激光焊接在白车身制造中的应用和发展

董功杰 王晓隽 陈聪 段宇 廖恺欣 杜晨辉

（北京奔驰汽车有限公司 车身与喷漆规划部，北京100000）

1 前言

激光技术历经了50多年的发展与积累，在材料加工、医疗、通讯、尖端武器等领域均备受青睐。其中激光焊接技术以其能量密度大且集中、热输入小、高度自动化、加工效率高等无可比拟的优势，在汽车制造业尤其是白车身制造中广泛应用。以激光熔焊、激光钎焊为代表的先进连接技术，在北京奔驰汽车有限公司国产化车型（A-L class、C-L class、E-L class、GLA、GLB、GLC-L、EQC）上，广泛用于白车身底板前端、侧围门槛、侧围后轮罩、车门、行李箱盖、后围板等零件的焊接，在极大地加快加工效率，增强连接强度的同时，也显著地提升了整车美观性。

2 激光焊接工艺综述

2.1 激光焊接工作原理及分类

激光焊接是一种以激光束为热源，通过光学系统传导、聚焦在待加工板材、钎料的局部区域，在极短的时间内形成一个能量高度集中的热源区，板材或焊丝迅速熔化、冷却，最终形成冶金结合实现母材连接的工艺。

根据加工过程中是否需要添加钎料，广义的激光焊接可分为激光填料焊接和激光非填料焊接两种，如图1所示。激光非填料焊接过程中，通过母材本身的熔化实现连接，母材本身具有较好的亲和性，不需要添加辅助焊料，目前北京奔驰汽车有限公司采用德国Trumpf公司开发的IPFO-3D智能可编程偏振镜头实现该工艺。激光填料焊接过程需要添加焊料，通过焊料的熔化、浸润或焊料和母材的共同熔化实现连接，焊料起到桥接或提升母材的可焊性的作用，目前北京奔驰汽车有限公司采用德国Scansonic公司开发的ALO3钎焊头实现这一工艺。

图1 奔驰车型在用激光焊接技术分类

2.2 激光焊接工艺特点及优势

2.2.1 提高加工效率

激光焊接属于单面加工，能够实现非接触式焊接，相比于点焊、铆接工艺而言，具有更好的可达性；同时焊接系统自动化程度高，以激光飞行焊为例，在机器人姿态保持不动的前提下，偏振镜头可通过偏振镜片的叠加运动便可完成一定区域内复杂形状焊缝成型，在焦距为450 mm时，智能可编程序聚焦镜头（Intelligent Programmable Focusing optics，IPFO）的可加工范围为320 mm×190 mm的椭圆，加工效率极高，生产节拍提升30%以上，尤其适用于汽车行业的大批量生产制造。

2.2.2 降低车身质量

激光焊接能突破传统焊接、铆接工艺对可达性、有效搭接宽度的工艺限制，可以实现更窄的法兰边焊接，使得产品设计更为灵活，以简化车身结构设计，有效降低白车身整体质量。

2.2.3 提升整车品质

激光焊接通过能量密度高且集中的激光束实现非接触式加工，母材热影响区小，焊缝深宽比大，焊缝表面成形状态好。在增强连接强度、防腐性能的同时，整车面品质量得到有效提升[1]。

2.2.4 降低单车成本

以激光钎焊工艺为例，得益于高品质的焊缝质量，顶盖-侧围搭接位置的结构胶、密封装饰条可以取消，同理，行李箱盖上下板连接处的结构胶、密封胶以及镀铬装饰亮条也可以省去，两组密封条和一组镀铬亮条的成本在40元以上，大大降低单车成本。

2.3 激光焊接质量标准和控制思路

为保证激光焊接产品质量稳定，北京奔驰汽车有限公司制定了严苛、精细的产品质量标准，并结合自身先进的质量控制体系，多环路、多方法地进行过程监控、产品检验，以杜绝缺陷品的产生甚至流出。

2.3.1 质量标准

激光焊接衍生出的工艺形式多种多样，但各工艺的产品质量标准均从以下3个核心要素出发：强度、面品和密封性。不同的是，结合激光焊接工艺应用位置的不同，同一质量要素有不同等级的评价标准，就激光钎焊工艺而言，端部凹坑对于非外观零件属于可接受缺陷，但出现在外观零件上则是不允许的。

连接强度是激光焊接最重要的质量要素，也是保证整车强度、刚度的基础。与电阻点焊类似，通过评价待连接母材之间的有效连接来衡量连接强度是否合格，假设母材在受到外力拉拽后，极限情况下，有效连接（焊核）的断裂应后于母材本身的断裂，则连接接头合格（表1）。

表1 激光焊接强度评价准则

面品指的是焊缝表面的成形状态，常见的焊缝面品缺陷有孔洞、飞溅、波浪、裂纹、凹坑、烧伤等，如图2所示。焊缝表面质量不好，一方面会影响客户对可视零件的感官体验，另一方面也会影响后续零件的装配工艺。

图2 激光焊接常见的表面质量缺陷

密封性要求需要结合焊缝应用的具体位置来综合判断，比如行李箱盖外板的激光钎焊应用，有严格的密封性要求，以避免雨水等液体进入行李箱盖内部，相应地，焊缝处的孔、洞缺陷是不可接受的。

2.3.2 质量控制

北京奔驰汽车有限公司结合自身完善的质量反馈环控制体系，通过设备监控、人工目视检验、质量部破坏性试验、其它实验相结合的方案，多种手段以不同的频次来进行过程、产品检验，实现稳定的质量控制，见表2。

表2 激光焊接工艺质量要素及控制方案

3 激光焊接在北京奔驰的应用现状

3.1 激光焊接应用综述

21世纪初，以奔驰、宝马、奥迪、大众等为首的德系品牌汽车制造商，率先在国内合资公司的车身制造领域应用激光焊接工艺，如图3所示。伴随着汽车行业的蓬勃发展，激光焊接工艺不断创新和成熟，以激光钎焊、激光熔焊为代表的先进连接工艺已成为当前各大主机厂焊装车间的标配解决方案和技术亮点。

图3 激光焊接在白车身制造领域的常见应用

同样，激光焊接技术在北京奔驰汽车有限公司各款国产化车型上也应用广泛，如表3所示，以全新一代E class-L轿车为例，白车身上激光焊缝达422条，总长度超过为10.5 m，使得车身强度、整车美观性大大提升，铸就了国产化车型旗舰轿车的卓越品质。

表3 激光焊接在北京奔驰各车型白车身上的应用

3.2 激光钎焊应用

3.2.1 工艺特点及应用

激光钎焊是激光填料焊接工艺的一种形式，焊接工艺过程中添加钎料，钎料熔化、铺展、浸润实现母材之间的连接。车身外覆盖件多为镀锌钢板，当激光束聚焦在钢件母材和Cusi3焊丝上，一般激光束光斑的直径约为焊丝直径的2倍，钢板的温度迅速升高（Fe的热吸收率为30%，Cu的吸收率为5%）并传导至焊丝，当钢板温度升高至907℃近时（Zn的沸点），镀锌层开始气化，温度升至1 000℃时（Cusi3的熔点约为1 000～1 080℃附近）焊丝开始熔化并浸润、铺展至钢板上，冷却后迅速凝固形成连接，而整个过程中钢板并未熔化（Fe熔点为1 538℃）。该工艺在具备良好的搭桥能力的同时，还能实现极其美观的表面质量[2]。

目前该工艺主流的应用位置为行李箱盖外板上-下连接、侧围-顶盖连接、流水槽-侧围连接。相比较于点焊工艺而言，激光钎焊的应用，既能解决焊接可达性较差的问题，还能通过省去密封胶、结构胶、装饰条的投入，来降低整车成本，最为关键的是可以得到完美的外观质量。因此，尤其适用于焊点密集、可达性差、并且有密封和外观要求的连接部位。

3.2.2 产品设计

激光钎焊工艺常见的焊缝类型有对接和角接两种，见表4所示，对于整车可直接目视部位，应尽量避免角接结构设计。

表4 激光钎焊焊缝产品结构设计

由于激光钎焊工艺属于单面、接触式加工，因此连接部位的产品结构设计应在满足造型要求的前提下，考虑以下设计要求。

a.搭接面的强度要求；

b.工装夹具对连接部位的夹持面及公差需求；c.焊缝成形后的外观要求；

d.钎焊头在焊缝正面的通过性要求。

以下以C-class系列车型行李箱盖总成角接焊缝为例进行说明，见图4。

图4 C-class车型行李箱盖角接焊缝设计

a.Ls_min代表最小夹紧块宽度，建议为3 mm;

b.Lf_min代表母材最小有效搭接宽度，建议为5 mm;

c.Lfu_min代表最小焊接面宽度，建议为4 mm。

因此，常规情况下，角接焊缝上层板材法兰边最小宽度为6 mm，下层板材法兰边最小宽度为9 mm。

3.3 激光飞行焊应用

3.3.1 工艺特点及应用

激光飞行焊是非填丝熔焊工艺的一种，属于单面、非接触式加工。激光束聚焦在母材本身，母材熔化、冷却、凝结形成冶金结合。该工艺加工速度极快，搭接面需求小，焊缝深宽比大，热影响区较小。适用于密集、重复性的连接点区域，有效解决了法兰边窄、焊枪可达性较差等问题，但不建议在整车外观件应用。该工艺对钢件、铝件均有良好的焊接性能。目前北京奔驰汽车有限公司白车身应用激光飞行焊的零件有6种，如表5。

表5 激光飞行焊工艺在E-class白车身应用一览

3.3.2 产品设计

得益于Trumpf-IPFO-3D偏振镜头，使得飞行焊焊缝设计较为灵活。目前白车身上常见的焊缝样式有I形、C型、样条型3种，如图5所示，理论上焊缝形状越复杂，连接强度越好，但相应的搭接边宽度也越宽。因此，在法兰边较窄的部位常采用I型焊缝设计，如车门窗框区域；在法兰边宽度较为灵活的部位常采用C型焊缝设计以进一步提升连接强度，比如侧围门槛区域。

图5 白车身常见激光飞行焊焊缝形状

焊缝尺寸和最小搭接边宽度是激光飞行焊产品结构设计时的重要参数，尤其在汽车轻量化趋势下，期望在工艺可行性的前提下实现最窄的法兰边设计。

a.焊缝尺寸。I型焊缝常见的尺寸为1 mm（宽度）×20 mm(长度)；C型焊缝常见的尺寸为5 mm(宽度）×12 mm（长度）。

b.搭接边的最小宽度。搭接镀锌钢板在熔焊时，母材在熔融状态下，锌蒸汽的汽化逃逸，会造成气孔、凹坑、飞溅等质量缺陷，因此在激光飞行焊工序之前，通常涉及凸点工序，在母材之间创造（0.15±0.05）mm的间隙，作为锌蒸汽的自由逃逸通道。由于凸点工艺的设计，焊缝镀锌钢板搭接法兰边的最小有效搭接宽度至少为5 mm以上，见图6、图7。

图6 激光飞行焊和凸点工艺

图7 I型焊缝法兰边宽度示意

4 激光焊接技术的前瞻发展动态

近年来，在白车身轻量化发展的趋势下，越来越多的铝合金零件在白车身上应用；同时伴随智能制造、工业4.0的发展契机，各主机厂对高效、优质、智能的连接工艺技术不段追求和探索，使得激光焊接技术在白车身制造领域不断创新，持续拓展应用边界和应用深度，呈现出百花齐放的状态。

4.1 连接工艺探索出新

在传统填丝焊接、非填丝熔焊工艺的基础上进行演变、创新，配合产品设计的优化，发掘探索多样化的应用场景、应用形式。

4.1.1 车门窗框-角接激光飞行熔焊

铝合金零件在车门总成上的应用，由于铝合金材料更为活泼，传统的激光飞行焊并不适用窗框位置的焊接，会带来严重的焊缝凸起、飞溅、凹坑等质量缺陷。在此背景下，角接激光飞行焊成为车门窗框焊接的最佳解决方案，通过产品设计优化改搭接结构为角接结构，配合工艺技术的创新，能在保证连接强度的基础上，获得良好的表面质量，并通过缩短法兰边宽度进一步降低整车质量，助力汽车轻量化，见表6。

表6 车门窗框连接工艺对比表

目前该工艺在豪华品牌车型率先应用，比如奥迪A6L、宝马5系、奔驰C级和E级的车门窗框位置。

4.1.2 顶盖侧围-角接激光深熔焊

当前激光钎焊工艺在顶盖-侧围位置的应用已成为大众、奥迪、通用等车企的标配，鉴于该工艺对尺寸精度要求高、调试工作量大等特点，以沃尔沃为代表的车企，在该领域开发并应用了角接激光深熔焊工艺。该连接工艺改卷边对接产品结构为角接设计，采用Permanova熔焊激光头，搭配压力灵活可调、随行的单压轮单元完成对焊接母材的夹紧，加上非接触式光学焊缝跟踪系统实时识别焊缝位置，见图8。该工艺应用有以下显著优势。

图8 侧围-顶盖角接激光深熔焊示意

a.缩短法兰边宽度，降低整车质量；

b.不需要高精度的顶盖-侧围卷边对接尺寸要求，产品容差大，调试难度低；

c.没有复杂的顶盖定位夹紧工装，省去焊接前清擦工艺，焊接过程中不添加钎料，大大降低了工程投入和运营成本。

4.1.3 车门折边-激光填丝熔焊

通常，车门四周采用传统的折边工艺进行连接，内外板连接前涂敷折边胶提升连接强度，采用机器人滚边、模具压边或专机包边的形式完成外板对内板的包覆成型。该种工艺外表面质量相对不稳定，且在折边工艺后需考虑复杂的防窜动工艺（单边焊、感应加热、CMT++焊接等）来保证内外板间的相对尺寸，加上铝合金零件的折边性能差，易出现开裂问题，目前宝马、奔驰等豪华品牌创新开发并应用激光填丝熔焊在铝合金车门折边位置。首先对外板进行预折边变形，然后在内板和外板形成的角接焊缝位置添加钎料进行熔化焊接，如图9所示。该工艺能够省去折边胶、折边、防窜动等复杂工序的同时，能够获得良好、稳定的外表面质量。

图9 车门折边激光填丝熔焊应用示意

4.1.4 激光熔焊工艺多种创新应用

激光熔焊工艺以其不添加钎料、扫描范围大、非接触加工等优异特点，成为各主机厂创新开发、拓展应用场景的首选对象。针对焊点规律、密集且可达性差的位置，各主流汽车厂商尝试并开发多种新型激光熔焊工艺，既能有效提升加工效率，也能降低工装夹具的复杂程度，最重要的是能够提升整车轻量化水平，如表7所示。

表7 创新激光熔焊工艺应用一览

4.2 激光技术不断进步

4.2.1 三光斑激光钎焊

随着热镀锌钢板在白车身上的广泛应用以进一步提升整车的防腐性能，激光钎焊工艺应用时，靠近接头部位的微小污渍会带来严重的焊接后微波问题，喷漆后清晰可见。自2016年开始，由大众公司和Laserline合作开发，在Scansonic AL03钎焊头的旋转轴后安装“质均化模块”，将原本Laserline激光器传导的单束激光束，通过质均化模块，转换为1个主光斑-矩形光斑，左右各1个前光斑-圆形光斑。两个前置圆形光斑可称之为剥蚀光点，对两侧待连接的热镀锌钢板进行表面预清洁，清除表面油污、污渍，并预热母材，在改善钎料的流动性的同时，能够得到更洁净的成形状态，有效降低微波、飞溅和凹槽问题，紧跟其后的主光斑-矩形光斑负责完成主要的钎料熔化、连接工作。

针对不同的产品结构设计，为保证钎焊的质量和稳定性，通过“质均化模块”，一方面可以精确调整两个前圆形光斑和主矩形光斑的相对位置；另一方面可以合理分配三个光斑的能量配比。因此该方案也成为解决热镀锌钢板激光钎焊的首选方案，如图10所示。

图10 三光斑激光钎焊工艺示意

4.2.2 摆动焊接

摆动焊接是基于激光非填丝熔焊在角接焊缝应用场景下的技术革新。由于冲压件尺寸的不稳定性、工装夹具的定位波动、制造过程中的误差等因素，角接板材之间不可避免地会出现板材间隙、焊缝位置波动等情况，造成焊接之后出现气孔、熔深不足、连接强度不足等问题。

目前主流的激光飞行焊3D扫描振镜，通过一组可移动（控制焦点Z向）、两组可转动（控制焦点X、Y向）的振镜实现3维空间的自由加工。在角接焊接过程中，采用光学焊缝跟踪系统扫描焊接位置，在获得板材间隙数据结果后，通过软件控制自动调整Y向振镜的摆动振幅（采用模拟量控制0～10 V）和摆动频率（5～500 Hz之间），来克服板材之间的间隙（一般应小于0.5倍的板材厚度），扩大母材本身的熔化面积，同时搅动熔池促进熔融物与母材形成冶金结合，有效保证焊缝接头的强度和面品质量。实验证明，该项技术还能够进一步降低焊接气孔和飞溅的产生，如图11所示。

图11 摆动焊接在角接焊缝应用示意

目前摆动焊接技术已成为奔驰、宝马、奥迪铝合金车门窗框部位的角接激光飞行熔焊工艺中的标配技术，并在电池托盘、发动机零部件的角接接缝焊接中应用广泛。

4.2.3 激光功率自适应调整

在角接激光飞行熔焊工艺应用下，如果采用传统的常量功率输出，由于角接结构独特的产品特点，功率过小则连接强度不足，功率过大则会出现热影响区过大、下层板熔透甚至熔断的缺陷产生。通过采用功率自适应调制模块，在摆动焊接的截面方向上配合灵活、恰当的激光功率，一般情况下，激光功率输出与理想状态下熔融截面的Z向高度成正比，来获得理想的熔融连接接头且不损伤母材本身，如图12所示。

图12 激光功率自适应调整焊接对比图

4.3 检测技术同步发展

将焊接工艺过程分为焊前、焊中、焊后3个阶段，各阶段分别有产品测量、过程监控、质量检查的工艺需求，如图13所示。工艺规划阶段，需要通过充分考虑不同阶段的不同需求，以最经济的成本投入，最简化、集成化的系统设备组合，实现焊接过程的柔性化、数据化、智能化。

图13 激光焊接过程的工艺需求

4.3.1 焊前产品测量

由于单件的冲压误差、制造过程的不稳定性等因素，待连接焊缝的状态是不稳定的，通过采用不同的焊缝跟踪手段，识别待连接接缝的实际位置，测量母材的变形状况和母材之间的间隙，然后系统调整激光的聚焦位置、功率、摆动幅度或频率等，实现自动补偿。目前主流的测量跟踪手段有以下两种。

a.填丝焊接-接触式机械焊缝跟踪。接触式跟踪系统是Scansonic公司的专利产品，利用焊丝做机械式传感器并自动补偿。焊丝沿焊接方向行进，接缝位置的微小变化体现在焊丝接触受力的不同，通过ALO3钎焊头上的偏摆臂实现焊接侧向补偿（±90°），伸缩臂实现焊接高度方向的补偿（±5 mm）。

b.角接非填丝熔焊-非接触式光学焊缝跟踪。基于光学三角测量原理，在3D偏振镜头上集成激光传感器、焊缝跟踪摄像头，投射激光束经工件表面反射，由摄像头进行收集成像，通过坐标变换计算得到焊缝截面的2D截面，也就得到了焊缝的实际位置、母材之间的实际间隙，并将该数据自动补偿，自适应调节工具中心点位置，并且根据焊缝间隙变化调节焊接速度、激光功率和振镜摆幅等参数，见图14。

图14 非接触式光学焊缝跟踪示意图

4.3.2 焊中过程监控激光焊接过程中通过记录焊接工艺微观过程，同步对过程参数进行记录、监控，有利于调试阶段参数优化、量产阶段质量问题分析。

以激光钎焊工艺为例，北京奔驰汽车有限公司选配了Weldeye过程监控系统，将照明、摄像、控制模块集成在ALO3钎焊头上，实现一体化集成设计，通过高速高清相机清晰拍摄焊接反应微观过程，并同步记录下焊缝编号、零件编号、激光功率、送丝速度、焊接位置等参数，实现焊接参数、焊接过程的同步可视化，如图15所示，既能够识别焊接过程的孔洞、漏焊等缺陷，也能在缺陷发生后进行过程和参数重现，大大缩短了问题、故障的分析解决时间。

图15 激光钎焊Weldeye工作示意图

4.3.3 焊后质量检测

针对不同类别的连接工艺以及不同的质量要素要求，目前行业内呈现出多种高效的解决方案，能够对焊缝的连接强度、密封性、表面质量进行有效的在线监控，提升生产线的自动化水平的同时，能避免不良产品流入下道工序，同时为工人返修提供直观便捷的指导。

a.激光飞行焊。一般情况下，激光飞行焊工艺并无密封性和目视质量要求，因此该工艺的质量检测集中在强度要素上。目前北京奔驰汽车有限公司采用德国Hema公司开发的Visir(钢件应用)和Visal(铝件应用)产品对激光飞行焊进行焊后拍照检查，通过拍摄焊缝的红外热影响区，与理论焊缝形状进行比对，识别并预警强度缺陷。目前行业内涌现出其他两类主流解决方案。

Precitec公司开发的LWM产品，收集焊接过程的等离子云、激光束反射、热反射三类过程参数信息，与批量合格产品的过程参数进行差异性对比，间接监控焊缝的强度。

基于相干干涉成像技术，测量激光束可以直接测量焊接匙孔的底部深度，即直接测量熔深数据，目前IPG公司开发的LDD-700属于该类型的代表产品。

b.激光填丝焊接。针对该工艺在白车身上应用位置的不同，成品零件对强度、表面、密封性有不同的质量要求。目前行业内涌现出的多种填丝焊接焊后检测方案，但均未解决强度要素的测量，即无法测量钎料桥接接头的截面轮廓。各检测系统的核心思路大体一致，基于光学三角测量原理，激光束扫描待测量焊缝获得外表面轮廓的2D成像，在连续、多帧、匀速的2D成像技术上，通过轮廓拼接技术生成3D图像。与标准焊接截面进行差异性比对，能够识别飞溅、凹坑、孔洞、过切、凹槽等表面质量及密封性缺陷。北京奔驰汽车有限公司批准采用的填丝焊接检测系统有两种：EHR Tivir和W+R Ro⁃biscan系统，其中HER Tivir系统基于透射光原理能够高效、精确地进行密封性检查，如图16所示。

图16 EHR基于透射光原理进行密封性检查

5 结束语

一方面，在汽车电动化、轻量化的发展趋势下，更多铝合金材料应用、更加灵活简洁的产品结构设计出现在白车身上；另一方面，国家大力发展智能制造、制造业升级，推动制造技术的智能化、柔性化、绿色化发展。这无疑对相应的连接技术在可行性、经济性、高效性、智能化和质量保证等方面提出更高、更严苛的诉求，而激光焊接技术历经40多年的积淀、发展，伴随着工艺设计、激光技术、检测技术的不断创新和进度，成为此背景下的优异解决方案，不断拓宽应用场景和应用深度，将在白车身制造领域扮演越来越广泛、越来越重要的角色。