激光焊接技术在乘用车制造中的应用及发展动态

Automobile Technology & Material - - AT & M 视界 - 1988—),作者简介:张林阳( 男,工程师,硕士学位,研究方向为汽车用金属材料轻量化连接技术。2016YFB0300805)基金项目:国家重点研发计划资助项目( 。

张林阳 张敏 高建昊 刘春柏 宋庆军 范艳军1. 130011;2. ( 中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春 中国第一汽车集团有限公司发展制造部, 130011)长春 摘要:激光焊接作为一种优质、高效、精密的束焊连接工艺,特别适合同种及异种金属材料-间的连接,其已在传统钢制车身、全铝及钢 铝混合车身以及底盘核心关键总成与零部件的制造中得到广泛应用。随着汽车轻量化设计与制造水平的不断提升,具有高强、轻质特性的新型优质金属材料或者零部件在汽车上的应用比例将逐年提升。而在连接高强、优质金属合金材料及其零部件方面,激光焊接有着其他连接工艺无法比拟的优点,伴随着激光焊接工艺的不断创新和突破,其将在未来的汽车制造中扮演着不可替代的角色。 关键词:激光焊接 连接 车身轻量化 金属材料TG456.7 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180086中图分类号: 文献标识码:

1 前言

激光焊接是利用高能量密度激光束作为热源来实现同种以及异种材料间冶金结合的一种高效、优质连接工艺[1]。按照工艺过程中母材是否熔化,可分为钎焊、熔焊两大类。其中,在激光钎焊过程中,两侧母材不发生熔化,仅依靠液态钎料与母材间的浸润、扩散与凝固作用实现连接。对于激光熔焊而言,按照工艺过程中是否添加焊丝,又可分为填丝熔焊、自熔焊两大类。焊丝的添加与否及种类选择是基于对母材焊接性的准确、合理评判之上。一般情况下,焊丝的添加可以显著地改善接头的焊接质量、提升母材的可焊性。填丝 熔焊的另一个优点就是可以降低对零件匹配间隙以及制造精度的要求,利于降低制造成本。

激光焊接有着其他电阻焊、电弧焊等连接工艺无法比拟的优点。较高的焊接速度匹配以小光斑、大能量密度的激光束,使得焊接过程拥有更小的热

-输入,继而带来更小的零件变形和较大的焊接深宽比[2]。由于热输入量小,焊缝区域的最薄弱环节—热影响区的宽度也将减小[3],同时熔池液态金属也将以较快的冷凝速度形成强韧性较好的焊缝组织,从而获得强度高、外观与内部质量均为优秀的焊缝。对于碳钢而言,大多数激光熔焊接头的强度基本与母材本体的强度处于同一水平甚至高于母材本体的强度。对于铝材而言,不同系别的铝材连接强度差异较大,但其强度仍明显强于其他熔化焊连接工艺。激光焊接的另一突出特点是柔性化好,可以焊接零件制造过程中难以接近的部位,具有很大的灵活性,特别适合零部件的规模化、宽泛化生

产。近年来,光线传输、机器人制造与控制技术能力的提升以及智能制造战略的实施极大地推动了激光焊接技术在汽车行业中的大范围应用。

基于上述优点,由激光焊接衍生出来的几种连接工艺均已在汽车制造中大放异彩,主要应用集中

-在传统钢制车身总成与零部件、全铝及钢 铝混合车身以及底盘核心关键总成与零部件的制造中。将详细阐述激光焊接技术在上相关区域的应用情况,并结合行业内最新创新研发成果,对下一步激光焊接技术在汽车行业的应用与发展进行了分析与展望。

2 激光焊接在车身制造中的应用 2.1 传统钢制车身总成与零部件中的应用

2.1.1

激光焊接在车身零部件制造中的应用在汽车轻量化快速发展的大背景下,传统钢制车身下一步的发展方向将是结合车身结构的自身特性、承载与受力情况,进行“量体裁衣”式设计,将不同厚度、强度、类别的钢板用在最合适、恰当的位置,以实现最优的轻量化效果。这一思想恰好与激光拼接焊的理念相吻合。从本质上讲,激光拼接焊是一种采用对接方式将所需板材进行连接的自熔焊工艺,板材拼接后再经过冲压工艺制成所需的零件形状,与先冲压后拼焊相比,可减少模具制造的数量与加工成本,同时还有力于制造工艺的简化、材料利用率的提高以及零件制造精度的保证[4]。当前,通过激光拼接焊工艺制造的车身零部件基本上覆盖了整个白车身各个区域,

1如图 所示,包括地板、侧围、车门、轮罩、行李箱等,主要应用以内板结构件、加强件为主,外板件

23应用相对较少。图 、分别为车身前纵梁以及车门内板激光拼接后的焊缝照片。

除激光拼接焊外,在车身零部件制造中应用较多的便是激光自熔穿透焊工艺,采用搭接接头,将叠加在一起的汽车零部件依靠母材搭接面区域处的自熔而连接在一起。对于激光拼接焊而言,其主要是将车身零件的原材料连接在一起,而自熔穿透焊则是将制造合格后的车身零件连接在一起。主要应用于车身内板件、加强件间的连接,主要以双

4层板的搭接为主。图 所示为采用激光自熔穿透焊

B工艺制造的某车型 柱加强板及其局部焊缝照片,制造材料为热成型钢板,焊缝形式为线状断续焊,

C根据实际需求也可将焊缝设计为 型。当被连接件制造材料中含有镀锌钢板时,应充分考虑焊接过程锌的挥发对焊缝质量的影响。一般在结构设计时,会在焊缝附近设有锌蒸气的逃逸通道,从而减少焊

5缝内部气孔的生成。图 所示为某车型车门内板窗口处激光自熔穿透焊焊缝,可以看出其连接结构附近就设有专门的排气间隙。 2.1.2 激光焊接在车身总成制造中的应用激光焊接在车身总成制造中的应用主要体现

在其在白车身框架、车门闭合件以及车身主拼工位中的应用,主要涉及激光自熔焊、激光钎焊两种工艺。根据连接接头形式的不同,采用的自熔焊工艺又可细分为针对搭接接头的自熔穿透焊以及针对角接接头的角接自熔焊两种工艺。在车身框架制造中,采用的是激光自熔穿透焊工艺,主要应用于侧围门框、后围板及前、后风窗口处的三层板、高强钢板以及镀锌板间的连接。其应用不仅提高了焊缝的强度、刚度,还解决了传统电阻点焊在焊接三层板、镀锌板以及高强钢板时,焊接变形大、焊点平整度低、易产生缝隙、母材强度下降的

6问题。图 为一汽大众高尔夫侧围门框激光自熔穿透焊焊缝,焊缝形式为断续焊,从力学性能数据上讲,采用激光焊后的焊缝强度可较点焊工艺提

30%升 左右。在车门制造中,采用的连接工艺也是

7 Q5激光自熔焊。图 给出了国产奥迪 钢制车门的激光焊缝分布情况。可以看出,在其车门窗框连接区域采用的是角接自熔焊,在其车门内板与加强版之间的连接区域采用的是搭接穿透焊,并且两种连接工艺的焊缝形式均为断续焊。对于激光钎焊而言,其焊缝表面较为美观,焊后无需额外添加装饰条或者涂胶,因而常用于车身外板件的连接。侧围外板与顶盖外板、后流水槽以及尾盖上、

8下外板的连接采用的就是激光钎焊工艺。图 为某车型钢制车身车顶盖与侧围外板激光钎焊焊缝的照片,可以看出其焊缝表面质量非常好。钢制

Cusi3,车身的钎焊焊丝一般选择 其熔点要远低于钢的熔点,并且与车身外板用钢材之间有着非常

350 MPA,好的润湿性,焊后形成的焊缝强度高达

DC04)比常见车身用外板( 的强度还要高,可以满足设计以及后续使用要求。其主要的缺点是对于每种车型而言,夹具均需专门设计、柔性相对较差

2.2 全铝及钢-铝混合车身中的应用

近年来,随着车身铝合金材料应用比例的提

-升,激光焊接技术逐步被应用到全铝以及钢 铝混合车身的制造中[5,6],涉及的连接工艺包括钎焊、自熔焊以及填丝熔焊三种。对于铝合金激光钎焊的定义,行业内的分歧相对比较大。由于铝合金的

480~640 oc),熔点比较低( 且受合金成分的影响比

580 oc Al- Si较大。采用熔点在 附近 焊丝焊接时,母材金属存在被熔化的可能性。当钎焊焊丝熔点高于母材熔点时,其连接工艺已经属于填丝熔焊的范畴,只有当钎焊焊丝熔点低于母材熔点时才属于真正的钎焊工艺。在实际生产过程中,由于热输入量无法实现精准控制,即使被焊母材熔点略高于焊丝熔点,很多情况下母材金属也发生了一定程度的熔化。因而,不少业内专业人士认为将铝合金的钎焊改名为钎熔焊更为合适。由于铝合金的钎熔焊在汽车上的应用区域基本和钢制车身的钎焊位置完全一致,也主要集中于侧围与顶

盖外板、后背门、流水槽区域,因而在本文中仍以

CT6铝合金的钎焊代指。例如,在凯迪拉克 后背门上、下外板的连接中就采用了激光钎焊工艺,如

9图 所示。而铝合金的自熔焊及填丝熔焊工艺则主要应用于车门的制造中。不同的厂家由于设计与制造理念的不同,采用的连接工艺也有一定的差别。在车门制造中,宝马汽车搭接接头采用自熔穿透焊,角接接头选择填丝熔焊;而凯迪拉克CT6

搭接及角接接头则均采用自熔焊工艺,其中搭接接头为自熔穿透焊,角接接头为角接自熔焊;奥迪汽车则根据车型的需求,合理选择填丝熔焊及

A8自熔焊工艺,如奥迪角接头采用的是填丝熔

A6焊,而 采用的则是角接自熔焊。

3 激光焊接在底盘总成与零部件制造中的应用

激光焊接技术除应用于车身总成及其零部件的制造外,还广泛应用于底盘核心关键总成及其零部件的制造中,以传动系统零部件中的应用最为常见,采用的连接工艺主要以自熔焊及填丝熔焊为主,采用接头形式以环形对接、端接最为常见,其中环形对接又可细分为轴向对接、径向对接

10两种形式,如图所示。以汽车动力的传递路线为主线,基本上每个传力的关键总成中均有激光焊接技术的应用,包括减震装置、离合器、变速器、传动轴、差速器以及半轴等。

双质量飞轮以及柔性盘总成是汽车变速器中应用最为广泛的减震装置。双质量飞轮是通过自熔焊工艺将飞轮的两部分以环形径向对接的形式连接在一起,这种连接结构设计形式可以显著降低零件内部的焊后应力,继而减轻焊缝内部裂纹产生

11的倾向。图 所示为某车型自动变速器双质量飞轮减震模块及其焊缝放大照片。柔性盘总成则主

DCT要应用于 变速器中,其是由起减震作用的多层

12柔性盘片与花键毂、螺母焊接而成,如图 所示,花键毂与盘片采用填丝熔焊工艺,螺母与盘片通过自熔焊工艺连接,其接头形式皆为轴向对接。 对于离合器而言,其内部的激光焊缝数量高5~8达 条,涉及轴、毂类零件与壳体件、壳体件与壳体件间的精密连接,制造工艺一般为自熔焊工艺,

13接头形式以环形轴向对接最为常见。图 所示为某离合器产品采用激光焊接连接的零部件情况,全部采用自熔焊工艺,图中划线区域代表焊缝所在位置。当对壳体件的强度、刚度要求较高,且冲压钢板无法满足使用要求时,其制造材料一般会调整为中碳调质钢,此时其与轴、毂类零件的连接工艺也相应地调整为填丝焊工艺。采用填丝焊工艺后,有效地解决了中碳钢焊接过程中的裂纹、气孔等问题,有利于保证焊缝的承载强度。

变速器中采用激光焊接制造的零部件主要以各速齿轮总成以及换挡拨叉为主。齿轮总成由各速齿轮与相应结合齿等零件通过自熔焊工艺连接

14而成,如图所示。齿轮总成的接头形式一般设计为环形轴向对接,焊缝分布形式可分为连续性、断续性两种。按照制造工艺的不同又可细分为热前焊、热后焊两种。热前焊是指分体零件焊接形成齿轮总成后再进行热处理加工,热后焊是指分体零件经过热处理后再经激光焊接形成齿轮总成。无论对于热前焊还是热后焊,采用一定的焊接变形控制方法后,可使焊接前后齿轮的精度等

1级变化控制在 级以内。拨叉总成是通过自熔焊的方式将叉爪各部分连接在一起,而后与拨叉轴

15套装、固定在一起而成形,如图 所示。与传统铸

25%造拨叉相比,焊接拨叉可实现降重 以上。

零件的空心化设计是汽车实现轻量化的一种重要手段,已经空心化的零件可通过提升材料的强度,使零件变得更薄,相应的对其成形、连接工艺也提出了更高的要求。当前,一些薄壁、高强空心传动轴、半轴的制造已经开始逐步采用激光焊

16接工艺。图 中花键轴与传动轴管的连接就采用 了激光焊接工艺,其接头形式为径向对接。

近年来随着铸铁与齿轮钢连接技术的突破,螺栓连接、铆接等乘用车差速器壳体与主减速器从动齿轮间的连接工艺逐渐被激光填丝熔焊工艺所代替。采用焊接工艺后,一方面降低了零件的质量,另一方面还提升了其连接强度。当前,上海通用汽

XT5车已经将该项技术应用到凯迪拉克 车型双离

17合后驱动单元差速器总成的制造中,如图 示,其接头形式仍为径向对接。 除了应用于传动系零部件的制造外,激光焊接还常见于底盘用油管接头、传感器零件的制造18中。图 为采用激光自熔焊制造的不锈钢材料传感器,可以看出其焊缝表面质量非常美观。

4 新型激光焊接工艺的快速兴起

近年来,随着技术的不断革新,涌现出了激光螺旋焊、双光斑激光钎焊以及双波长复合激光焊等多种新型连接工艺。其中,激光螺旋焊是通过在焊接头上加以特制的震动模块,使聚焦光斑在

激光头移动的情况下形成螺旋式的焊缝。该工艺可使焊缝根据要求进行适度加宽,并具有极高的加工重复性,工艺稳定且焊缝表面平整。双光斑激光钎焊是在激光头中加入双光斑模块并形成一大、一小两个光斑,焊接时大光斑负责整形,小光斑负责焊丝熔化连接。与常规钎焊工艺相比,其焊接速度更快、表面质量更好、工艺更稳定,特别适合镀锌钢板、铝板的钎焊。双波长激光焊是将光纤激光和半导体激光同轴、同时作用于零部件进行焊接的新技术,其中光线激光作为主热源对材料进行熔化连接,半导体激光作为辅助热源对材料进行同步预热并增加材料熔融状态持续时间,改善焊缝组织,提升焊缝强韧性。该工艺还可提升材料表面对激光的吸收率,降低等离子云产生的概率,并缓解焊接热应力,因而非常适合铝合金等有色金属的连接。

除了上述新兴连接工艺外,近年来焊缝跟踪技术也得到快速发展,并且已经成为高精度、精细化生产中所必备的一种功能。其中,应用在激光焊接领域中的焊缝跟踪技术以接触式焊缝跟踪和光学焊缝跟踪最为常见。接触式焊缝是以焊丝作为机械传感器,借助焊接头上的伸缩臂、偏摆臂装置从侧向、高度两个方向对焊缝相对于编程轨迹的偏差进行补偿,从而引导偏摆臂跟随焊缝实际轨迹进行焊接。其在跟踪补偿过程中没有反馈延时,并且可以跟踪半径较小和三维空间较为复杂的零件。由于以焊丝作为传感器,因而该种焊缝跟踪方式一般应用在钎焊和填丝熔焊工艺过程中。光学焊缝跟踪则是借助激光光线对即将被焊接的接头区域进行扫掠,并获取接头的相关信息,通过与电脑内的数据进行对比、分析,自动调节焊接速度和摆动幅度,从而实现对焊缝的高质量补 偿。此种跟踪方式不受焊丝的牵制和影响,可应用在自熔焊工艺中,并且可有效地降低外界干扰,使跟踪过程更加完善。随着数据库的不但完善,未来将支持更多接头形式的焊缝跟踪。

上述新型连接工艺和先进焊缝跟踪技术的出现,将为实现连接难度系数大、质量要求高的汽车零件的精准化制造提供了强有力的技术保障。

5 结束语

从上个世纪八十年代到现在,激光焊接技术40已经伴随汽车行业走过近 个年头。随着汽车轻量化设计水平的进一步提升,具有高强特征的先进、轻质材料以及薄壁、空心零部件将逐渐被广泛应用于在未来的汽车制造中,相应的对其连接技术也带来了更大的挑战和更高的要求。伴随着一些新型优质激光焊接工艺的不断兴起,这些技术难题也将逐渐迎刃而解,可以预言激光焊接在未来的汽车制造中将发挥不可替代的作用。

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图 激光拼接焊工艺在乘用车车身零部件中的应用情况

图4 采用激光自熔穿透焊制造的某车型B柱加强板总成及其局部焊缝分布情况

图2 采用激光拼接焊制造的车身前纵梁及其焊缝形貌

图3 采用激光拼接焊制造的车门内板及其焊缝形貌

图7 国产奥迪Q5钢制车门激光自熔焊焊缝分布情况

图5 车门内板窗口区域处激光自熔穿透焊焊缝及其排气结构

图6 大众高尔夫车型侧围门框激光自熔穿透焊焊缝

图8 某车型车顶盖与侧围外板激光钎焊焊缝

图9 凯迪拉克CT6后背门上、下外板激光钎焊焊缝

图10 轴向对接及径向对接接头示意

图12 采用激光焊接制造的柔性盘总成

图11 双质量飞轮减震模块及其焊缝放大照片

图13 某离合器总成内部激光焊缝分布情况

图17 凯迪拉克XT5车型双离合后驱动单元差速器总成差速器激光焊缝

图14 激光焊接制造的变速器齿轮

图16 采用激光焊接制造空心半轴零件

图18 汽车底盘用传感器激光焊缝

图15 激光焊接换挡拨叉总成

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