浅议激光焊接在汽车顶盖的应用

蒋伟光　熊志明

摘要：相比于传统焊接方法，激光焊接技术还具有焊接精度高，焊接速度快，能够有效焊接同种材料与不同材料等优点，因此得以快速发展与广泛应用。本文对激光焊接工艺进行了简要叙述，并对顶盖激光钎焊组成、零件搭接结构及与传统焊接的优缺点进行了详细阐述。最后对激光钎焊焊缝外观质量缺陷分析原因，提出方法。

关键词：汽车顶盖；激光焊接；搭接方式；缺陷

1前言

激光焊接作为工业激光应用的第二大领域，具有非常良好的应用前景。激光焊接是指将激光聚焦成很细的高能量密度光束照射至工件上，使工件受热熔化，最终冷却得到焊缝。激光焊接技术能够在很大程度上降低车身材料消耗从而使得车身重量减轻，降低企业制造成本，提高汽车外观质量。与此同时，相比于传统焊接方法，激光焊接技术还具有焊接精度高，焊接速度快，能够有效焊接同种材料与不同材料等优点，因此得以快速发展与广泛应用。本文将对汽车顶盖激光焊接应用前景进行分析。

2主要激光焊接工艺

2.1激光钎焊

激光钎焊把具有高能量和高精度的激光光束当作激光钎焊的热源，并使得激光照射在焊接区域中的焊丝表面。焊接区域中的焊丝在高能量的激光光束的作用下会被融化，进而在焊接区域形成液态金属。被融化成液态金属的焊丝会在焊接缝隙处进行连接，并在外部条件适宜的情况下，使得母材进行良好的连接。但是，在操作的过程中，需要注重工件之间的连接问题，并保障母体材料不会被钎焊中使用的激光破坏。

2.2激光熔焊

激光熔焊是激光焊接的方式之一。在作业过程中能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000℃左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并隨之冷凝，于是形成焊缝。

2.3复合激光焊接

复合激光焊接时的焊接能量是通过半导体激光以及相应的辅助热源共同提供的。且半导体激光以及辅助热源都安装在焊接头的内部。辅助热源中的焊接光会在上层材料中直接进行加热。复合激光焊接与比较常规的焊接结技术相互比较，焊接面的温度会更加的稳定和均匀，并且在焊接的过程中会产生不同的横向热流。

3汽车顶盖激光焊接应用

为了使得市场的需求得到满足，我们需要对汽车制造工艺进行改善。汽车工业中的激光焊接技术在往往应用在汽车的白车身焊接上。因此，利用激光焊接技术不但可以使汽车车身的抗冲击性得到改善，还可以使得车身的抗疲劳效果增加，进而提高汽车的品质。而汽车的激光焊接往往是通过计算机或PLC进行控制的，所以灵活性以及控制的机动性较高。比如汽车顶盖应用激光焊接技术不单单具有较高的效率，还具有一定的经济性，并在抗腐蚀、强度及外观质量等方面表现出巨大的优势。

3.1激光顶盖钎焊的系统组成

汽车顶盖激光焊接系统的组成如图1所示，其中激光发生器需要在使用的过程中配合冷却系统，其在工作的过程中会产生一定的激光，并经过耦合之后生成具有规定波长的激光束，进而配合焊接。激光焊接头是在传输焊接激光后，使其经过光头校准处理，并使得其成为具有一定加工性能的激光束。焊接系统中的机器人系统主要承担焊接轨迹行走的作用，同时对焊接中的参数进行合理的调节，并给出准确的电气信号。PLC控制台是焊接系统的司令部，其主要对焊接系统中的各个电气进行实时的处理，并对机器人进行协调和处理，同时实现自动化系统的信号交换。

3.2顶盖激光钎焊钣金搭接方式

相较于电阻点焊的侧围和车顶分别作翻边用于连接，激光轩焊车顶连接为满足激光钎焊的焊接工艺要求，激光轩焊车顶连接为满足激光钎焊的焊接工艺要求，车顶和侧围连接某一剖面处形成点接触，整个接触区域形成线接触。由于零件制造公差、压紧工装和车顶自重等，导致车顶易下沉。为了克服车顶下沉被周边搭接面顶起，将顶盖和侧围接触面左右形成倒梯形（图2），吸收顶盖下沉的容差，达到造型的光顺、车顶和侧围能有效接触和满足制造工艺需求，同时也获得良好的外观质量。

A-侧围与水平方向的夹角，保证车顶和侧围之间足够接触；B-车顶和侧围5°夹角，确保车顶和侧围有一个正切直线接触；C-圆角半径：圆角的最小要求，为了提高整车的外观表现，减少焊丝的填充，降低成本；D-圆角半径：造型要求一个连续特征线穿过车顶和风窗玻璃E-执行楔型块需求平面，造型要求一个连续特征线穿过车顶和风窗玻璃；F-焊接平面需求，焊接搭接面需要连续，这个特征确保焊接搭接面为-平面，不允许出圆角，保证1.5mm交叉平面；G-11.5mm平面要求，确保车顶和侧围的接触；H-模具成型约束：折弯边。

8.3焊接过程需要做到四点合一

为了使得激光焊接自动化系统的工作更加的安全、稳定、可靠，使得自动化焊接系统中的机器人TCP点、激光焦点、焊丝端点、十字光标中心，四点合一。如图6，控制软件和现场视屏显示四点合一，这样才能提高激光顶盖钎焊的系统的作业效率及焊缝质量。

4激光钎焊和传统电阻电焊对比

4.1焊接外观方面

激光焊接由于其单面焊接、热影响区小、焊缝美观、速度快的特点能够极大地减少构件变形。而传统电阻电焊则是利用电极，通过较大的电流来熔化电极接触的材料表面，所以在焊接的过程中很容易造成工件出现变形的情况，此外，能够焊接的材料范围也十分有限。

4.2柔性方面

传统电阻电焊还需要定期地进行电极维护清理，电极可接触的区域也较激光钎焊小。而激光焊接与传统的焊接相互比较，其更易于实现自动化，因此，焊接的整个生产流程具有非常高的柔性，同时，自动化的焊接使得焊接中的各个技术要点可以得到合理的控制，并具有较高的灵活性。

4.3焊接成本控制方面

与传统的焊接相互比较，激光钎焊一次性投入成本较高。但是使用激光钎焊可以取消顶盖胶条，但降低整车零件成本。

4.4效率方面

与传统的焊接相互比较，激光钎焊速度快。以顶盖为例：单侧车顶长度1800mm，传统电焊焊点40点，一个焊点焊接时间3s，采用1台机器人焊接，顶盖工位焊接时间：40*3=120s。采用激光钎焊，焊接速度可达70mm/s，采用采用1台机器人焊接，顶盖工位焊接时间：1800/70=25.7s。采用激光钎焊效率可提升4倍。

5结束语

综上所述，本文对汽车顶盖激光焊接的应用进行分析，首先，介绍激光钎焊、激光熔焊以及复合激光焊接三个主要激光焊接工艺。接着分析汽车顶盖激光焊接应用，并对比激光钎焊和传统电阻电焊技术，分别从焊接外观、焊接柔性、焊接成本、焊接效率四个方面进行比较。据了解激光钎焊其中焊丝成本占用运营成本95%，处于运营成本考虑，许多整车厂家并未使用。因此，我们需要对激光钎焊降低运营成本降低方面进行进一步的研究。可考虑研发更低成本的焊丝替代现有的CuSi3焊丝，或者研究合适的钣金搭接方式及焊接参数取消焊丝，这样激光焊接技术可以更广泛的应用在汽车行业当中。