雷射焊接技術具有焊接工藝效率高和柔性好的特點，在汽車製造過程中，可用於汽車車身的焊接和各類汽車零部件的焊接，降低汽車車身整體重量，提高車身裝配精度，滿足汽車製造輕量化和安全性能提高的需求，同時也能降低汽車製造中的裝配成本和衝壓成本，提高車身的一體化程度。因此，如何積極有效應用雷射焊接技術，已成為當前汽車製造企業需要考慮的問題，下面將對雷射焊接技術的應用進行具體討論。
1.雷射焊接技術的相關概述
1.1雷射焊接技術原理
雷射焊接，其本質屬於熔融焊接技術，以雷射束為主要能源，通過一定的衝擊力，完成焊件的焊接工作。其雷射束的產生需要通過光學振盪器來實現，大功率的雷射束作用於金屬表面後，可以快速將金屬汽化，當熔融金屬液包裹汽化孔後，可以在應力反作用下和加熱冷卻的方法下，形成焊縫，最終完成對金屬的焊接工作。需要注意的是，雷射束在不同功率下有著不同的密度，對焊縫的深淺度也有影響，隨著雷射束密度的提高，會加大熔深程度，焊縫更深。反之，則會降低熔深程度，熔深更淺。
1.2雷射焊接技術的優缺點
雷射焊接技術所具有的優勢，在當前的汽車製造中發揮著重要作用。主要表現在以下幾個方面：實際焊接受到的熱影響範圍小，變形量也較低。焊接的質量和精度較高，能在保證質量的前提下保證美觀度。具體焊接操作較為靈活，效率高，可以滿足企業需要。施工噪音小，且有著不俗的節能效果。適用於質地脆、強度高和熔點高的材料焊接。具體見表 1。
表1 不同焊接技術得分對比
不過，雷射焊接技術也有一定的缺陷，具體表現為：對焊接的位置要求高，需要注重焊接要求的範圍。不適用於厚度大的材料。當焊接材料有著高導熱性時，會影響焊接效果。能量轉換效率低，同時焊道的凝固時間較快，一定程度上制約了焊接效果。
2．雷射焊接技術的實際應用
2.1雷射自熔焊接
在雷射焊接技術中，雷射自熔焊接指兩個或者多個焊接部分，在融化和冷卻過程後凝聚成一個整體，完成有效焊接。在雷射自熔焊接中不需要添加焊劑就可以完成焊接，能節省焊接成本。具體操作中，在雷射束的作用下，使焊接部分的表面溫度在短時間內達到沸點，金屬汽化會生成一個孔洞，如圖1所示，在金屬蒸汽的反衝壓力跟液態金屬的表面張力、重力達到平衡狀態後，孔洞則不再加深，在深度穩定的小孔閉合後，就完成了雷射深熔焊接。目前，在汽車製造中，雷射自熔焊接的應用面較為廣泛，經常用在車身的拼焊、組焊和零部件的焊接中。目前，大眾品牌旗下的邁騰、途觀和速騰產品中，在側圍焊接中採用自熔焊接方式。在標誌和雪鐵龍的部分車型中，車門的焊接也是採用雷射自熔焊接的方式。另外，按照焊縫的類型分類，一般有單條直線焊縫、複數和非直線焊縫等多種類型，由於單條焊接縫的生產工藝簡單，目前已被廣泛應用。
德國大眾最早於1985年將雷射拼焊用於Audi車型底盤的焊接，日本豐田於1986年採用添絲雷射焊的方法用於車身側面框架的焊接。北美大批量應用雷射拼焊技術是在1993年，當時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了2mm工程。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車製造商都大量採用了雷射拼焊技術，所涉及的汽車結構件包括車身側框架、車門內板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。
美國也是最早將高功率雷射器引入汽車工業的，在美國汽車工業中心底特律地區有幾十家雷射加工站，用於汽車金屬件的切割和齒輪的焊接，使汽車的改型從5 年縮短到2 年。美國通用汽車公司已經採用二十多條雷射加工生產線，美國福特汽車公司採用Nd:YAG 雷射器結合工業機器人焊接轎車車體，極大地降低了製造成本，2000 年美國三大汽車公司已經有50%的電阻點焊生產線被雷射焊生產線所取代。
在日本，雷射焊接在生產線上成功的應用為世界所矚目，如在汽車車體製造中採用將薄鋼板實施雷射焊接後衝壓成型的新方法，現在已為世界上大多數汽車廠家所仿效。世界上很多著名汽車公司都建有專門的雷射焊接專用生產線：Thyssen 鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產線，大眾汽車廠的齒輪雷射加工生產線，奔馳汽車廠的18 個廠房裡有8 個廠房安裝了雷射加工設備。
圖1 雷射自熔焊接原理圖
2.2雷射填絲焊接
在雷射焊接技術中，雷射填絲焊接的原理是在焊縫中添加特定的焊接材料，通過雷射束融化填充的焊接材料，從而形成焊接接頭。雷射填絲焊接與傳統的非填絲焊接方式相比，有著明顯的優勢，既可以擴大雷射焊接的使用範圍，也能在較小的功率下完成對厚板的焊接，並且有著較高的焊接效果。需要注意的是，在雷射填絲焊接的應用中，不僅要對焊絲進行融化，也要對母材進行融化，從而在母材上生產小孔使焊絲和母材進行充分相融，生成新的混合熔池。混合熔池和焊絲、母材有著明顯的區別，可以改善母材本身存在的一些性能缺點，在使用成分合理的焊絲作為填充材料後，保證焊縫具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。
2.3雷射電弧複合焊接
在雷射焊接中，雷射電弧複合焊接的原理是將雷射熱源和電弧進行結合，在一個熔池上共同作用，進而實現焊接。焊接原理如圖 2所示，該焊接方式有著變形小、速度快和適應能力高的特點。
圖 2 雷射電弧複合焊接原理圖
在德國奧迪公司系列汽車的生產中，雷射電弧複合焊接工藝被應用到最關鍵的全鋁車身的焊接中。該汽車車身是第二代豪華奧迪A8系列的車身，在設計上追求衝擊安全性和抗扭曲變形。雷射電弧複合焊接的焊縫符合所有的要求，表現出強韌性、高強度和大熔深的特點。為了滿足客戶對這款車的高期望值，每一個細節都要精益求精，確保汽車的製造質量。雷射混合焊接的窄焊縫可以滿足對外觀要求較高的工件，那麼車身框架頂部的邊角處就不必再用塑料條帶填塞。在輕型汽車製造領域，所有上面提到的要求以及一些特殊的條件都必須得到滿足，而全鋁車身的製造過程對這些要求更為嚴格。
2.4雷射遠程焊接
在雷射焊接技術中，雷射遠程焊接可以在高速掃描振鏡頭的幫助下進行遠距離加工，對零件進行不同功率雷射束的焊接。因其特有的技術優勢，目前被大量應用於奔馳的全景天窗和大眾、奧迪的側圍焊接中。在當前應用雷射遠程焊接於汽車製造中時，有著以下幾方面優勢：
(1)有較強的定位精度，可以實現快速焊接，滿足汽車企業的製造需求。
(2)可結合不同的結構強度進行焊接，實現不同焊縫形狀的需求。
雷射遠程焊接對材料和設備方面的需求較高。在部件厚度較大時，無法降低焊縫深度，在焊縫處的剪切強度較低。
2.5雷射釺焊
在雷射焊接技術中，雷射釺焊技術有著造型美觀和密封性強、焊縫強度高的優點。具體原理是將雷射束通過聚焦打在焊絲表面，在融化焊絲後填補於焊接的部位，以釺焊層完成焊接。此方法雖然與熔焊類似，但在實際操作中母材是不被熔化的。因此，需要釺料熔點低於母材，通過液態釺料實現有效的焊接。其原理如圖 3所示。
目前雷射釺焊被用於大眾、海馬、奇瑞和奧迪的行李箱蓋焊接，同時在凱迪拉克、保時捷、福特和大眾等品牌中的頂蓋和側圍連接上，也時常使用雷射釺焊。在使用該技術時，需要注意焊接過程會受到很多因素的影響，尤其是工藝參數的影響。例如，焊接速度、雷射功率和光斑直徑等方面，需要結合實際的焊接，對以上工藝參數進行調整和設計，以保證雷射釺焊的有效性。
圖3 雷射釺焊原理
雷射釺焊的設備通常需要將釺焊加工鏡頭集成於機器手臂。雷射束聚焦於板材的連接處，熔化焊絲（如銅矽焊絲）從而將部件連接起來。這種加工方法的成功之處在於它達到的連接強度接近於焊接強度，而且它的焊縫很美觀。雷射釺焊產生的焊縫以其高密封性、平滑乾淨聞名。因此，釺焊後的產品幾乎不需要返工。例如，車身在清潔後可以直接上漆。
圖4 二極體雷射器加工的優勢
Laserline二極體雷射器在雷射釺焊領域上的實用性在世界範圍內得到了高度評價。超過800台LDF二極體雷射器在世界各地汽車車身裝配應用上成功投入長期使用。優質的雷射釺焊不僅焊接強度高、熱影響小，還對焊縫連接的美觀性有很高的要求。半導體雷射器的一個主要的加工優勢在於它產生的熔池很穩定。另外，Laserline研發的三光斑模塊在釺焊應用上展現了更大的優勢：即使對較難釺焊的熱鍍鋅鋼板進行焊接時，這項科技可以實現在不降低焊接速度的情況下保證高質量的焊縫連接。
圖5 用三光斑對熱鍍鋅板進行釺焊
在汽車車身的生產中，雷射釺焊早已成為主流加工方式。然而，越來越多的車身使用鍍鋅鋼板材料，這引起了一些問題：釺焊加工時產生的顆粒飛濺增多；焊絲連接處產生波紋，因此必須要降低加工速度以避免產生這些問題。Laserline對此研究出了突破性的解決方案：使用多光斑模塊，即位於側邊的光斑在主光斑的前方，可以先將焊縫周圍的鍍鋅層去除，從而使得不用降低釺焊速度也能保障釺焊過程平穩。此工藝在業界深受好評。
圖6 電鍍鋅鋼板的釺焊
傳統的電鍍鋅二極體雷射器釺焊使用單光斑技術。雷射源集成於釺焊機器人。由於二極體雷射器產生的熔池穩定，以銀或黃銅為基材的雷射熔覆得以實現。焊縫美觀，質量高。大眾途安曾經在德國沃爾夫斯堡將一台4 kW的YAG 雷射器與一台6kW的二極體雷射器進行釺焊的實驗對比。LDF 二極體雷射器的運行穩定性在批量生產中得到了證實。
3．結語
針對汽車製造行業，不同的雷射焊接技術有著不同的利用價值。汽車的不同部位選擇合理的焊接方式，有利於提高汽車製造的整體質量，並且在焊接成本、焊接效率上也滿足汽車企業的需求。為此，本文通過對雷射焊接技術的原理和優缺點進行分析，探論了雷射自熔焊接、雷射填絲焊接、雷射電弧複合焊接、雷射遠程焊接和雷射釺焊在汽車製造中的應用效果，為汽車製造提供焊接方面的經驗，提高汽車企業的焊接水平，促進汽車製造行業的健康持續發展。
內容來源：《現代工業經濟和信息化》期刊、laserline
編輯 ▎釋非
審核 ▎於永初