尚未解决 ：对光束间距参数的高灵敏度，较低的强度（小窗口）；即使采用更高的功率也很难焊接更厚的重叠点；最后一点是很难焊接锌铁合金镀层钢。

        这些难题也部分在预测的匙孔剖面图中有所显现，如图2所示，其间的光束间距被限定成最小值，以防范在焊接池中，尾随光束在匙孔的后壁产生孔洞结构。根据实验证明，很明显这并不是所希望的便于液体稳定流动的几何外形，而将导致飞溅和较差的焊接质量。

        为了解决后匙孔壁空腔的问题，也为进一步改进加工工序，一种倾斜式光束结构被提议，如图3所示。提议的方案就是让尾随光束同引导光束产生的后匙孔壁对齐，一种平稳的匙孔结构可以通过更大的光束间距来减少孔洞结构而获得。 图3 采用二次开发焊接头完成的

1mm/1mm HDG DQSK钢板焊接截面。

        这个想法最早始于运用双头系统的过程中，通过合并两个激光焊接头，每个焊接头单独发出一个激光束，采用独立的激光源。引导光束（与板材表面垂直）来自一台4.5 千瓦的Rofin Sinar Nd:YAG激光器，由两种不同尺寸的光纤传输，直径分别为400μm和600μm。尾随光束从一台3千瓦的TRUMPF Nd:YAG 激光器获得，它只能通过600 μm的光纤传输。由于精密夹具限制与聚焦头尺寸相关，两个光束之间能获得的最小角度为21.5°。所有的试验都是在这个固定的角度内进行的，该结构让光束间距变得更牢固，结果是一个较厚的重叠点(1.4 mm/1.4 mm HDG)成功实现焊接速度3.5 m/min。

        在上述双头系统获得成功之后，一种用于加工过程的全新、集成的激光焊接头被制造出来，它能利用单个的光纤输入能量传输相同的光束。经过开发的焊接头在大多数参数范围内提供了持续的灵活性：光束间距，光束夹角，引导及尾随光束之功率比等等。

        尽管成功让光束间距变化过程变得更加稳定，但最初开发的焊接头仍然不能完成焊接锌铁合金镀层钢，此外也不能焊接三层重叠的HDG 钢板。为了解决这些问题，仍需做出更多努力进一步加强匙孔的形状，以便达到预期的空气动力学系统，能让锌气体从这个匙孔散出。进一步的优化光系统达成了这个目的。具备了该能力的二次开发激光焊接头原型被设计并制造出来（见图1）。该焊接头继承了最初焊接头的所有灵活特质，并且配有压力轮系统以确保聚焦位置的稳定，也适用于生产应用的开发。

        第二个激光焊接头的试验表明，焊接质量较第一个焊接头有很大的改进。能对三层HDG钢板进行高质量，零预留间隙的焊接，前提是能量充足。图2显示的是一个0.76mm/0.76mm/0.76mm 三层钢板焊接的截面。

        在锌铁合金镀层钢案子中，运用第二种焊接头也同样取得了很大的改进。图3显示的是一个1mm/1mm双层锌铁合金镀层钢板的焊接截面。由于锌铁合金镀层钢的广泛应用，目前仍需更大的努力来进一步加强锌铁合金镀层钢板焊接的质量。

        在将表面间隙控制焊接同零预留间隙焊接相比较时，结构改良的额外优点显现出来。特别是，分别对1.4 mm/1.4 mm 双层HDG DP980钢在界面有/无预留间隙的焊接部位进行初步机械测试,结果显示：即使没有任何间隙存在，拉伸应力都是相似的，但疲劳性能因界面存在间隙而恶化。出于这一原因，这一新工艺对于提升产品耐久性是具有优势的。

        

        展望光明的未来

        这些工作完全展示了这种创新激光焊接技术的基本能力，能在各种材料上完成高质量的焊接，比如镀层和重叠处。适用钢材种类如DQSK, IF, DP600, DP800 and DP980，厚度0.76 mm 到 2.0 mm 范围，进行2层和3层的重叠焊接，界面零预留缝隙的焊接通过采用这种新工艺圆满完成，速度从 1.3 m/min 到 6.1 m/min－取决于重叠层的厚度和可用能量大小。除锌铁合金镀层钢外，此项新工艺也表现出高速焊接轻质材料的能力，比如镁合金 ，它正成为未来轻型交通工具的热门之选。

        持续的努力还是集中在如何最优化焊接锌铁合金镀层钢板的过程，以及生产工具的牢固和成本效率等方面，一旦方法可行就将尽快投入到生产应用中。

        考虑白车身激光焊接具有一些主要的优点，如提高结构刚性，设计及加工的柔性，更高的生产率等，可以预测的是，此种新焊接工艺通过带来更高焊接质量和性能，将有力推动激光焊接在汽车白车身和冲压二级总成件的操作中获得更多的成功应用。