激光拼焊——引领未来车身焊接技术

在汽车工业中，焊接是一个关键环节，采用恰当的焊接方式具有可以提高车身抗碰撞能力，降低车身的重量、造车成本和油耗以及简化总装工序等优势。电阻栓焊是当今最普遍的焊接方式之一，但是专家预言在未来的5～10年中这种方式将被淘汰，而金属填充保护气焊也将失去其以往的重要性，与之相反，激光焊接成为热门话题。对于已被使用数年的传统焊接工艺来说，很难再对其工艺过程、焊接速度和质量进行改进；但对于激光拼焊来说，却有着极大的提升空间。

激光焊接

1、过程及必要设施

激光(产生于被刺激的辐射放射物的光的放大作用)是一种特殊性质的光，单色并且连贯，因此可以将光集中于要做钢融解的一个微小斑点上。要创造激光辐射,就需要激光媒介。在将能量从外向内转入到这个媒介中的同时，可以产生被刺激的分子。在谐振器中这束单色光将在两个镜子之间反射，由反射产生出时间和空间凝聚的光子，其中一个部分透明的镜子能将这条射线反射出这台谐振器。

图1 激光拼焊设备

针对大功率应用的重要激光器有两种：二氧化碳激光器和钕：钇铝石榴石激光器。二氧化碳激光器是气体激光,即为产生出激光辐射所使用的媒介是气体，刺激过程就是放电过程，二氧化碳激光的波长为10.6mm。钕：钇铝石榴石激光器是固体激光，激光放射媒介是钕原子在氧化铝中的点阵。由于激光放射原子的密度比较高, 因此固体激光的大小比气体激光要小，钕：钇铝石榴石激光的波长为1064nm，是二氧化碳激光的十分之一。

二氧化碳激光是现在比较强有力的激光，但钕：钇铝石榴石激光的操控系统极具优势。由于二氧化碳激光的波长为10.6mm，所以必须要安装一个“陡坡”装置，这就限制了可能的运动方式。而钕：钇铝石榴石激光的辐射可以用灵活的纤维质光学波导进行引导，因此可以允许激光发射头进行自由移动。

2、优势及要求

激光焊接最重要的优势在于能够将非常高的能量聚焦于一点，激光束打在两个要焊接部分的边缘，输入能量把金属加热并将其融化。在激光束作用以后，溶化的材料将迅速冷却。在这个过程中，有一小部分的数量将进入被焊接的零件中。在焊接减少热变形的同时，也减少了输入的热能量。减少因热量影响的变形，并增加对准确性的纠正，可以节省大量金钱和时间。

然而，如何提高焊接速度和减少低能量输入是目前面临的挑战。在被供热的区域减少低能量输入虽有它的好处：珠光体、马氏体和奥氏体接缝结构的复杂钢型不会大范围改变结构，这一特点同样适用于其它钢，如被限定好碳沉淀的IF钢；但另一方面也存在一些不足，少量的能量会导致快速冷却，热能将被导入冷却部位。

为减少接缝的硬化，小心调整焊接的速度参数、激光功率、冷却比率和焦点位置是非常重要的。而为防止金属进一步硬化，还需采用保护气体加以保护，如氩气和氦气等不会在材料中发生任何热反应的气体。

激光光束的小光点尺寸引起的另一个问题是切边质量，如果在两个零件中间有要进行焊接的接缝，激光束要保证通过材料时不会与其相接触并将其融化。要避免这点，对零件精确性的要求非常高。目前，使用领域较普遍的是连接两个零件的长缝，这能够在越来越多的车身空白处发现。

激光拼焊板

1.激光拼焊板的优势

德国蒂森克虏伯激光拼焊板有限公司从1985年开始生产拼焊板，激光拼焊技术的出现使得汽车生产制造从整车制造商向材料供应商转移。目前，激光拼焊板主要应用于汽车制造业。在激光焊接中，材料是对接而不是搭接，这将带来如下焊缝特性：

（1）降低焊缝区域的体积，例如，焊缝宽度不超过0.5～1mm；
（2）不增加焊缝高度；
（3）对冲压成形性能影响较小；
（4）在焊缝上附加镀锌后，可保持其阴极保护功能；
（5）焊接过程中，热影响区小。

完成焊接后，焊缝区域的静态、动态强度是非常重要的指标，因此，还需对焊缝区域抽样，进行破坏性抗拉强度测试（杯突测试），以检验焊缝区的拉伸成形性能。一般来说，焊缝的拉伸强度比母材的强度要高。

激光拼焊板工艺与传统点焊搭接工艺的产品相比有诸多优势：不仅降低了整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且减少了外围加强件数量，简化了装配步骤及工艺，同时使车辆的碰撞能力增强，冲压成型率及抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封胶，也为环保带来利益。

2.激光拼焊板的应用

拼焊板已被广泛的应用于车身部位，ULSAB（世界轻质钢制车身协会）的最新研究结果表明：最新型的钢制车身结构中，50％采用了拼焊板制造。nextpage

图2 蒂森克虏伯诺邦公司生产的直线激光拼焊器

当激光拼焊技术应用于车身侧围的制造，不再需要任何加强杆、加强筋及附属的生产工艺，则重量和部件数量都会得到减少，而高延展性材料的应用也会使抗撞击能力得到改进。同时，也不再需要加强板，在B柱上，拼焊板的应用可大大降低累积公差。

激光拼焊板的采用，不仅提高了车门部件制成品质量的稳定性，使车门部件的调校不再是个难题，同时可降低部件的重量，而且原有接缝处密封措施的省略，也使其更具有环保性。此外，拼焊板在车门上的应用还使铰接区域的刚性得到整体加强，车门的配合公差得到大幅改善。重量降低、生产工艺得到优化，则必然使成本下降。

奥迪A6的车身强度和钢度一直备受赞扬，国产全新奥迪A6L在原有基础上进行了再次改进：采用了激光拼焊技术的车身设计（如图3）。新奥迪A6L经过强化的车身，其抗扭转强度提高了34%。配合全新的车身、底盘设计加之采用先进激光焊接技术的坚固车身结构，使国产全新奥迪A6L在遭遇碰撞时，预测的车身变形区、侧面防撞保护梁以及合理的车内空间结构等能够为乘客提供有效保护。这些看不到摸不着的设计和选材不但能降低车辆的制造成本和重量，还能在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全。

3.质量管理

（1）焊接检测

质量检测和保障系统为生产高质量的拼焊板提供保证，拼焊板的生产过程采用自动化生产线，以确保安全、经济的生产，这就需要现代化的检测仪器。早在1985年，德国蒂森克虏伯激光拼焊板有限公司开始生产拼焊板的时候，就已经采用监测系统，现在，这套系统已经更完善。在焊接激光头的后面安装一个焊缝监测系统，用来监测焊缝的质量，以保证焊缝符合质量要求。等离子体监测系统被用来监测焊接过程的稳定性，计算机辅助系统可以在焊接过程中处理传感器提供的信号。

激光拼焊板需要全自动或半自动的经济型生产线，同时要采用现代技术来监测焊接过程和产品质量。为了满足这些新的全自动生产任意拼接板的生产过程的要求，蒂森焊接技术有限公司、蒂森克虏伯钢铁有限公司的研究部门、蒂森克虏伯激光技术有限公司以及蒂森诺邦有限公司在前期阶段就提出了焊缝质量和生产过程管理自动评估的不同可能性，而开始经营的第一个激光拼焊板工厂生产的第一块激光拼焊板就使用于奥迪100的底板上。近年来，这个技术在不同阶段得到了进一步发展并被改进，它不仅可以控制焊接过程本身，而且可以用这项根据现有系统开发的最新一代技术来评估焊缝。其监测系统不仅能在高速焊接过程中监测焊缝几何形状上的缺陷，而且还能检测极小的孔洞。

（2）评估系统

蒂森 LAM (激光应用管理)与焊缝检查系统相结合，不仅能查出趋向瑕疵，譬如不规则的几何缝隙(缝隙入射, 边缘位移, 根下陷)，而且还能查出小程度的瑕疵, 譬如气孔和孔洞。光条纹和等离子传感器系统的结合已经以最佳状态作为补充, 因此高测量率能保证在高焊接速度情况下，安全地查出轻微的有瑕疵的可能性。

一个电脑辅助的评估系统能自动评估传感器信号，包括在焊接过程期间。从而确定是否相关测量点的条件符合指定的要求, 或者是否导致接缝质量下落的偏差已经发生。在焊接过程期间, 焊缝的温度由红外测量登记。各任意拼接板被评估的传感器数据记录被存放在一个短协议中，这意味着允许这个产品的质量用文件来证明。

图3 国产一汽－大众全新奥迪A6L

一个完整的错误侦查系统可警告操作员在全自动焊接设施中发生的所有机械缺点，这个质量管理和监控系统被扩大为针对非线性激光焊接生产的新设备概念。传感器安置在焊接头前能够查出将要被焊接板料的连接边缘，不仅允许查明连接边缘的确切位置, 而且允许测量板料之间的重叠。当查明的重叠测量超出一个被预定的极限值时，将会警告操作员, 并且自动整理出空隙。另外，运用这种设备，连接边缘的侦查信号也被用于精确地辨别和调整连接边缘的激光束。

4.技术趋势

未来激光焊接技术将会采用哪种方式？答案有两个：一种是演变, 改进现有技术。这意味着针对发展激光焊接将会有一种新的激光源——纤维激光，这是一种设有灵活的纤维谐振器的激光，输入能量比率远远高于输出能量，整个设备将比较紧凑。大功率纤维激光的另一个好处在于模件建造，许多功率大约为300～500W的纤维谐振器，如果发生技术漏洞，更换一个合适的模块非常容易。在这种情况下，由于激光工作的时间比较长，因此也不需要配备一个训练有素的技术员。

另一种是在一些以电阻螺柱焊接为主的地区介绍的激光焊接方式——“交替龙门焊接”，当焊接时间超过50%的工作时间时，激光焊接装置更为节省。在应用方面, 现在正在应用电阻螺柱焊接，解决这个问题的办法是一种规定有两个焊接交替配置的激光。当一个配置的焊接正在运行时,另一个配置处处理头向下一个焊接位置移动，在这以后激光将转至另一个焊接配置，这项技术已由蒂森克虏伯引进。

然而，除此之外针对汽车制造商也将会出现完全新式的使世界焊接领域发生革命性变化的焊接技术，如摩擦焊接。它的优势是只需能够焊接两个零件必要的低能量输入即可，而热量变形较低。由于温度非常低, 因此，焊缝不会比材料坚硬。但也有不足之处：高强度压力和快速自转要求必须要很好地固定住金属零件。目前，只有几家公司采用这项技术来焊接铝。但无论从哪个角度来说，激光拼焊技术将会是未来车身焊接技术的发展方向！