白车身传统焊接技术存在的问题

汽车车身是复杂的结构件，由数百种薄板冲压件经焊接、铆接、机械联接及粘接等方法连接而成。传统的点焊、弧焊、胶接和铆接等连接技术需要将焊接的两块部件互相搭接，无形中增加了钢材的消耗量。激光焊接可以减少材料用量、提高尺寸精度与降低成本等。

激光焊接还具有连续性，传统的点焊由多个焊点组成，会产生漏点，而激光焊接形成的焊缝牢固而连续，没有漏点。尤其可以提高白车身的刚度和焊点疲劳，主要应用部位分为顶盖与侧围、底板与侧围以及门框等处。传统的点焊存在车顶焊缝雨天漏水的问题，需要加装橡胶密封条来解决漏水问题，而采用激光焊接技术则省去了橡胶密封条以及因装配质量不佳带来的漏水问题。

采用激光焊接可以给汽车制造业带来巨大的经济效益，如车身装配中的大量点焊，把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，凸缘宽度需要16 mm，而激光焊接是单边焊接，只需要5 mm，把点焊改为激光焊，每辆车就可以节省钢材40 kg。用传统点焊焊接两片0.8 mm的钢板冲压件，平均是20点/min，焊距25 mm，即速度为0.5 m/min，用激光焊速度可以达到5 m/min以上。因此，采用激光焊接技术，不仅降低成本，还提高生产效率。

激光焊接易于采用计算机控制，所以具有较强的灵活性和机动性，可以对形状特殊的门板、挡板、齿轮、仪表板等零部件进行焊接，也可以完成车顶盖和侧围、发动机架和散热器架等部件的装配焊接。如果加上光纤传输系统和机械手，就可以实现自动化的汽车焊装生产线。

因此，采用激光焊接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，使车辆的碰撞能力、冲压成型率和耐蚀性提高。同时，采用激光焊接可以减少搭接宽度和一些加强部件，压缩车身结构件本身的体积，减轻车身重量。激光焊接技术的逐渐成熟，使得各大汽车厂商无一例外地将激光焊接应用到汽车生产线上。

白车身激光焊接技术

自激光焊接首次用于汽车工业以来，除激光传导焊、激光深熔焊、激光硬钎焊、激光软钎焊外，又相继问世了激光双光束焊接（LDBW）、激光填丝焊（LFW）、激光复合焊（HLW）、远程激光焊接（LRW）等新的焊接方法。每种激光焊接方法的机理、特性及对焊接结果和焊接性能的影响都需要深入研究，以使激光焊接加工趋于完美，同时也为实际生产中激光焊接技术应用的选择和创新做必要的准备。

1.汽车激光焊接在国内外的应用情况 

（1）欧美汽车制造企业基本实现传统激光加工应用的普及

欧洲汽车工业以德国作为最典型代表，在20世纪90年代开始就致力于应用最新技术，其中激光加工技术的大规模应用是其中最为成功的案例。

图1给出了全球汽车激光焊前十的专利技术领域对应的专利技术主题分布，可见汽车激光焊技术主要分布于B23K26、B29C65及B23K37。

图 1  IPC 分类号申请量分布

表1给出了汽车激光焊接专利技术领域对应的技术主题，主要包括激光束的瞄准技术、缝焊技术、工件的定位技术、激光束与工件的相对运动控制技术等。

表1  IPC 技术主题分布

智能化和轻量化是未来汽车行业的发展趋势。以通快为代表的德国企业可提供整套的智能飞行焊接解决方案，包括新一代的智能TruDisk激光器，可实现实时状态监控； SeamLine Remote焊缝追踪和质量监控传感器，可实现轻量化角接焊缝的飞行焊接，不仅可实现轻量化的连接，更提高了整套生产系统的可靠性，极大地提高了生产效率。

（2）以日韩为代表的汽车制造国家正积极探索激光加工的应用

日韩汽车企业在激光应用的专利申请量上居于国际首位，以汽车激光焊接技术为例，图2给出汽车激光焊接技术申请量排名前十的申请人，丰田公司的专利申请量占据首位，随后依次是新日铁住金、日本自动车、电装、现代、博世、戴姆勒、本田、大众和标致。从产业领域来看，排名前十位的专利申请主要为大型汽车生产企业，从国别来看，日本、韩国、德国和法国占据优势地位。

图2  激光焊接专利重要申请人分布

（3）国内民族品牌开始崭露头角

在汽车制造过程的激光应用中，汽车白车身焊接难度最大。焊装夹具的精密设计，焊接工艺的恰到好处，尤其是生产线上高度无缝衔接的节拍要求，以及各个环节的高稳定性等高标准要求，挡住了几乎所有激光技术集成厂家进入该领域的步伐。在全球，汽车白车身焊接领域一直被欧美两三家企业垄断多年。

华工激光作为国内首套汽车白车身激光焊接成套设备，经过近两年技术攻关，目前已成功应用于神龙汽车公司整装焊接生产线，焊接速度达到4.8 m/min，比世界上同类型设备快30%，但价格比国外同类型生产线低40%，打破了国外企业在该领域的垄断地位，填补了国内空白，将激光焊装工艺向前大大推进，促进了民族品牌汽车与国际先进水平的接轨；而激光弱化技术的发展，对解决汽车安全气囊加工工艺中出现的加工精度、功能性、安全性问题具有革命性的转变。由于该两项目成果的核心部件均为自主研发，大大降低了整机制造成本，提高了民族品牌汽车的国际竞争力。

2.激光焊接工艺

汽车激光焊接技术，面临着激光加工设备一次性投入较大、单位时间加工成本高的问题。除此之外，尚有许多技术层面的问题需要研究和探索，如工艺参数优化、先进工艺方法研究、性能预测及质量控制等。

众所周知，激光焊接具有多参数的特点，该特点给激光焊接带来了丰富多彩的焊接结果，同时也给研究激光焊接带来很多可变因素和新的课题。无论在开环控制还是闭环控制下，激光焊接工艺参数优化或最佳工艺参数确定的难度和工作量都有所增加。由于汽车工业要求用于大批量生产的各种生产工艺稳定、可靠且易于控制，因此，如何通过筛选和有效控制最少的激光参数来达到最大控制激光焊接结果的目的，则显得非常重要。

在激光钎焊中，由于焊丝具有一定的强度，可以在焊接过程中作为导向指针，整个伸缩臂由焊丝导向运动轨迹，这样就弥补了理论编程与实际焊缝上的位置偏差。最理想的焊接参数是需要多次调试后才能得出，往往可以得出几套较为理想的参数，但总体来讲，在满足客户焊接工位节拍的前提下，快的焊接速度需要更大的激光功率，但是过快的焊接速度也会对其他参数因素要求更高，造成焊接稳定性差。慢的焊接速度可以不用很高的激光功率，对各种因素要求相对较低，稳定性也较高，但是过慢的焊接速度容易对焊接区域产生较大的热形变，对激光设备不利，镜片组也不利。

3.夹具设计

车身焊接对夹具的要求十分严苛。统计表明，焊接误差有72%左右是夹具定位误差所致。因此如何有效地减少和控制焊装夹具对车身装配的影响，对提高车身质量至关重要。

具体到车顶盖的焊接，夹具主要从三个方面入手，即顶盖夹具、底板夹具以及侧围夹具。

上海交通大学席升印的硕士学位论文“基于实例的车身总拼柔性夹具方案设计研究”中，基于Passat、Polo、Touran、Octavia这四种车型进行了总拼夹具方案设计。采取了Z向支撑和Y向支撑及压紧夹具的方案，如图3所示，对夹具位置的选取点进行分析。

图 3  基于实例的车身总拼柔性夹具方案设计

该论文还基于N-2-1定位的车身焊装夹具设计原理，对夹具的设计进行了分析。从夹具设计原理、零件特点出发做出了一整套的设计方案，并对夹具的构造提出了改进，如图4所示，通过增加尼龙垫片的方式对夹具进行优化。

图4  基于实例的车身总拼柔性夹具改进

湖南大学激光研究所在863重点项目“汽车白车身激光切割焊接生产线”项目中，对夹具设计进行了研究。从来自湖南大学蔡兴的硕士学位论文“激光切焊一体化夹具设计与错边量对焊缝性能影响的研究”一文中，可以得到一些夹具设计的启示。该论文对基于对接连接车身结构的激光切割焊接一体化装夹方法及夹具设计进行了研究，对激光焊接夹具的特点进行了分析，基于这些特点对夹具进行了设计。

4.自动化生产线

大功率激光加工高端装备体现国家汽车高新制造技术水平，以车身高性能激光切、焊为代表的技术与装备是汽车新结构、轻量化、高品质制造的革命性手段，推动汽车及其制造过程向环境友好、资源节约、安全便捷方向发展。我国汽车产销量世界第一，已成为国民经济增长的主导产业之一。高端激光加工装备需求迫切，中国汽车工程学会预测未来的5～10年，国内品牌整车厂每年仅激光焊接生产线就需新增30～50条。

全自动化焊接系统工作流程如下：

雪橇载着车身总成进入激光焊工位，滚床上的夹紧器固定雪橇，升降机带动滚床和雪橇下降，使车身落在底部夹具上，车身总成通过底部工装夹具上的一个圆形定位销和一个棱形定位销以及基准面完成定位，同时激光房两侧滑动门关闭；

焊接工装夹具通过安装在搬运机器人法兰盘的气动夹紧器装载在机器人上，搬运机器人将其运送到位后，夹具上的4个V形块与定位支撑架上的定位V形块配合，形成定位，然后定位支承架上的旋转气缸翻转将夹具夹紧，机器人法兰盘的气动夹紧器通过气缸驱动松开顶盖夹具，搬运机器人空载离开返回待命位置；

焊接机器人持激光焊接头先后进行车身右侧围、左侧围与顶盖的激光钎焊；

焊接完毕后，焊接机器人复位，同时搬运机器人过来抓取焊接夹具，气动夹紧器抓紧焊接夹具后，定位支撑架上的旋转气缸打开，搬运机器人负载其返回至待命位置；同时激光房两侧滑动门开启；升降机升起，带动滚床和雪橇上升，上升到位后，滚床夹紧器松开雪橇，雪橇托住车身离开激光焊工位。

华中科技术大学和武汉华工激光公司开发了国内首条汽车白车身激光搭接填丝熔焊生产线及钎焊生产线，建立了白车身焊接生产线的“8-3-1-3-1”设计与质量规范：白车身装配精度±8 mm→夹具定位精度至±3 mm→视觉定位焊缝至精度±1 mm→拼缝自校正控制间隙≤0.3 mm（商务车为0.8 mm）→激光焦点与拼缝中心对中精度≤0.1 mm。研发的生产线主要技术指标达到国际先进水平。

神龙公司在焊装车身顶盖激光焊接，经过若干项目的经验积累和总结，已基本掌握了影响车身顶盖激光钎焊焊接质量因素的控制方法，并形成了顶盖激光钎焊质量接收及返修工艺标准。对于顶盖激光钎焊质量标准：宽度（2±0.5） mm，表面平滑，收弧起弧良好。

该激光焊接技术达到欧美汽车制造标准要求，在上汽通用公司得到了很好的推广应用。

5.质量管控

由于车顶盖激光焊接是一条曲线焊缝，因此在拼焊时必须保证预点成形后的车身精度，从而每次重复轨迹能够保持一致。焊接夹具、车身件、激光束的精度要求及控制方法，夹具、车身件、激光束间的匹配参数等都有很高的要求。激光钎焊与传统车身覆盖件焊接工艺——电阻点焊以及激光焊有很大的区别，必须能有效控制焊缝形状(堆高或下凹)。此外，激光钎焊不能像电阻点焊那样可通过焊接头施加一定的夹持力来消除待焊试件之间的缝隙。因此，采用激光钎焊工艺时，待焊试件之间的缝隙只能通过焊接夹具来消除。以下几个因素会影响预点成形后车身精度：

（1）激光焊接时的间隙 装配间隙太大，会出现填料不足，焊缝凹陷，严重时可出现焊接中断，如果要保证焊缝质量问题，需要装配间隙控制在0.2 mm以内。

（2）工装压紧顶盖时的变形控制 产生变形的主要原因是爪形焊接夹具上的弹簧压块压力太大，导致焊接中产生的残余应力没有足够的释放空间而产生变形。

（3）焊接面弧度型面重复精度 冲压件在电阻焊工艺时候，只需要保证几个焊点的重复定位精度，而激光焊接则是一个曲面的重复定位精度，这就增加了对冲压件的精度要求和范围。

发展趋势

汽车工业步入柔性化模块式生产，传统加工工艺不能满足新型生产方式的需要，这给激光加工技术的大规模应用提供了更多的发展空间。同时，随着能源结构的调整和环保要求的提高，汽车工业正在向着轻量化方向发展，要实现汽车轻量化，新材料的加工、汽车结构化与模块化的设计与形成，以及连接技术的工艺革新必不可少。而这些工艺与技术的革新都离不开激光加工技术的发展。

铝合金及复合材料的应用是减轻汽车重量、提高安全性能的有效途径，是汽车制造的发展方向之一。但铝合金具有对激光反射率高、导热快和熔融状态黏度低等特点，激光加工过程易产生缺陷；复合材料激光加工的质量控制也存在一系列难点。随着汽车工业的发展，铝合金及复合材料的高端激光加工工艺与装备研发将会成为本领域的研究热点。

如今，传统汽车工业从汽车设计、制造工艺到使用模式都发生了巨大的变革，因此未来随着汽车材料体系的发展变化，激光焊的应用必然是多学科、多技术领域的更加深入地渗透，将先进的制造技术与现代智能制造思想结合发展是必然趋势。