激光角焊缝在白车身自动化生产上的可行性应用

颜剑航

摘要：随着自动化生产要求越来越高，激光焊在汽车行业应用是越来越广泛。文章介绍了激光焊接常用的接头形式以及搭焊中平焊缝（穿透焊）和角焊缝（边缘焊）的区别，介绍了两种焊缝方法的优劣势；并对激光角焊缝的可行性进行了分析，同时提出可行性解决的方法及实时跟踪系统的新技术。

关键词：激光角焊缝；激光边缘焊；汽车安全件；实时跟踪；白车身；自动化生产 文献标识码：A

中图分类号：TG456 文章编号：1009-2374（2017）10-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.069

1 概述

随着自动化生产要求越来越高，更加快速地生产零件，更好保证产品的质量要求，激光焊接在汽车行业的应用越来越广泛，因为激光焊接不仅可以减少材料的使用，从而减轻白车身的重量，并保证了强度要求，且提高了焊接的生产效率，所以有越来越多的汽车厂家将激光焊接工艺应用到实际的生产中。在白车身的激光焊接接头形式主要有搭接焊和对接焊两种。其中搭接焊以焊接位置区分，一般常用有两种焊接方式：一为搭焊：平焊缝（穿透焊）；二为搭焊：角焊缝（边缘焊）。我们来先了解两种焊道的差异性，如图1和图2，平焊缝是激光光束先作用于顶板并穿透顶板从而作用于底板的焊接方式。角焊缝是激光光束同时作用于两板的焊接方式。其中平焊缝的焊接方式在汽车地板、门盖、侧围、总车架等零部件的应用比较广泛，相对而言，角焊缝方式应用比较少。

2 激光角焊缝劣势

为什么平焊缝在白车身搭焊会相对较广，而角焊缝较少。行业内，众所周知，激光焊对搭焊工件之间的间隙要求是比较高的，在激光焦距选择合理的情况下，其工件之间的贴合间隙应不超过焦斑的1/3，否则将会大大地影响焊接的效果。但对于角焊缝的搭焊来说，它不仅对板材的贴合间隙有一样的要求，而且还进一步对板材的切边也提出了要求。

对于汽车白车身的零部件来讲，通常都是采用冲压成形的加工工艺，以白车身的A柱或B柱为例，一般的行业切边精度在1.0～1.4mm之间，对于此类型工件的特性，我们一般选择是低于0.6mm焦斑的激光头，在此精度下，意味着角焊缝方法的焊接，如果是采用自动化的方式很容易造成实际焊接的位置与工件所需的焊接位置不一致，从而影响焊接质量，如果需要保证角焊缝的焊接质量，用新增加生产设备或采用新的加工方法来保证板件的加工精度，那显然是一笔不菲的投资。这就造成了激光角焊缝实现自动化生产成本高，极大地制约了其广泛的使用。

3 激光角焊缝优势

虽然有其上述的制约性，但激光角焊缝也有其优势：

3.1 材料的节省

常规的行业标准，平焊缝的焊接位置要求焊缝中心到边缘的距离大于3mm，三层板的平焊缝要求距离大于5mm，采用角焊缝，因为外部焊接的原因，则可不需要此值，如图1、图2说明。以白车身的B柱零件来讲，一般的材料为高强度钢或热成形钢，材料价格比较昂贵，通过角焊缝的方式可以节省不少的材料成本。

3.2 不同厚度工件组合可焊范围

激光焊在白车身通常焊接不高于3mm+3mm薄板件，如果焊接1mm+1mm的板件时采用两种焊接工艺都是可行的。但焊接3mm+2mm的组合工件时，在激光功率合适的情况下，采用两种焊接工艺都可以将其有效焊接在一起，且能保证强度。但在平焊缝焊接方式下，由于需要保证焊接强度，激光功率会较大，在此功率下会对顶板的表面损坏非常大，需要进行后处理，会造成有多余的工序，按汽车生产厂家的标准来说这是不能接受的。而采用角焊缝就可以保证强度同时也能兼合表面质量，在不同厚度工件组合焊应用受限制更少。

3.3 焊接功率与焊接强度

（1）要达到同样的剪刀力等强度要求，两者要求的d值是不同，如图1和图2所示，以1.5mm+1.5mm工件说明。平焊缝d≥0.8t，角焊缝d≥0.6t，A值越高，需要功率也越高，从节能角度来看角焊缝优势更大；（2）从焊缝本身来讲，由于角焊缝的结构性决于其抗剪性能高于平焊缝，也更加适合汽车白车身中A柱和B柱等重点安全件的焊接。

3.4 镀层工件的焊接

对于有镀层的板材来说，例如镀锌板，采用平焊缝焊接方式时是不能让板材过于良好的配合，需要在板材与板材之间有一定间隙，通常在0.1～0.2mm之间，激光焊接下会产生锌气体，这种气体对于焊接效果是有害的，必须有间隙使锌气体有效的排出，但间隙又不能过大，过大会同样也影响其焊接效果，因此要采用一定的措施来解决问题。比如，通过改变板材的冲压形面或控制夹具压紧力量或增加衬垫等方法，但不管采用何种方法，都会给设计者带来新的设计难度或需要增加额外的工装、设备等，而外部焊接的角焊缝不需要考虑此间隙。

4 激光角焊缝自动化可行性

既然角焊缝有如此多的优势，那有没有办法在不改变白车身冲压加工工艺的情况下，使角焊缝焊接自动化生产呢？答案是有的。视觉拍照系统应用随之而来，它能对焊接所需要的焊缝位置进行判断，并通过相应的控制器使机器人控制激光焊接头移动到相应的位置。但此系统也有不足之处，因为其采用方式是机器人移动到焊缝附近先进行拍照识别，再移动机器人进行焊接，不断循环操作，直到焊接完成。相当于机器人会多移动一倍的距离，几乎会增加一倍的生产时间。以广汽传祺某热卖车型来讲，对下游零部件生产厂家规划的节拍是55s/件，可谓是一秒寸金，增加时间去采用新工艺生产，这显然不是最优的选择，所以对于激光角焊缝，我们需要一种更有效率的方法，使之更为自动化，随着科技的进步，视觉实时跟踪系统应运而生。它不仅有视觉拍照系统能对焊缝进行识别且能在识别过程中实现同时控制外部移动装置对实际的焊缝位置进行准确焊接。现在国际上主要有Precitec、Blackbird等品牌，以PRECITCE为例，主要结构有激光焊接头、视觉装置、移动装置等，如图3。其检测原理如如图4。通过此方法有效地解决角焊缝对工件边线要求高的问题，使之自动化生产更加高效率。目前有部分具有相关研发能力自动化非标厂家已经进行此焊接系统的研发集成，角焊缝自动化焊接具有很高的可行性。如图5所示：

5 结语

随着汽车生产自动化程度越来越高，汽车白车身在轻量化的同时也要保证强度，激光角焊缝在白车身安全零部件的使用会越来越广泛，因为激光角焊缝的使用不仅仅进一步节省了材料的使用，同时了节省能源，并能提高白车身安全件的焊接强度，使汽车更加安全可靠。相信激光角焊缝的焊接工艺会促使激光焊接在汽车白车身焊接应用中更上一层楼。

作者简介：顏剑航（1988-），男，广东海丰人，广州松兴电气股份有限公司助理工程师，研究方向：机器人自动化。

（责任编辑：王 波）