汽车车身激光焊接技术的现状与发展趋势.docx

汽车车身激光焊接技术的现状与发展趋势汽车产业的迅猛发展加速r汽车制造技术的不断创新、发展和应用。汽车车身作为汽车其他零部件的载体，具制造技术和制造水平直接决定r汽车整体的制造质量。在汽车车身制造过程中，焊接是重要生产工序。目前用于汽车车身焊接的焊接技术手段主要包括电阻点焊、MiG和MAG焊接以及激光焊接。其中，激光焊接从20世纪80年代开始应用于汽车车身焊接，之后随着汽车行业对汽车生产效率和生产质量要求的提升和激光技术的不断发展，激光焊接技术逐渐成为汽车车身焊接的核心技术。激光焊接技术作为光机电一体化的先进焊接技术，与传统的汽车车身焊接技术相比具有能量密度高、焊接速度快、焊接应力及变形小、柔性好等优势。汽车车身结构复杂，车身部件以薄壁、曲面构件为主，汽车车身焊接过程面临车身材料变化、车身部件厚度不一、焊接轨迹及接头形式多样化等焊接难点，同时对焊接质量和焊接效率有很高的要求。通过探索合适的焊接工艺参数，激光焊接能保证汽车车身关键部件焊接的高疲劳强度和冲击韧性，从而保证车身焊接质量和使用寿命，满足汽车对安全性能需求的日益提升；激光焊接技术能适应不同接头形式、不同厚度以及不同材料类型的汽车车身部件焊接，满足汽车车身制造过程的柔性化需求。因此，激光焊接技术是实现汽车产业高质量发展的重要技术手段。本文首先介绍了激光焊接在汽车车身焊接中的应用，然后主要从汽车车身激光焊接工艺、汽车车身激光焊接智能化技术两个方面介绍汽车车身激光焊接技术的主要研究现状，最后对汽车车身激光焊接技术的发展趋势提出分析。一.汽车车身激光焊接工艺汽车车身主要由两大部分组成，分别是车身框架和车身蒙皮。其中，车身框架主要包括上边梁、下边梁、纵梁、横梁、立柱等部件;车身蒙皮主要包括顶盖、侧围、隔板、翼子板、前后车门盖等部件。通过将车身框架部件和车身蒙皮部件焊接在一起，形成完整的汽车车身。当前主流汽车制造过程中，其车身材料仍主要使用金属材料，主要包括钢、铝合金、镁合金等，此外夏合材料有少量的应用。汽车车身各部件常用金属材料如表1所示。TpcUr11Mtcria1.Gnv>1.Mvc1.1.u*hardn5>.1。少wm1.c>tvngthSkv1.SpwiA1.S1.ctf1.HighWnMIVNrVngihHighumi1.cWcn1.h.”塔hC1.U叩IhOn.<kxJ41.gucMfcnA1.uminum1.knNbgneMumjk>AIA-SMgAbZnZnZrGoodv11vMnfsMc.OXidd1.ionrcNaciitx1.PrgC3dtyIhtfh»peci!kMrvngth.good¼urkjb1.(y.胪Z*bM*p1.t<*nU1.、bn>f(nandXhOCkAPPbCM1.onFenders,bumpf¼.vt1.xKfiurbodyNIdA¼Ing,.tkx>c¼.ru4.*¼kpunch,dv.Kix!)IiMb«k«d<u1.etpane1.,doers,topcu%c.H.Btn於CICS1.eCTINubed*kkt<>n.Scaixde.表1汽车车身常用金属材料Table 1 Common1.yusedmeta1.materia1.sforautomotivebody汽车车身焊接过程中针对不同在身材料和不同接头形式使用不同的激光焊接工艺。目前应用在汽车车身焊接领域的主要激光焊接工艺包括激光深熔焊、激光填丝焊、激光钎焊以及激光电弧熨合焊接。几种不同的汽车车身激光焊接工艺特点如表2所示。Procca1.aserdeep1.acrwireIaMrrbrazc1.mt-mvC1.mCtCnMi6PtfnCIrstAonwe1.ding61.1.nguckhnguddnghy11duc1.dn(1.aserPUWcrHigherHigh1.v1.oWWe1.dingspeedFaMcrSk>*FwFasterWckiing加bi1.1."UnsUbkStab1.eStab1.eSub1.cGapToferanctf1.oWHighHHighApp1.ica1.ionTcpcxncr.<kwcocr.bodyIhune.etc.Doorcover,ba1.1.cryho<ng4de.Topco%er.x*cover,bodyframe,etc.Doe*cover,kipbtfnm.Ce.ComponentMatcnabS1.cc1.a1.uminuma1.1.oyStee1.,a1.uminuma1.1.oyStee1.,a1.uminuma1.knStee1.,a1.uminumIIOyJointformCAcrIerOver1.ap,comerOCfUerButtjointcomerjtn(pmjmJVt1.MWc1.ddepthMidthra1.k(BigAdjuMjHcSma1.1.,¾dju¼tabkTCnZkMrcngthofWCIdseamHigherHigh1.ouHigh表2汽车车身常用激光焊接工艺Table 2 Common1.yused1.aserwe1.dingprocessesforautomotivebody1、汽车车身激光深熔焊工艺激光深熔焊是指激光功率密度达到一定水平时.，使材料表面发生汽化而形成匙孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静压力和表面张力达到动态平衡，激光可通过匙孔照射到孔底，随着激光束的运动形成连续的焊缝。激光深熔焊焊接过程中不需要添加辅助焊剂或填料，完全利用工件F1.身材料焊接为一体。激光深熔焊工艺的示意图如图I所示。激光深熔焊得到的焊健一般光滑平直，变形量小，有利于提升汽车车身的制造精度；焊缝的抗拉强度较高，保证了汽车车身焊接质量;焊接速度快，有利于提高焊接生产效率。在汽车车身焊接中，激光深熔焊工艺可以满足车身组焊和拼焊的焊接需求。在车身组焊中主要用于车身顶盖、侧围、车门等区域的焊接，采用该工艺的相关企业包括福特、通用、沃尔沃等：在车身拼焊中主要用于不同强度、不同厚度、不同涂层的钢板焊接。在汽车车身焊接过程中使用激光深熔焊工艺可以大幅减少零件、模具及焊接工装数量，从而降低车身F1.重和生产成本。然而，激光深熔焊工艺对待焊部件的装配间隙容忍度较差，需要将装配间隙控制在0052mm之间，若装配间隙过大，则会产生气孔等焊接缺陷。I.um*b*an图1激光深熔焊工艺示意图Fig.1.Schematicdiagramof1.aserdeeppenetrationwe1.ding在汽车车身焊接中，同种材料焊接的需求量大，以车用高强钢和铝合金为代表的同种金属汽车车身激光深熔焊工艺得到广泛研究。王顺利等对汽车高强钢进行激光深熔焊工艺探索。研究结果表明，当激光功率在225kW时，焊缝形貌良好，且焊缝深宽比较大。李志伟通过改变激光功率和焊接速度对DP780车用镀锌高强钢进行焊接实验。结果表明，在零间隙条件下，焊接质量随激光功率增加而提高，随焊接速度增加而降低。黄坚等发现在保证焊健适度熔透的基础上，最小临界速度和最大临界速度随激光功率的增加而线性增加，随钢板厚度的降低而增大。董丹阳等分析了脉冲Nd:YAG激光器的焊接速度对1.4mm厚DP780车用高强钢焊接质量的影响，结果表明其他参数不变的情况下，焊接速度为40Ommmin时焊缝表面光滑，内部无气孔缺陷，但是在不同焊接速度下焊缝均存在熔合区硬化和热影响区软化现象。可见，通过调节激光功率和焊接速度，影响焊缝熔深、熔宽等焊缝形貌。Mei等结合汽车车身激光焊接镀锌钢构件的特点，对比了不同激光入射角对焊接质量的影响，研究认为当镀锌钢板厚较小、焊缝宽度较窄时，可适当增大激光入射角：当装配间隙较小时，激光束的入射角不应过大。Franz等使用不同直径的激光光斑对车用镀锌钢进行焊接实验的对比，研究发现较小的光斑宜径有利于减少焊接过程的S溅和焊健中的气孔缺陷。在保证焊健表面成形质量良好的基础上,减少焊缝内部气孔、裂纹的缺陷能显著提升焊缝力学性能和焊接构件的使用寿命。周丽等分析了某白车身镀锌钢板激光深熔焊的焊缝气孔缺陷，在调整工艺参数的基础上，优化了激光焊接机器人的运动速度和轨迹。结果表明，焊缝在起始和结束端的烧穿问题得到改善，焊健内部气孔缺陷显著减少。Chen等使用双激光束工艺对Imm厚车用铝合金AA6014进行焊接，通过与单激光束焊接效果对比，证明双光束焊接有利于减少焊缝裂纹，提高焊缝抗拉强度，提高焊接质量和生产效率。随着汽车轻量化进程的不断推进，对车身异种金属焊接需求逐渐提高，近年来针对汽车车身铝合金-钢激光深熔焊接工艺研究取得一定进展。由于铝合金和钢的物性参数相差较大，A1.元素和Fe元素相互反应易生成脆性相，因此对铝合金和钢进行搭接焊时.，需考虑对A1.-Fe金属间化合物（IMC）进行调控。Yuce等探究了不同热输入大小条件下，金属间化合物厚度、焊缝硬度、焊缝抗拉强度等变量的变化趋势。该研究表明，在实现有效焊接的基础上，减小热输入的值可以获得力学性能良好的焊缝。从图2中可以看出，当热输入值为28.5Jmm时，抗拉强度可以达到1087Nmm°然而，当不填充过渡金屈时，铝合金-钢的激光深熔焊的焊缝强度难以满足使用需求。相关研究表明，在铝合金和钢之间添加过渡层能显著改善焊缝成形，提升焊缝的力学性能。在铝合金和钢之间添加合适的过渡金属有以下优势：（1）减少A1.元素和Fe元素的混合，改变IMC的微观结构；（2）添加的金属元素可以与A1.元素或Fe元素反应生成非脆性化合物：（3）当添加的金属元素熔点在铁和铝之间时，能使熔池中温度分布更加均匀。12050252831343740Hcatinput(Jnun)图2不同熬输入水平下焊缝抗拉强度Fig.2 Overa1.1.tensi1.estrengthdependingontheheatinput当前研究表明，在汽车车身同种材料焊接中，通过优化激光深熔焊的工艺参数可以获得表面成形良好、内部缺陷较少、力学性能优良的焊缝，可以满足汽车车身焊接构件的使用需求。然而，汽车车身焊接中以铝合金-钢为代表的的异种金属激光深熔焊工艺还不成熟，虽然通过添加过渡层的方法获得了性能优异的焊缝，但是不同过渡层材料对IMC层的演变影响机制，以及对焊缝微观组织的作用机理尚不明确，需要进一步深入研究。2、汽车车身激光填丝焊工艺激光填丝焊接是在焊缝中预先填入特定焊丝或在激光焊接过程中同步送入焊丝来形成焊接接头的工艺方法。相当于在激光深熔焊的同时向焊缝熔池中输入近似同质的焊丝材料。激光填丝焊工艺的示意图如图3所示。相比激光深熔焊，激光填丝焊应用于汽车车身焊接有两个方面的优势,一是可大幅提升待焊汽车车身部件之间装配间隙的容忍度，解决激光深熔焊对坡口缝隙要求过高的问题；二是可以通过使用不同成分含量的焊丝改善焊缝区域的组织分布，进而调控焊缝性能。在汽车车身制造过程中，激光填丝焊工艺主要应用在车身铝合金和钢材部件的焊接，如奔驰C级车后立柱焊接、奔驰及江淮的商务车顶盖和侧围的焊接、大众某车型的车门盖焊接等。特别是汽车车身铝合金部件焊接过程中，其熔池表面张力较小，易导致熔池下塌，而激光填丝焊工艺在激光焊接过程中通过焊丝的熔化可以较大程度上解决熔池塌陷问题。1.umtbc4iii图3激光