激光焊接技术在汽车制造中的应用分析

激光焊接技术在汽车制造中的应用分析

陆荣幸，韦柳芳

柳州源创电喷技术有限公司

摘要：由于国际经济的飞跃发展，汽车制造领域的工艺技术在持续升级。其中激光焊接技术在应用期具备较强的高密度、难变形等特点，已经在整个汽车制造领域得到广泛关注。在接下来的研究中，笔者着重探讨了激光焊接技术的具体应用，希望能够为业内人士带来一些技术层面的启发与指导，为促进汽车制造行业的可持续发展带来支持与帮助。

关键词：激光焊接技术；汽车制造；应用

引言：由于科技的持续发展，激光焊接已经成为一类比较先进的生产工艺，且逐渐在工业领域得到全面推行，尤其是汽车制造行业对其备受重视。通过数据调查发现，在西方发达国家的汽车制造行业中，约有60%以上的零组件是通过激光焊接技术来操作的。比如：汽车车身构件的焊接，则需要把厚度、材质等不一的钢板通过先焊接、再冲压的工艺给予处置，这不但能够大大节约原料，而且还能够增强 材质的应用 强度与韧性。

与传统单一的焊接工艺进行对比，激光焊接技术的优势是非常显著的，它能够形成非常大的熔深，针对一些较大的缝隙也能够发挥极强的焊接效应；并且，它还具备非常强的焊缝性。根据其作用原理来看，激光焊接技术主要利用焊丝则对焊缝的组织构成实施调整，并且于焊接期间 还可以实现无焊缝背面低垂等目的。考虑到该技术具备不同的优势，西方国家已经将其广泛地运用到汽车生产行业中，并获得理想的经济效益。

一、激光焊接技术概述

根据传统的激光焊接技术的实际应用来看，它存在一些无法取代的竞争优势，具体包括：

（一）焊接质量佳，变形、残余应力等较弱

焊缝具备较强的抗拉伸力，并且激光焊接组件的过程中，其疲劳强度通常与传统的焊接技术相比，明显多出20%，乃至会更高一些[1]。

（二）焊接速率快，热输入量小

基于正常的环境下能够随机操作，可以满足大范围、大规模等工业化制作等需求，且应用范围广泛，在工业领域中能够全面普及。

（三）由于光束传导便捷，激光焊接自动化高

     在光束传导等效应的作用下，其具备极强的灵活性，能够和机器人、数控系统等融合，从而最大化地增强工业焊接质量。

    （四）激光焊接技术应用的材料类型丰富

适合采用激光焊接技术的材料是非常多的，例如：钛合金、镍基高温合金、工程塑料、铝合金等。针对不同类型材料之间的焊接操作，例如：铸造高温合金和奥氏体不锈钢、变形高温合金等，均可以广泛地应用激光焊接技术，由此能够强度适宜的接头。

（五）聚焦后的焦点中径长小，极易穿透焊区

一般来说，在直径20mm激光束聚集之后，其焦点直径一般只有0.2mm，焦长范围控制在150-200mm范围之间，由此来看，激光穿透性极强，存在非常高的深宽比，它能够处理 一些结构非常繁琐的焊接任务，这对于机械设计与生产等行业的发展带来很大的支持力。另外，激光焊接技术能够 对相关组件的内部结构进行调整与优化，从而获得传统工艺无法生产出来的一些特殊构件。

总之，激光焊接技术在不同领域中的运用是非常常见的，它并非是普通的焊接新工艺的 研发，也并非单一的工艺的取代，却是通过系统工程等工艺把是生产技术、材料工程、 机械构造规划等全面融合，由此能够实现集成创新。其中需要注意的是，很多创新性的产品主要是在不同系统配合的前提下生产出来的，它通常具有节能、环保等特点。这些年来，激光焊接技术在西方发达国家中的普及范围非常广泛，比如，单车生产中激光焊缝的总长度能够突破74m，这已成为现今汽车制造行业的一个重要技术标准[2]。

二、激光焊接技术的进展概述

（一）激光器技术

在目前汽车生产与其它工业领域中，已经实现广泛普及的大功率激光器主要有两种，即：

CO2激光器与Nd：YAG激光器等，但是这两类激光器而言，其在焊接行业中应用及研究正处在发展初期。对于CO2激光器来说，它能够适应于大熔深激光焊接等要求，通常是按照持续工作的方式来完成各项操作，常见的有两种，即快轴流与Slab型。与前者进行对比，后者的结构相对紧致，并且气体消耗量非常小，后期维护费用不多。现今， 国际上CO2激光器的输出功率上限是48KW，工业领域中配置的激光器输出功率通常是在700W-1200w之间。现阶段，国内能够自主研制的快轴流激光器的输出功率上限是3kw。对于Nd：YAG激光器来说，它主要是借助于光纤传输来发挥作用的，通常适用于柔性生产与远程生产等条件。现今，西方国家中Nd：YAG激光器的输出功率上限是10kw，但是诸如汽车制造等领域来说，其使用的Nd：YAG激光器的功率上限值通常是3kw或者4kw。这些年来，基于半导体泵浦的Nd：YAG激光器  生产技术有了显著性地提升 ，其输出功率的上限值已经超过了基于氙灯泵浦的Nd：YAG激光器的相同等级。比如：飞利浦集团研制的氙灯泵浦Nd：YAG激光器的输出功率上限是55kw，但是基于半导体泵浦的Nd：YAG激光器的输出功率上限则已经突破60kw。与西方国家进行对比，我国针对大功率Nd：YAG激光器技术的研发存在明显地滞后性，现今还未自主研发出千瓦级的Nd：YAG激光器，所以在技术研发方面，必须要尽快地克服各种阻力与障碍。

除了以上两种之外，还存在一种半导体激光器，其具备的特征是：波长小、自重轻、转换灵活、维护成本小、运行周期长等，是今后工业领域中激光器的一个重要应用趋势。西方国家逐渐尝试通过大功率半导体激光器等实施铝合金材料焊接实验，最后发现能够得到一个2mm的焊接熔深。不过，对于半导体激光器而言，其存在一个非常典型的问题——光束模式不足，光斑面积大，所以功率密度小，这也是在未来工业领域中运用半导体激光器的一个需要尽快解决与克服的难题。

（二）激光焊接过程检测及质量管理

在激光焊接操作期间，整个环节检测 与质量管理是激光焊接行业必须要重点关注的一个问题，通过电感、声波、光电等一系列复杂多样的传感器，借助于人工智能与计算机处理技术，结合各类激光焊接过程与实际操作需求， 由此能够灵活性地解决焊缝追踪、缺陷评估、焊缝成形质量健侧等问题，且利用反馈调整焊接工艺参数，由此能够在自动化激光焊接的过程中，尽可能地增强焊接质量。如图1。

图1  激光焊接过程监测原理示意图

1.激光焊接过程监测。它主要是通过不同类型的传感器对激光焊接操作环节形成的等离子体等实施监测，结合监测信号的差异性，激光焊接质量监测策略一般包括：①光信号监测。主要是对激光焊接期间的等离子体具备的光辐射、熔池光辐射等实施监测。通过监测系统的配置等进行分析，它一般是指与激光束同轴的侧端监测、背部监测、直视监测等。其中，配置的传感器的内部结构一般包括：光电池、高速摄影机、光谱分析仪、光电二极管等。②声音监测。具体来说，则是对焊接期间形成的等离子体的声振荡、声发射等实施监测。③等离子体电荷信号。主要是针对焊接喷嘴与构件宝成等离子体的电荷变化等实施监测。通过光电传感器对激光焊接期间的等离子体光辐射情况实施监测，这也是用来保障焊接质量的一个关键策略。根据世界各国的调查与研究能够发现：通过光电传感器能够智能分析焊接环节中由于激光功率、焊接速度、焦点方位、喷嘴到构件表层路距等指标的变化造成的焊缝熔深与成形质量等波动，这不但能够发现其中出现的烧穿、驼峰等一些焊缝形成缺陷，而且能够在特定技术环境下能够评估焊缝内部质量，例如：气孔倾向的变化趋势。

2.激光焊接环节管理。其要点一般是指：灵活调整焊接工艺参数。在激光焊接操作过程中，光束焦点方位是影响激光深熔焊接质量一个非常重要且极难监测的指标。基于特定激光功率、焊接速度等要求下，唯有焦点固定在一个最理想的区域内，方可得到最大熔深，且具备理想的焊缝成形结果。如果偏离这一区域，必然会减小熔深，乃至会对深熔焊的操作稳定性、有效性等造成破坏，从而持续不稳定焊接等情况。不过在具体激光焊接操作期间，也面临着一些复杂因素影响焦点位置的稳固性，如图2，例如：由于非平面组件、焊接变形导致焊接喷嘴至构件路径变化等。那么该如何第一时间明确激光焦点方位，且将其限定在一个理想的区域内，则是激光焊接过程中必须要尽快解决的一个重要工艺难题[3]。

图2   焦点位置双闭环控制激光焊接样品

（三）新型激光焊接技术与措施

1.双/多光束焊接。它的创建目的是为了得到更大的熔深，并确保焊接过程更加稳健，由此能够获得一个最理想的焊缝成形结果，其操作原理是能够把超过2台以上的激光器输出光束聚焦于相同区域，由此能够大大增加总的激光能量。随后，由于激光焊接技术的应用范围不断扩大，若要避免在厚板焊接，尤其是铝合金焊接期间发生的气孔问题，通过传统的后排列、平行排列的两束激光进行焊接处理，由此能够最大化地增强焊接小孔的稳健性，真正地降低焊接失误率[4]。

2.激光-电弧复合焊接。这是现今激光焊接行业中的一个重要科研方向，它的形成是伴随着工业生产技术的升级来实现的。激光焊接自身具有间隙适应性不足等问题，也就是说，极弱的激光聚焦光斑对焊前构件的生产组装要求非常苛刻。并且，激光焊接是一种通过自溶性焊接进行处理的焊接技术，通常无需填充金属材料，所以在焊接部分高性能材料的过程中，对焊缝的组分、组织等控制 力度不易掌控。但是，激光-电弧复合焊接兼容了激光焊接超大熔深、高效率、难变形等优势，同时也兼容缝隙敏感性弱、焊接适应性强等特征，属于一类高质量的焊接技术，其具备的特点包括：①能够降低组件组装要求，间隙适应性强；②能够     避免或者减轻气孔问题；③能够在达到极低激光功率的前提下，得到非常大的熔深，同时提高焊接效率，真正地减少成本[5]；④电弧对等离子体具备较强的稀释效应，能够尽可能地减弱对激光的屏蔽功能，并且激光也能够聚焦电弧，确保整个焊接环节更加稳健；⑤通过电弧焊的填丝能够逐步增强焊缝质量，对焊接特种材料而言，具备较强的应用价值。

三、激光焊接技术在汽车制造中的应用分析

现今随着世界工业技术的不断发展，汽车行业是应用激光焊接技术的一个重要产业，在汽车零组件生产、车身研制等过程中，激光焊接已经变成汽车生产领域的一个重要焊接技术。它与传统的焊接技术进行对比，具备的优势是独特的，例如：融合效率高、焊接质量好、自主水平高，且能够尽可能地减少生产成本等。并且，激光焊接技术在实际运用过程中，焊接痕迹相对均匀，不突兀，而且焊条晶粒微小，无需通过一些辅助技术对其实施后期处理。所以，其整体外观是非常理想的，而且在焊缝方面具有洁净功能。由此来看，该技术在汽车制造行业中备受重视是存在很多值得称赞的优势。当然，我们在对其实际应用中，还需要结合具体作业工序进行考虑。整体来看，该技术在汽车生产行业中的应用覆盖三个方面：

（一）汽车零组件的激光焊接

在汽车生产行业中，激光焊接技术的运用最早出现在变速箱的齿轮焊接中，因为这一技术的应用，那么齿轮在焊接之后并未出现变形问题，无需对其实施焊后热处理，同时焊接效率显著提升，所以该技术逐渐受到重视，并且得到广泛运用。西方国家截止到现今都非常看重激光焊接技术在汽车领域中的应用，它的适应范围非常广，例如：尾气排放系统、减震器储油缸筒体、车门胶料铰链等。在国内汽车制造行业中，激光焊接技术的应用范围一般集中在变速机箱齿轮、减震器储油缸等组件中。

（二）激光拼焊技术

在汽车生产行业中，激光拼焊技术的应用是非常理想的，也是最成功的一类技术，它能够为工业企业的发展创造更高的经济效益。根据该技术的作用功能来说，它能够最大化地降低车身重量，也就是说，在对车身进行设计与生产的过程中，能够按照车身的各个区域的功能特点与性能变化等，筛选出钢材等级与厚度不一的钢材，利用激光剪切、拼焊等技术能够对某一区域的组件实施生产与制造。由此来看，该技术的优势包括：能够尽可能地降低零组件的数量、减少模具数量；缩减研发与设计周期；尽可能地避免材料的浪费；能够科学、高效地配置不同等级、厚度、性能的钢材，由此能够最大化地减轻车身自重；减少生产成本；增强尺寸精准性；最大化地增强车身结构强度，确保其行驶更加安全与稳定。

德国大众汽车公司在1985年首次把激光拼焊技术应用到汽车底盘的焊接工序中；日本本田在1987年首次通过添丝激光焊技术进行车身侧端框架的焊接处理；南美国家大规模应用激光拼焊技术是在上世纪九十年代末，在那个年代中，美国为了增强自身在汽车领域的竞争优势，故而提出了“2mm生产计划”，截止到现今，国际上大部分知名汽车生产企业都相继运用了激光拼焊技术，其适应范围非常广泛，例如：车身车架构、车门内板、轮罩板、底板、中间支柱等[6]。

（三）汽车自身激光焊接技术

在汽车生产行业中，激光焊接技术的一个关键应用是集中在汽车车身框架的组装方面，具体来说，则需要通过激光焊接技术来完成这一工序，其中一个最有代表性的实例是汽车车身顶棚和车身侧板的焊接。对于常规的焊接技术来说，一般多见于点焊，不过目前这一技术已经逐渐被激光焊接技术所取代，通过对这两项技术的优缺点对比，我们能够发现：在选择激光焊接技术之后，汽车车身顶盖与侧面车身的搭接边缝明显缩小，并且还能够最大化地减轻钢板的使用重量，同时能够进一步增强汽车的刚性与强度。 现今，这一车身框架的焊接技术在很多著名汽车生产企业中的应用是最普遍的，也是广泛的，比如：奥迪A2车体框架主要是通过铝合金材料制作而成的，与相同结构的钢材进行对比，其重量缩减了44kg，其中，在使用激光焊接技术进行处理的过程中，其焊缝总长度能够突破30m。在我国上汽集团的大众Passat车型、广汽丰田的大部分新型车型等，相继普及了激光焊接技术，这属于国内汽车生产行业中的一个不容忽视的产业现象，也代表着我国汽车行业的焊接技术在不断升级和优化。

四、结束语

总而言之，通过我们对汽车生产行业中激光焊接技术的应用，我们能够发现：这一技术具备较强的应用功能，且在未来工业 行业中的发展前景是非常好的。尽管我国工业领域在应用激光焊接技术方面还存在一定的滞后性，但是我们发现愈来愈多的汽车制造公司及其它工业企业等，相继在新项目、新产品中运用了激光焊接技术。同时站在激光焊接技术的研发层面进行分析，我国大部分科研单位都获得了一些值得借鉴的研发成果。伴随着我国汽车行业的持续发展，笔者相信在未来的发展中，激光焊接技术的应用会愈加广泛，并且能够为促进汽车行业的可持续发展贡献更大的价值与力量。

参考文献

[1]郭建军. 激光焊接技术在汽车制造中的运用与发展分析[J]. 2020.

[2]汪航. 激光焊接技术在电梯部件制造中的应用[J]. 中国电梯, 2020, 31(16):3.

[3]王洪潇, 王春生, 何广忠,等. 激光焊接技术在轨道交通车辆中的应用[J]. 城市轨道交通研究, 2020, 23(4):4.

[4]任少蒙. 探究自动化焊接新技术在机械制造中的应用[J]. 中国新通信, 2020(1):1.

[5]姜立岩, 韩洪涛. 汽车制造中激光焊接技术的应用及可行性建议[J]. 内燃机与配件, 2021.

[6]刘帅. 激光焊接技术在汽车零部件生产中的实际应用[J]. 时代汽车, 2021(18):2.