激光焊接在汽车行业的运用

世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域。 在上个世纪八十年代，激光技术运用于汽车领域，主要是运用激光焊接车身。  
    那么，什么叫做激光技术？激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点靠近工件，工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称Nd:YAG激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG代表钇铝柘榴石，晶体结构与红宝石相似。Nd:YAG激光器波长为1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工，通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为3-4千瓦的Nd:YAG激光器。另一类是气体激光器，又称CO2激光器，分子气体作工作介质，产生平均为10.6μm的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激光功率在2-5千瓦之间。  
    明白了什么是激光技术，那么，激光技术又是怎样运用于汽车领域的呢？特别是激光焊接技术在汽车行业的运用。目前，车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加在点焊电极上的电流将零件的接触表面熔化，然后在压力作用下连接在一起，主要用于车身构件及车架的焊接。缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极，滚轮电极传递焊接电流和压力，其转动与零件的移动相互协调，产生连续的焊缝，主要用于密封性焊接或缝点焊工件，例如油箱。二氧化碳焊是一种电弧焊，即局部加热来熔化和连接零件而不需要施压的一种焊接方法，在电极与工件之间的电弧作为热源，同时施加二氧化碳遮住电弧和熔化区，使之与大气隔开，主要用于车身蒙皮的焊接。它主要具有：易于控制，速度快，自动化程度高；由于局部加热，所以工件不会产生热损伤，热畸变小；焊接精度高，重复操作稳定性好，成品率高；非接触性加工，无需焊接辅助工具；焊接时不用焊条或填充材料，可以得到无杂质无污染的焊缝；可实施异种材料的焊接，也可焊按常规方法难以焊接的材料；焊接在空气中进行，与真空电子束焊接相比，不需要真空室，不产生X射线这些优点。  
    汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处，目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件，零件焊接部位几乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经广泛采用，常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。目前，新的激光焊接有激光混合焊接技术、双焦点激光焊接技术两种。激光焊接运用于汽车可以降低车身重量、提高车身的装配精度、增加车身的刚度、降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目同时将其整体化是非常必要的。
谈到汽车行业运用激光焊接技术上，我们最先想到的就是德国人，德国人最先把激光焊接技术运用于汽车。我们以宝马和大众为例可以看到，在20世纪90年代中期，BMW公司利用激光焊接机器人完成了BMW 5系列轿车的第一条焊缝，焊缝总长度达12m。到2003年7月，激光焊接焊缝的总长度累计达到150万米。在新的激光焊接技术方案上，德国大众Touran轿车就是一个很好的例证。在这一新型轿车中，激光焊点的数量达到了1400个、焊缝的总长度达70m。同时，奥迪也采用了激光焊接技术来焊接车身。在舒适、美观的敞蓬轿车的生产中，VW公司的技术人员与奥地利的焊接专家Fronius公司合作研制开发了一种激光混合焊接技术。在高级敞蓬轿车的车门上，激光混合焊接焊缝的长度达到了35.7m，是纯激光焊接焊缝长度的3倍。在中国即将上市的一汽大众生产的紧凑车型Sagitar，又叫速腾，即使是“小车”，可是速腾的激光焊接却达到了30多米长。高尔夫的焊接长度方面，激光焊接也长达52.5m，Polo的全车身激光焊接总长度也达到6591毫米，  
    在激光混合焊接技术上，德国大众的材料专家认为：与纯激光焊接技术相比，利用激光混合焊接技术可大大提高板金件缝隙的连接能力。从而使得VW公司可以更加充分地利用激光高速焊接时电弧焊接的工艺稳定性，大众的Phaeton D1所有车门都采用激光-MIG复合焊。另一个应用实例是BMW 5系列的宝马轿车的铝合金隔板采用这种激光混合焊接技术与内高压变形加工的铝合金支架焊接在一起。在双焦点激光焊接技术上BMW公司采用了双焦点激光焊接技术。因为该技术在铝合金材料的焊接过程中有很好的性能，因此广泛应用于BMW公司的大批量生产过程中。  
    采用激光焊接的车身提高了车身30%多的钢度，从而提升了车身的安全性；同时也减轻了车身重量，还可以达到省油的目的；焊接的精度也大大得到了提高。这些，都帮助降低了汽车的生产成本，最终还是消费者受益，正所谓“科技以人为本”。   
    目前，在国外，德国大众公司在Audi A6、Golf A4、Passat等品牌的车顶均采用激光焊接，宝马、通用公司在车架顶部也采用激光焊接，通用、丰田、福特、宝马 、菲亚特、奔驰、大众公司均采用激光拼焊板技术，美国三大汽车公司、德国奔驰公司则采用激光焊接传动部件，大众公司 、通用公司 、奔驰公司 、日产公司应用了激光切割技术，菲亚特和丰田公司用激光涂覆发动机排气阀，大众公司发动机凸轮轴实现激光表面硬化处理。  
    在国内，从国内国产高品质车型，如：帕萨特、别克、奥迪等都采用激光拼焊板向激光焊接的转变上，国内开始了采用激光焊接技术的转变，在国内首先采用激光焊接技术（而不是激光焊接）方面，走在前列的还是一汽大众，同时部分国内汽车厂商也渐渐开始采用这种技术。激光技术目前在一汽的应用方面， 一汽大众Audi A6顶盖和BORA后罩盖采用激光焊接，速腾（Sagitar）分别在车身的顶部、后罩盖等多处采用了激光焊接技术，焊接长度达到30多米。一汽使用的设备为德国Hass YAG 3KW激光器和Kuka机器人，一汽轿车公司轿车车身覆盖件采用激光切割，使用设备为德国ARNOLD 3KW三维五轴CO2激光加工机，一汽底盘零件厂刹车蹄片采用激光硬化处理，使用设备为国产2KW CO2激光加工机，一汽模具中心薄板件为激光切割，使用设备为国产1.5KW CO2激光加工机。随着激光焊接技术的成熟和激光焊接机的价格下降，中国的奇瑞汽车也开始采用激光焊接技术。