分析激光技術定義及在汽車行業的應用

早在四十多年前，激光器就應運而生，展現出了強大的功能，讓世人為之振奮。經過這么多年的發展，激光技術已經滲入到各個領域，發揮著至關重要的作用。在汽車行業中，激光技術更是獨樹一幟，激光焊接、激光打孔、激光標記都有廣泛的應用。

1 激光技術的定義

激光是20世紀60年代的新光源。具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現已發現的激光工作物質有幾千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外。激光技術采用偏光鏡反射激光產生的光束使其集中在聚焦裝置中產生巨大能量的光束，如果焦點靠近工件，工仵就會在幾毫秒內熔化和蒸發，這一效應可用于焊接工藝。

2 激光焊接技術的可行性

激光器一般按產生激光的工作物質不同來分類，主要有半導體(GaAs,InP等)激光器、固體(Nd:YAG等)激光器、氣體(CO2、He-Ne等)激光器、液體(可調諧染料等)激光器、化學激光器、自由電子激光器等。其中氣體激光器以氣體或金屬蒸汽為發光粒子，它是目前種類最多，激勵方式最多樣化，激光波長分布區域最寬，容易實現大功率連續輸出，應用最廣泛的一類激光器。固體激光器是將產生激光的粒子摻于固體基質，其濃度比氣體大，因而可以獲得比較大的激光能量輸出，具有能量大，峰值功率高，機構緊湊，牢固耐用等特點。在激光焊接中主要就采用這兩種受激物質的激光器。

激光焊接技術在制造領域的應用穩步增長，由脈沖到連續，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡單單縫到復雜形狀，激光焊接在不斷的演化過程中已經逐步成為一種成熟的現代加工工藝技術。激光焊接分為脈沖激光焊接和連續激光焊接，在連續焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的提高，特別是高功率CO2激光器的出現，激光深穿透技術在國內外都得到了迅速發展，最大的焊接深寬比已經達到了12：1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料，激光焊接速度也達到了每分鐘幾十米，激光焊接技術日益成熟，并大量應用到生產線上，在汽車生產線上如齒輪焊接，汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊并已取得了巨大的經濟和社會效益。

據有關資料統計，在歐美發達工業國家中，有50%-70%的汽車零部件是用激光加工來完成的。其中主要以激光焊接為主和切割為主，激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進行沖壓，這樣制成的面板結構能達到最合理的金屬組合。激光焊接的速度約為4.5m/min，而且很少變形，省去了二次加工。激光焊接加速了用沖壓零件代替鍛造零件的進程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強部件，還可以壓縮車身結構件本身的體積。僅此一項車身的重量可減少56kg。激光焊接用于車頂外殼與框架焊接，傳動轉換器蓋板的焊接，由CNC控制，其循環時間約為16秒，實際焊接時間僅為3秒，一天可連續運行24小時。用于焊接小轎車的變速箱總成和底盤，激光束的焊接速度快，易于自動化控制并且易于歸并到一個靈活的制造系統中，激光束改進了廠家的產品設計投產周期，降低了成品的廢品率。

3 激光焊接在汽車行業的應用

采用激光焊接可以給汽車制造業帶來巨大的經濟效益，如車身裝配中的大量點焊，把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，凸緣寬度需要16mm，而激光焊接是單邊焊接，只需要5mm，把點焊該為激光焊，每輛車就可以節省鋼材40kg。用傳統點焊焊接兩片0.8mm的鋼板沖壓件，平均是20點/min，焊距是25mm，即速度為0.5m/min，用激光焊速度可以達到5m/min以上。采用激光焊接技術，不僅降低成本，還大大提高了生產效率。目前，一套千瓦級的激光加工機器人系統只要幾十萬美元，新型激光器的安全性和可靠性也得到了保證，其故障停機率僅2%，防護措施也極為可靠。激光焊接時需要工件接觸面緊密吻合，這在工藝上是不容易實現的，但目前先進的夾持方法和適合激光焊接的凸緣設計使這一問題得到了解決，激光焊接技術的逐漸成熟使得各大汽車廠商無一例外的將激光焊接應用到了汽車生產線上。

美國是最早將高功率激光器引入汽車工業的，在美國汽車工業中心底特律地區有40余家激光加工站，用于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采用22條激光加工生產線，美國福特汽車公司采用Nd:YAG激光器結合工業機器人焊接轎車車體，極大地降低了制造成本，2000年美國三大汽車公司已經有50%的電阻點焊生產線被激光焊生產線所取代。在日本，激光焊接在生產線上成功的應用為世界所矚目，如在汽車車體制造中采用將薄鋼板實施激光焊接后沖壓成型的新方法，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激光焊接專用生產線：Thyssen鋼鐵公司的轎車底板拼焊生產線，大眾汽車廠的齒輪激光加工生產線，奔馳汽車廠的18個廠房里有8個廠房安裝了激光加工設備。

激光焊接在汽車工業中最主要就是應用在汽車車身的焊接和拼接坯板焊接上。為滿足市場和客戶的需求，改善車身和制造工藝是十分必要的，而汽車的車身價值約占汽車總價值的1/5，采用激光焊接工藝使車身的抗沖擊性和抗疲勞性都可以得到顯著改善，提高汽車的品質。激光焊接由于采用計算機控制，所以具有較強的靈活性和機動性，可以對形狀特殊的門板、擋板、齒輪、儀表板等零部件的焊接，也可以完成車頂和側圍，發動機架和散熱器架等部件的裝配，如果加上光纖傳輸系統和機械手，就可以實現自動化的汽車裝配生產線。使用3KW左右的光纖傳輸的Nd:YAG連續激光器，配合點焊系統，和生產線上的夾具相配合，就可以達到自動化焊接的目的，通用、奔馳等都采用了這一系統應用在最新的車型的生產線上，激光焊接系統幾乎可以達到完美加工的要求，在效率、經濟、安全、強度、抗腐蝕性上都有優秀表現。

一輛汽車的車身和底盤由300種以上的零件組成，采用激光焊接幾乎可以把所有不分厚度、牌號、種類、等級的材料焊接在一起，制成各種形狀的零件，大大提高汽車設計的靈活性。拼接坯板就是在充分分析車身結構的基礎上優化部件設計，使之可以由少數的幾種典型坯板焊接而成，這樣大大降低了模具數量，增加了材料利用率，而且可以在強度要求不同的部位采用不同厚度的坯板，可以一次沖壓成型，減輕了重量，提高了精度，還使得抗腐蝕性和安全性能都有大幅度提高，車身結構也大大簡化。豐田公司的側圍生產線采用了拼接坯板焊接技術，使得模具的數量降到四具，材料利用率達到65%，加上其它的部件，使得每輛車的成本下降30多美圓，大大增加汽車生產商的效益。

目前，在國外，德國大眾公司在AudiA6、GolfA4、Passat等品牌的車頂均采用激光焊接，寶馬、通用公司在車架頂部也采用激光焊接，通用、豐田、福特、寶馬、菲亞特、奔馳、大眾公司均采用激光拼焊板技術，美國三大汽車公司、德國奔馳公司則采用激光焊接傳動部件，大眾公司、通用公司、奔馳公司、日產公司應用了激光切割技術，菲亞特和豐田公司用激光涂覆發動機排氣閥，大眾公司發動機凸輪軸實現激光表面硬化處理。

在國內，從國內國產高品質車型，如：帕薩特、別克、奧迪等都采用激光拼焊板向激光焊接的轉變上，國內開始了采用激光焊接技術的轉變，在國內首先采用激光焊接技術(而不是激光焊接)方面，走在前列的還是一汽大眾，同時部分國內汽車廠商也漸漸開始采用這種技術。激光技術目前在一汽的應用方面，一汽大眾AudiA6頂蓋和BORA后罩蓋采用激光焊接，速騰(Sagitar)分別在車身的頂部、后罩蓋等多處采用了激光焊接技術，焊接長度達到30多米。一汽使用的設備為德國HassYAG3KW激光器和Kuka機器人，一汽轎車公司轎車車身覆蓋件采用激光切割，使用設備為德國ARNOLD3KW三維五軸CO2激光加工機，一汽底盤零件廠剎車蹄片采用激光硬化處理，使用設備為國產2KWCO2激光加工機，一汽模具中心薄板件為激光切割，使用設備為國產1.5KWCO2激光加工機。隨著激光焊接技術的成熟和激光焊接機的價格下降，中國的奇瑞汽車也開始采用激光焊接技術。

4 激光技術的前景

激光焊接技術對傳統的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態度，采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車工業。激光焊接技術在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大，激光器生產廠家應該抓住商機，在激光器的可移動性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產線的需要。國內一些激光產品生產廠家已經逐漸意識到這一點，比如湖北光通光電系統有限公司生產的脈沖Nd:YAG激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠離焊接區，激光器性能穩定可靠，壽命長，也可以使用傳統的光學傳統系統，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動化生產線。

5 總結

21世紀汽車工業正在步入能按照用戶要求進行柔性模塊式生產的方式，傳統加工工藝不能滿足新生產方式的需要，這給激光焊接技術的大規模應用提供了一個機遇，激光焊接技術及其他激光加工技術在汽車領域中一定會有更大的發展，成為汽車工業中重要的加工方法。