激光(拼)焊在汽车工业中的发展

1、激光焊接应用秦可涵 2010年4月【摘要】20世纪70年代美国进行了两大研究：一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接，二是通用汽车公司进行的动力转向变速器内表面的激光淬火。这两项研究推动了之后机械制造业中的激光加工技术的发展。到80年代后期，以激光焊接、激光切割和激光淬火为代表的激光加工得到了迅速增长。激光加工具有独特的优异性能和高柔性、高效率等优点被广泛应用于航空航天领域、汽车制造业、铁路机车制造业和金属材料加工等行业。在欧美发达国家中，大约有50%70%的汽车零部件都用到了激光加工技术，并以激光焊接和激光切割为主。上海大众等汽车制造厂采用激光加工技术焊接车身与箱体等部件。【关键词】激光，

2、焊接，发展，应用【正文】1、原理： 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。（2）激光深熔焊 当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照

3、射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在起。 此外，激光电弧复合是激光焊接的主要手段，通过激光与电弧的相互影响，产生良好的复合效应。深熔焊接时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性。2、特点： 激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、厚度的金属间的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，几乎可以气化所有的材料，有广泛的适用性；激光功率可控，易于实现自动化；激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率

4、高；激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形很小，可实现精密焊接；激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。3、性能指标： 可焊材料：碳钢、不锈钢，难熔金属，高温合金，钛合金，铝合金，铜合金等； 所焊材料厚度：0.1-5mm (丝材、板材等)； 焊缝强度：许多情况下可与母材等强； 焊接速度：可达3.3m/min； 焊后变形：微小或无。4、适用范围： 航空、航天、兵器、舰船、石化、医疗、仪表、电子、汽车等行业。5、两种主要分类： （1）、激光拼焊：激光拼焊板是目前汽车车身设计中被广泛应用的新技术，它可将经不同表面处理、不同钢种、不同厚度的钢板采

5、用激光焊的方法，自由组合使之成为一个毛坯件。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。 （2）、激光塑焊：对塑料件进行激光束透射焊接。如将一种透明的塑料件与另一种带有吸附充填材料的塑料件相联接。激光束穿透上部透明的塑料件，使下部连接件瞬间熔化，通过熔化膨胀将上部件湿润并局部熔化，上下零件焊接在一起。BLZ开发出一种安全气囊控制装置的（

6、塑料）外壳激光束透射焊接技术，采用的是二极管激光器，与传统的焊接技术相比，不仅工艺过程柔性高，而且电子部件也很少受到焊接过程产生的机械和热损害。 本文主要介绍激光（拼）焊的应用和发展。二、激光（拼）焊技术在汽车工业中的应用 汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。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、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处，目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用

7、。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时使车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高。此外，由于避免使用密封胶，也使其更具有环保性。 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。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0.51mm； （2）不增加焊

8、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。 铝质车身数量的增长，将加速激光焊接在汽车制造中的应用。奥迪公司A2型轿车全铝车身采用激光焊接的部件，其焊缝总长达30m。铝材料使用激光焊的主要优点是：焊接速度快。与传统的车身点焊技术相比，经激光焊接的部位，其强度和刚性更好。此外，激光焊可省掉焊接凸缘，这无疑可减少材料消耗，有利于汽车自身重量的下降。激光焊既可使铝薄板与铝薄板（件）之间实现联接，亦可使铝薄板（件）与铝铸件相联接。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

9、焊技术的车身设计。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。 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。 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

10、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。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量，减轻构件重量，为生产宽体车提供可能。轿车零部件采用激光拼焊板可以减少零件数量，减轻构件重量，为生产宽体车提供可能。 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

11、利益。 用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件，零件焊接部位几乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经广泛采用，常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。激光焊接几乎可以不受限制地把厚度、牌号、等级、镀层等不同的钢板连结在一起，制成各种形状的零件，大大提高了汽车设计的灵活性，不仅大大减少了模具数量，还增加了材料利用率，也使车身结构大大简化。 除此之外还有激光切割技术。采用激光焊割的部件结构受力合理、撞击性能好，接头连续，强度和刚度均优于点、缝焊，变形少、内应力小，可套裁落料，材料利用率高，可根据结构和受力

12、要求在不同部位采用不同的厚度，使零件减少、结构减轻。激光焊、割技术的应用可使产品质量和生产率提高、制造成本降低，这项技术的应用对推动汽车工业的技术进步具有重要意义，将为企业带来巨大的经济效益，并进一步提升企业产品的高科技含量和市场竞争力。三、激光（拼）焊在汽车工业中的发展 20世纪80年代后期，千瓦级激光成功应用于工业生产，而今激光焊接生产线已大规模出现在汽车制造业，成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接，90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造，尽管起步较晚，但发

13、展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接，日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺，高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多，根据美国金属市场统计，至2002年底，激光焊接钢结构的消耗将达到70000t比1998年增加3倍。根据汽车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向大功率、多路式方向发展。在工艺方面美国Sandia国家实验室与PrattWitney联合进行在激光焊接过程中添加粉末金属和金属丝的研究，德国不莱梅应用光束技术研究所在使用激光焊接铝合金车身骨架方面进行了大量的研究，认为在焊缝中添加填充余属有助于

14、消除热裂纹，提高焊接速度，解决公差问题，开发的生产线已在奔驰公司的工厂投入生产。 目前，世界汽车工业使用的激光加工系统(切割、焊接、表面处理等)已经超过5000台套。其中，在激光焊接领域硕果累累。激光焊接工艺使采用各种复合拼焊板(之后进行深拉冲压)生产轿车零件(车身、车架等)成为了可能。这些拼焊板由2到3块精确裁剪的、物理化学性能、表面状态、厚度各不相同的板材拼焊而成。然后在把这种半成品冲压成车身零件。激光拼焊工艺改善了车身零部件的使用性能，降低了汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。 世界汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产。目前，法国阿赛洛在激光拼焊领域经过十几年的研究和发展，

15、现激光拼焊生产线已达到35条，其产品在欧洲市场占有率超过50，成为当今世界规模最大的钢铁巨头。而且欧洲许多冶金公司也都在生产这种拼焊板。其中，意大利Sollak公司在不断扩大产能，其子公司Solblank公司已经投入了14条生产线，而且还准备在英国及美国建立4条激光拼焊线，每条的产能将达到2万t/年。一些大型冶金联合企业也正在加快在其他国家组建合资公司的步伐。德国Tissen冶金公司就已经在印度尼西亚及美国(底特律)建立了合资公司，主要为卡迪拉克轿车新车型提供激光焊接车门及其它板件。名为英国钢铁的英国工业集团建成了好几个冶金产品客户服务中心，其中包括能向汽车制造商提供拼焊板的专门中心(企业)，

16、而且产能达到了12.5万t/年，并向土耳其丰田汽车公司提供拼焊板。美国及日本也都建立了类似的独立的专门公司。 目前，西欧生产的拼焊板占世界总产量的70%，美国生产的占20%，日本生产的占10%，其中每年由装配焊接流水线生产的大约有2.9亿件，由单个机床及成套设备生产的有1亿件。 中国的激光拼焊板技术应用起步较晚，直到2002年10月25日，我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线才在武汉正式投入运行。 目前，国内激光拼焊板需求量迅速上升，国产高品质车型，如：帕萨特、别克、奥迪、雅阁等都开始采用激光拼焊板。基于这种情况，宝钢集团在2004年11月和12月相继在上海和长春成立了激光拼焊板生产公司。 未

17、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300500W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。现今，还出现了填充焊丝激光焊和光束旋转激光焊，由于能力所限，以下给予简单介绍。 l. 填充焊丝激光焊 激光焊接一般不填充焊丝，但对焊件装配间隙要求很高，实际生产中有时很难保证，限制了其应用范围。采用填丝激光焊，可大大降低对装配间隙的要求。例如板厚2mm的铝合金板，如不采用填充焊丝，板材间隙必须为零才能获得良