摘要：詳細分析汽車車身激光焊接技術(shù)的發(fā)展與應用趨勢，并對激光焊接光源的光學特性以及材料對激光的吸收特性等進行了分析。結(jié)合汽車車身產(chǎn)品特性與鋁合金等新材料的應用與發(fā)展，對激光熔焊技術(shù)、填絲型激光熔焊技術(shù)、激光釬焊技術(shù)以及激光+MIG復合焊接技術(shù)的原理、技術(shù)特點和應用特點進行了詳細的對比分析，給出了針對不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料的合理的技術(shù)解決方案。基于對未來汽車車身發(fā)展的考慮和滿足更高品質(zhì)焊接車身質(zhì)量的要求，提出了三光斑激光焊接技術(shù)及激光點焊技術(shù)等車身焊接技術(shù)解決方案，并對其焊接原理、技術(shù)特點和工藝特點進行了相應的分析與介紹。為未來汽車車身連接技術(shù)的發(fā)展提供了方向和建議

關鍵詞：汽車車身;激光焊接;新材料;鋁合金;發(fā)展方向

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0064-10

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.10

0 前言

激光以其能量密度高、光束呈現(xiàn)中性、可實現(xiàn)非接觸焊接以及可達性好等諸多優(yōu)點，被應用到汽車車身部件生產(chǎn)等的諸多領域。隨著汽車新能源政策的發(fā)展和各項法律法規(guī)的要求，車身產(chǎn)品設計型式和新材料的應用也得到了快速發(fā)展。激光焊接技術(shù)也從最初的激光熔焊技術(shù)逐漸發(fā)展為激光釬焊技術(shù)、填絲型激光熔焊技術(shù)、激光復合焊接技術(shù)以及最新的多光斑激光焊接技術(shù)和激光點焊技術(shù)等多種連接技術(shù)。高強鋁合金等新型材料的應用以及未來新能源車身的特點，促進了相關激光焊接技術(shù)的應用與發(fā)展，并對激光焊接技術(shù)提出了更高的要求。汽車產(chǎn)品與激光焊接技術(shù)的共同發(fā)展與相互促進，對雙方的發(fā)展具有重要的意義和價值。

激光焊接技術(shù)隨著車身新的結(jié)構(gòu)設計型式和新材料的發(fā)展而發(fā)展，從20世紀90年代末期以Audi

C5頂蓋為代表的搭接接頭激光熔焊技術(shù)，到隨后第一代Bora后蓋外板上部與下部角接接頭為代表的激光釬焊技術(shù)，再到大眾車型標配的頂蓋與側(cè)圍角接激光釬焊焊技術(shù)，再到后來以Audi A6L鋁合金門蓋為代表的填絲型激光熔焊技術(shù)。目前，激光釬焊技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到多光斑激光焊接技術(shù)以及鋼鋁異種材料的激光熔釬焊階段。隨著熱成型、鋁合金材料等更多新型材料的應用以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展，激光焊接技術(shù)必將得到進一步發(fā)展和完善[1-3]。

1 激光焊接技術(shù)原理及設備

1.1 激光特點

激光是由原子中的核外電子在不同軌道之間受到激發(fā)而發(fā)生“躍遷”時產(chǎn)生的。其特點為：（1）指向性好。激光器發(fā)射的激光朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行，所以激光是高度集中的。（2）能量密度大。光子能量是用E=hγ來計算的，其中h為普朗克常量，γ為頻率。激光頻率范圍為3.846×1014～7.895×1014 Hz，所以激光具有極高的能量密度。（3）激光是單頻、相干光源。相干光的特征是其所有的光波都是同步的，所以光束相互干擾性較低，避免了普通電弧焊多頻光束相互干擾的缺點。（4）光束為中性。激光光束由中子組成，呈現(xiàn)電中性的特征，可以避免在復雜的電磁環(huán)境中受到干擾[4-5]。綜上，激光作為焊接熱源具有激光光束能量密度高、中性且不受電磁干擾、電弧剛性好等特殊優(yōu)勢。

1.2 激光焊接技術(shù)基本原理

激光焊采用激光作為焊接熱源，機器人作為運動系統(tǒng)，具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快、焊接變形小等特點，可實現(xiàn)薄板的快速連接。

當激光光斑的功率密度足夠大時（>106 W/cm2），金屬在激光的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短時間內(nèi)升高至沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池表面，產(chǎn)生一個附加應力反作用于熔化的熔池金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個小凸坑。隨著加熱過程的進行，激光可以直接射入坑底，形成一個細長的“小孔”。當金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個板厚，形成較深的穿透型焊縫。小孔隨著光束相對于工件沿著焊接方向前進，金屬在小孔前方熔化，并繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫。

激光光源功率的合理選擇十分重要，太小難以實現(xiàn)激光焊接，過大則會提高設備成本。激光焊接所需的激光功率由金屬的物理性質(zhì)、表面吸收率和反射率所決定。

在激光焊接過程中，聚集在工件上的激光能量只有一部分被材料吸收，另一部分被反射掉。焊接鋼質(zhì)材料時，激光的吸收率較高;焊接銅質(zhì)材料時，激光的吸收率會變低，這是由材料的特性決定的。金屬對激光的吸收率可近似用式（1）表示[7]：

εh（t）≈0.365{γ[1+β（t-20）]λ}1/2（1）

式中 t為溫度;εh（t）為金屬在溫度t時的吸收率;γ為金屬材料在溫度為20 ℃時的電阻率;β為電阻溫度系數(shù);λ為激光波長。

由式（1）可知，激光吸收率隨著溫度的升高而增加，隨電阻率的增加而增加。借助于焊絲預熱作用，可提高激光作用于金屬表面的溫度，從而提高激光的吸收系數(shù)，適當減小激光器的功率。

不同材料、激光波長與吸收率之間的關系如圖1所示，該曲線適用于常溫26 ℃。常溫下，鋼材對于固體激光波長的吸收率為35%，銅質(zhì)材料僅為4%。隨著溫度的升高，材料對激光的吸收率會急劇提高。利用這一特性，采用電流預熱焊絲是十分必要的。在焊接的起始時刻，適當增加初始微區(qū)段的焊接時間，以保證初始時焊絲的充分熔化。

一般情況下，金屬材料的導電性越好，即電阻率越小，對激光的吸收率相對越低。材料從銀、銅、鋁、鎳到鋼，對激光的吸收率依次增加，這是由材料的物理屬性決定的。

另外，材料表面狀態(tài)對激光的吸收率也有較大的影響。表面的粗糙度越大，對激光的吸收率越高。不同的表面涂層材料對吸收率的影響也較大，例如氧化鋯或磷酸鹽涂層會明顯提高激光的吸收率。鋁合金激光熔焊時，由于鋁合金的激光吸收率較低，所以焊前必須經(jīng)過鈍化處理，以便清除表面油污和致密堅硬難熔的Al2O3，并在其表面涂覆一層鈦的磷酸鹽。該涂層對激光的吸收率較高，可以明顯降低激光光源的功率，從而降低投資和成本。另外，去除Al2O3可以降低焊縫中氧化物夾雜的含量，提高焊縫強度。鈍化也可以明顯提高零件的防腐蝕性能，因為有致密而均勻的鈦的磷酸鹽的存在，如圖2所示。

工件溫度對于激光能量的吸收是一個決定性因素。開始焊接時，需解決表面反射問題，尤其是鋁合金。當工件表面達到揮發(fā)溫度時，就形成了揮發(fā)孔，這樣幾乎所有能量就可以傳到工件上。在激光+MIG復合焊接時，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件表面，同時也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。鋁合金對可見光和紅外線都具有較高的反射率（約達90%），對激光同樣如此，因此鋁合金焊接時需要更大功率的激光器，并需要采用特殊的工藝措施減少反射，提高吸收率。小孔法焊接可以提高激光焊的能量吸收率約50%，形成熔透的小孔需要10%的入射能量，小孔一旦形成，所需能量就會明顯降低。

根據(jù)工件的材料和厚度，參考焊接條件選取激光功率和光斑直徑，然后確定激光焊接的速度。與其他焊接方法不同，激光高速焊接時向熱影響區(qū)的熱傳導較為微弱，可用式（2）作為經(jīng)驗方法在給定激光功率下找到合適的焊接速度[5]：

0.483P（1-R）=vWweldδρcPTm（2）

式中 P為激光功率（單位：W）;R為反射率;v為焊接速度（單位：m/s）;Wweld為焊縫寬度（單位：m）;δ為板厚（單位：m）;ρ為材料密度（單位：kg/m3）;cP為比熱容[單位：J/（kg·K）];Tm為材料熔點（單位：K）。

確定好激光理論功率后，再在適當?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)激光功率，進行試樣的焊接和檢驗，直到焊點質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。

1.3 激光焊接系統(tǒng)特點

常見汽車車身激光焊接系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。主要包括激光光源（發(fā)生器）、送絲系統(tǒng)（一般常借助于具有推拉絲功能的MIG焊機的送絲系統(tǒng)）、機器人系統(tǒng)、PLC焊接控制系統(tǒng)以及激光焊槍等。

激光熔焊時，取消送絲系統(tǒng)模塊，即可構(gòu)成激光熔焊系統(tǒng)。

激光釬焊時，啟動送絲系統(tǒng)模塊。某些條件下，僅啟動送絲系統(tǒng);某些情況下，不僅需要啟動送絲系統(tǒng)，同時可依據(jù)需要啟動焊絲預熱系統(tǒng)。通過上述設置，即可構(gòu)成激光釬焊系統(tǒng)。

填絲型激光熔焊時，啟動送絲系統(tǒng)和焊絲預熱系統(tǒng)。通過上述設置，即可構(gòu)成填絲型激光熔焊系統(tǒng)。

激光+MIG復合焊接系統(tǒng)焊接時，啟動MIG焊弧焊系統(tǒng)，配合激光焊接系統(tǒng)，即可構(gòu)成激光+MIG復合焊接系統(tǒng)。

1.4 激光焊接技術(shù)對比分析

激光熔焊、激光釬焊、填絲型激光熔焊以及激光+MIG復合焊接技術(shù)的對比分析如表1所示。

對于激光熔焊，車身領域主要用于同質(zhì)金屬的搭接或角接焊縫，主要優(yōu)點是焊接強度高，但對零件匹配精度要求較高，否則容易焊穿。對于不等厚鋼板拼接，目前只能采用激光熔焊技術(shù)，拼接焊縫具有較高的強度。

對于激光釬焊，其主要優(yōu)勢是焊縫成形好、焊縫寬深比大，但抗拉強度低，匹配要求較高，適合于對強度要求不高、且密封要求較高的場合。

對于填充型激光熔焊，常用于鋁合金搭接焊縫或鋁/鋼異種材料的熔釬焊，其主要優(yōu)勢是可以調(diào)整焊縫的余高，或?qū)崿F(xiàn)鋁/鋼異種材料的熔釬焊接。

對于激光+MIG復合焊，具有焊接速度更快、焊縫橋聯(lián)性可調(diào)、激光器功率較低和焊縫成型系數(shù)可調(diào)等諸多優(yōu)點，但也存在如控制系統(tǒng)較為復雜及成本較高等缺點。

應視產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料組合而具體分析采用不同的激光焊接方法。結(jié)合大眾集團近30年來激光焊接技術(shù)的應用與發(fā)展，現(xiàn)將激光熔焊、激光釬焊、填絲型激光熔焊以及激光+MIG復合焊接技術(shù)在產(chǎn)品項目中的應用與相關技術(shù)要求進行相應的匯總分析，如表2所示。相關技術(shù)參數(shù)主要包括：材料、接頭型式、匹配要求、焊接位置和應用車型等。

從表2可以看出，這些技術(shù)在大眾集團的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢。如激光+MIG復合焊接技術(shù)，有逐漸減少應用的狀態(tài)出現(xiàn)，由于其自身的技術(shù)特點和大眾集團汽車產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，同時有其他新型焊接技術(shù)的崛起，如冷金屬過渡焊等。

2 幾種激光焊接技術(shù)特征與應用分析

2.1 激光熔焊

激光熔焊示意如圖4所示。激光熔焊采用激光作為獨立的焊接熱源，其原理如1.2節(jié)所述。激光熔焊是早期的激光焊接方式之一，具有焊接速度快、無接觸焊接和可達性好等優(yōu)勢，常用于同種材料板材的搭接接頭焊接。另外，激光熔焊過程沒有焊接壓力的作用，是一個只有熱作用的過程，與電阻點焊相比，焊縫光滑平直，焊件變形較小，這對于提高車身精度具有重要意義。但該方法對于待焊沖壓件的要求較高，要求其裝配間隙較小，一般為0.05～0.2 mm，否則容易產(chǎn)生氣孔，因此對沖壓件的精度提出了更高的要求，要求其與焊接區(qū)域相關部位的尺寸精度為±0.2 mm。為此，這對模具提出了更高的要求，制造成本也會更高。

裝配間隙的要求是為了降低焊縫中的氣孔含量。這些氣孔主要是板材表面涂層和污漬所致，如表面鍍鋅層、鈍化層、殘留的固化劑、油污以及吸附的水分等，必須為這些焊接過程中高溫氣化氣體的逸出提供必要的通道，即“逃逸通道”。有時由于受到夾具夾緊條件的限制，必須人為在待焊零件表面設置保證間隙的沖壓凸點和激光刻蝕溝槽，以保證氣體充分逸出，避免焊縫中氣孔的產(chǎn)生，如圖5所示。

激光熔焊時，由于匹配間隙難以做到完美，所以激光熔焊質(zhì)量會存在各種各樣的缺陷，對焊接工藝的要求非常嚴格。激光熔焊通常用于結(jié)構(gòu)件的焊接，如地板或骨架門洞周邊的焊接，對于有表面質(zhì)量要求的覆蓋件的焊接，目前較少采用。

2.2 激光釬焊

對于汽車車身而言，激光釬焊的出現(xiàn)是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊設計而產(chǎn)生的，如頂蓋與側(cè)圍的激光釬焊、后蓋外板上下部之間的激光釬焊等。這些部位對接頭的強度要求不高，主要是滿足密封和焊縫美觀的要求。激光釬焊可以滿足這些要求，并具有一定的強度。

激光釬焊原理如圖6所示。除了與激光熔焊相同的部分外，多了一套激光釬料送絲系統(tǒng)，從而增加了激光釬焊工藝的控制難度，使其具有自身的特性和焊接控制要求。

激光釬焊的難點在于激光光斑與焊絲端部區(qū)域的精確對中，使光斑熱量聚焦于焊絲端部，以便焊絲充分熔化實現(xiàn)釬焊過程。

釬焊焊絲必須具有一定的剛性和彈性，否則難以滿足上述要求。同時，焊絲熔點不能過高，否則只能采用功率更高的激光光源，這會大大增加激光器的成本。作為釬料的焊絲材料必須在高溫熔化狀態(tài)下與所連接的基體材料有較好的浸潤性能，否則焊縫成型較差;同時要求其必須具有一定的界面張力，以保障焊接接頭的強度要求。CuSi3材料就是具備了上述諸多優(yōu)點的釬焊材料之一。鋼板的激光釬焊大多采用CuSi3焊絲，焊前預熱焊絲，以提高激光的吸收率。

當預熱電流流經(jīng)焊絲與焊件的連接點時，產(chǎn)生的電阻熱加熱焊絲。焊絲在熔化前必須與焊件接觸，若焊絲在焦點之前與焊件接觸，在這一點的激光功率還不足以熔化焊絲。焊絲通過焊接坡口被引入焦點，在焦點處熔化。因此，為了使焊絲能以理想方式彎曲，確保焊件與焊絲在焦點中心發(fā)生接觸，要在各種接頭型式中保持足夠大的定位角，通常要求角度大于40°。

焊接過程中如果發(fā)生較大的飛濺，說明加熱電流已經(jīng)達到上限，焊絲過早熔化。同樣，加熱電流取下限時，也會導致焊縫質(zhì)量很差，焊縫表面會變得越來越粗糙。原則上，焊絲預熱電流應該盡可能接近上限。

在激光釬焊過程中，激光能量通過聚焦集中在作用點上，其中一部分能量被焊絲吸收，一部分能量被焊件吸收。研究表明，光斑直徑約50%的面積作用在焊絲周邊部分。考慮到縫隙尺寸，要確定斑點直徑，必須綜合考慮以上兩種因素。如果斑點直徑太小，焊縫會略顯紅色，且呈現(xiàn)非常不均勻的特征，并伴有飛濺發(fā)生，另外在焊縫背面也看不出回火變色的痕跡。在該過程中，更多的激光能量被焊絲反射出去，一方面焊絲加熱過度，另一方面，待焊工件加熱不足，焊絲釬料熔化后難以流入工件的縫隙中，并且浸潤性較差，焊縫成型不佳。

此外，焊縫成型還與激光焊槍的移動速度及焊絲送絲速度有較大的關系。焊縫釬料的填充體積與焊縫成型系數(shù)必須與之結(jié)合才能獲得理想的焊接接頭，這是一個多參數(shù)協(xié)同作用的結(jié)果。以后蓋外板的激光釬焊拼接為例，實際送絲速度比理論設計速度高10%是必要的，這樣可使焊絲的熔化量始終多一點，以解決因送絲速度的細微變化而導致焊縫形成氣孔的危險，并且焊縫成型系數(shù)也能得到保障。

激光釬焊相關設備的精度要求較高，包括：夾具的重復定位精度、機器人的引導精度以及零件的尺寸公差等。實踐表明，焊縫的橫向偏差由0.2 mm增至0.6 mm時并不能使焊縫質(zhì)量發(fā)生很大變化。但在焊件背面可以從回火顏色清楚地看出焊縫已嚴重偏離中心，表明這會引起其他參數(shù)非常敏感發(fā)生變化，在某種程度上降低接頭質(zhì)量。

某車型鋼質(zhì)后蓋外板上、下部激光釬焊的裝備和焊縫截面如圖7所示。

2.3 填絲型激光熔焊技術(shù)特點與應用

對于鋁合金搭接接頭，如果采用激光熔焊方式會存在焊縫塌陷等問題，即從表面形貌看，焊縫明顯凹陷，形成一條溝槽，這嚴重降低了接頭強度和質(zhì)量。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因有：（1）激光熔焊具有較高的能量密度，且激光光束的剛性較高，沖擊力較強，容易使焊縫下墜。（2）在高溫條件下，鋁合金熔池表面的界面張力較低，在重力和激光沖擊力的聯(lián)合作用下，在焊縫背面焊穿的情況下極易發(fā)生流淌，從而造成焊縫的塌陷。

為補償塌陷帶來的焊縫有效界面的損失，可以采用類似激光釬焊的方法，即在激光熔焊的同時向焊縫熔池區(qū)域同時輸入與母材近似同質(zhì)的鋁合金焊絲材料，借助于激光能量，使其熔化并有效補償焊縫的塌陷，從而改善焊縫成型，滿足產(chǎn)品設計要求。

焊接時液態(tài)焊絲金屬和母材熔化的液態(tài)金屬相互融合，冷卻后形成共同的焊縫。由于焊絲與母材近似同質(zhì)，焊縫金屬和母材金屬之間形成了共同的晶粒，建立了原子之間的結(jié)合，焊接接頭具有與母材類似的強度和性能。這種焊接方式與激光釬焊具有本質(zhì)區(qū)別，因為激光釬焊僅僅是釬料熔化，而母材并未熔化。一般認為，釬焊接頭并未與母材建立原子之間的聯(lián)系，而僅僅是依靠界面張力的作用來實現(xiàn)兩種材料的連接，所以接頭強度并非很高。

對于大眾集團旗下車型而言，常用鋁合金板材為六系TL09X系列，為固溶強化型材料。對于添加的鋁合金焊絲，通常為AlSi4-7系列，也為Si元素固溶強化型材料，具有與母材相近的金屬屬性。

2.4 激光+MIG復合焊接技術(shù)特點與應用

2.4.1 MIG焊原理及特點

MIG焊是通過電弧熱作為熱源，熔化填充的焊絲金屬，把母材連接到一起。MIG電弧燃燒的能量密度稍高于104 W/cm2。MIG焊電弧功率大、熱量集中、焊接速度快、熱影響區(qū)小、生產(chǎn)效率相對較高，因此可以焊接厚度較大的焊縫。采用氬氣保護的MIG焊具有更好的電弧穩(wěn)定性，且能獲得更好的焊縫表面質(zhì)量及焊縫的寬深比。

MIG焊的特點是：電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好、電弧穩(wěn)定性好，易于通過填充金屬改善焊縫結(jié)構(gòu)。

2.4.2 激光+MIG復合焊接技術(shù)特點

激光器焊接金屬時的激光束強度達106 W/cm2，當激光到達材料表面時，該點的溫度迅速升高到揮發(fā)溫度，并形成揮發(fā)孔。激光束焊的特點是熔深大、焊接速度高和焊縫較窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的激光器。焊縫最明顯的特征是具有很低的寬深比。

激光+MIG焊接復合技術(shù)的基本原理如圖8所示，除了電弧向焊接區(qū)輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量，兩種焊接方法同時作用于焊接區(qū)，整個焊接過程的特性取決于選擇的激光和電弧輸入能量的比例。

激光復合焊接結(jié)合了MIG焊和激光焊的優(yōu)點，既能獲得所需要的焊縫形貌，又能在激光焊接速度較高的前提下，充分利用電弧焊過程的穩(wěn)定性，并適當減小激光焊機的功率。

國內(nèi)關于激光+MIG電弧復合熱源焊接汽車車身的實際應用的相關報道較少。國外德國大眾集團對此項技術(shù)的研究較為深入，在汽車車身制造領域應用較為廣泛。以德國大眾Phaeton的車門焊接為例，為了在保證強度的同時減輕車門質(zhì)量，大眾公司采用沖壓、壓鑄和擠壓成形的鋁件。車門的焊縫總長約為4 980 mm，其中包括：7條380 mm MIG焊縫，11條1 030 mm激光焊縫，48條3 570 mm激光+MIG復合焊縫。產(chǎn)品、接頭和工裝部分信息如圖9所示。

激光+MIG復合焊接技術(shù)同樣應用于奧迪A8車身的生產(chǎn)。在A8某代車型側(cè)頂橫梁上有各種規(guī)格和型式的接頭，大多采用激光+MIG復合焊工藝，焊縫共計4 500 mm長。

激光+MIG復合焊接技術(shù)的另一特點是具有很寬的焊接速度調(diào)整范圍。采用其焊接Phaeton車門的對接接頭時，焊接速度從1.2～4.8 m/min都是可行的，最大焊接速度可達9 m/min。通常焊絲送絲速度為4～9 m/min，激光功率為2～4 kW。實踐表明，最佳的焊接速度約為4.2 m/min、送絲速度6.5 m/min、激光功率2.9 kW。

隨著近年來車身的輕量化技術(shù)的發(fā)展，汽車車身結(jié)構(gòu)由單一鋼質(zhì)車身逐漸向鋁合金+熱成型復合車身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。隨著越來越多的大截面鋁合金型材和壓鑄件應用于汽車車身結(jié)構(gòu)中，激光+MIG復合焊接技術(shù)具有更大的應用范圍和價值。

目前，鋁合金車身主要采用激光焊接工藝。由于激光光束直徑很小，要求坡口裝配間隙小于0.5 mm，機器人軌跡精度要求也很高，并且開始階段尚未形成熔池時的熱效率很低。另外，也存在設備成本較高，對沖壓件或總成尺要求較為嚴格等問題。這些問題可以通過激光+MIG等電弧復合焊接技術(shù)得到解決。

由于電弧焊的復合，熔池寬度增加，使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易。大眾集團自主開發(fā)了用于車身制造的激光+MIG復合焊接焊槍。該焊槍安裝在焊接機器人手臂上，幾何尺寸小，適合多種空間位置焊接。在各個方向上的調(diào)節(jié)精度達到0.1 mm，基本可以滿足產(chǎn)品的焊接要求。

對于鋁合金材料，表面致密的Al2O3容易在焊接中形成夾雜，造成潛在的裂紋源;MIG焊電弧的“陰極物化”作用則能有效破壞氧化膜結(jié)構(gòu)，避免夾雜，且解決初始熔化問題，減少鋁合金對激光的反射，提高激光的吸收率，從而降低激光器功率;另外，還可利用MIG的極性進一步調(diào)整焊縫的成型系數(shù)。如果需要加深焊縫，可以直流反接（即工件接負極），使其接收電流正離子的轟擊，工件接受更多的能量，從而使焊接深度增加。反之，如果希望增加焊縫寬度，則直流正接（即工件接正極），讓正離子轟擊焊絲表面，從而增加焊絲的熔化速度，提高熔敷率。同時，電弧焊的氣流可解決激光焊金屬蒸氣的屏蔽問題，從而避免焊縫表面凹陷形成的咬肉或咬邊現(xiàn)象，而激光焊的深熔和快速、高效、低熱輸入特點仍得以保持。

在不同激光功率作用下，幾種焊接接頭的成型對比如圖10所示。在焊接工藝的實際應用中，可以依據(jù)產(chǎn)品設計要求、被焊材料的金屬特性等要求，合理選擇激光焊接方法。

3 未來激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 激光焊接技術(shù)面臨的問題

激光焊接技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在汽車車身連接等領域得到了較大的發(fā)展與應用，提高了汽車車身制造的整體水平，解決了諸多由于新材料、新結(jié)構(gòu)和新法規(guī)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的各種問題。

在激光焊接技術(shù)發(fā)展的同時，其他連接技術(shù)也在快速發(fā)展。如等離子技術(shù)借助于現(xiàn)代科技手段，使其能量密度幾乎提升了一個數(shù)量級。所以在某些特定場合，如鋼質(zhì)材料焊接、節(jié)拍要求不高和焊縫較短的條件下，可以采用等離子釬焊技術(shù)取代激光釬焊技術(shù)，不僅成本較低，而且可以獲得幾乎同品質(zhì)的焊接接頭。

近幾年，隨著冷金屬過渡焊接技術(shù)的發(fā)展與完善，相繼開發(fā)出了具有上述等離子能量密度級別的冷金屬過渡連接技術(shù)，如CMT brazing和SKS技術(shù)。借助于特殊的電弧壓縮技術(shù)，其能量密度也可以達到等離子弧的能量密度。因此，在目前的某些車身的等離子釬焊又被新型的冷金屬過渡焊接技術(shù)所取代，因為該技術(shù)價格成本更具優(yōu)勢，而且焊接接頭質(zhì)量也幾乎可以達到等離子釬焊或激光釬焊的水平。但是對于高強鋁合金的焊接，建議采用激光釬焊技術(shù)，畢竟激光焊接光源能量密度更高，可以實現(xiàn)快速焊接，從而獲得較窄的焊接熱影響區(qū)，降低軟化程度。

因此，鑒于激光焊接技術(shù)面臨的壓力與挑戰(zhàn)，要求該技術(shù)必須進一步完善和發(fā)展，以應對其他連接技術(shù)帶來的壓力。

3.2 未來激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向

隨著中國激光光源技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，技術(shù)逐步成熟，激光器價格急劇降低，這對激光焊接技術(shù)的應用具有重要意義。對于激光焊接技術(shù)未來的發(fā)展，有如下方向值得參考和借鑒。

（1）在同質(zhì)材料激光熔焊或釬焊中，采用三光斑技術(shù)。三光斑技術(shù)的原理與應用如圖11所示。三光斑的設計思想主要是為了提高焊接質(zhì)量，避免在焊接過程中因待焊表面的油污等雜質(zhì)或涂層的影響，造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。通過光源的合理分配，在前置的兩個能量較弱的光斑作用下，這些油污或涂層可以在主光斑焊接之前被加熱燒結(jié)清除，從而避免焊縫中氣孔等缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。

另外，前置光斑的存在在焊接過程中也能起到預熱作用，從而提高材料對激光的吸收率。尤其對于鋁合金材料的焊接，前置光斑可以明顯預熱工件，大大提高主光斑焊接時材料對激光的吸收率，這對降低激光器的功率具有重要意義。

對于某些需要后熱處理的焊縫，也可以將輔助光斑后置，依據(jù)熱處理條件的要求，適當布置光斑的位置和能量，以起到隨機后熱處理的作用和效果。

但對于異種材料的激光釬焊，例如鋼與鋁合金的焊接，建議謹慎采用三光斑技術(shù)。為實現(xiàn)鋼件與鋁件的激光釬焊，鋼件表面必須進行涂層或表面處理，以使激光釬焊時釬料與其具有較高的浸潤性和界面張力，提高接頭強度。如果破壞了設計涂層，如鍍鋅層等，則起調(diào)和作用的這些表層就會被破壞并失去相應作用，從而難以實現(xiàn)鋼與鋁的優(yōu)質(zhì)激光釬焊。該方法對于MIG等其他釬焊技術(shù)同樣適用，在工藝設計時務必注意。

（2）激光點焊技術(shù)是為提高激光點焊質(zhì)量而設計的一種新型的、有壓力參與的激光復合焊接技術(shù)。技術(shù)原理示意如圖12所示，它將激光技術(shù)的優(yōu)點和點焊技術(shù)的優(yōu)點有機地結(jié)合在一起，形成了獨特的焊接特點和優(yōu)勢。

激光技術(shù)的優(yōu)勢是能量密度高、焊接速度快。點焊技術(shù)的優(yōu)勢是在利用電阻熱的同時，可以利用壓力優(yōu)勢使待焊接部位達到緊密接觸的目的，從而實現(xiàn)熱與力的合理組合。

對于車身而言，激光焊多用于多層板的焊接。由于車身制造過程中的累計誤差，不可避免地會存在一定程度的誤差累積，從而出現(xiàn)程度不同的間隙。這些間隙的存在對激光熔焊的焊接質(zhì)量有重要影響，會導致焊穿等焊接缺陷，降低接頭性能。

目前也有使用激光飛行點焊技術(shù)進行板材間的無接觸點焊，但是由于某些區(qū)域間隙的存在，在焊接過程中必然造成焊點的塌陷，形成大小不等的焊坑，降低焊點的有效面積，從而降低焊點強度，且由于表面成型不佳，難以用于覆蓋件的焊接。

結(jié)合激光技術(shù)與傳統(tǒng)點焊技術(shù)優(yōu)勢而開發(fā)的激光點焊技術(shù)，既利用了激光能量密度高的優(yōu)點，又利用了點焊焊接時可以施加壓力的特點，實現(xiàn)了激光熔焊過程中的無縫隙或微小縫隙焊接，極大地提高了接頭質(zhì)量和焊點表面成型質(zhì)量，在高品質(zhì)車身制造中具有良好的應用前景。

4 結(jié)論

以汽車車身制造為背景，詳細介紹了幾種激光焊技術(shù)原理、特點與應用發(fā)展，并對激光焊接技術(shù)的未來發(fā)展方向提出了相關建議。

（1）分析了用于汽車車身制造的激光技術(shù)特點，對其相應的光學特性以及材料對其吸收率等特性進行了分析與探討。

（2）詳細介紹了激光熔焊技術(shù)、激光釬焊技術(shù)、激光+MIG復合焊接技術(shù)以及填絲型激光熔焊技術(shù)的原理與技術(shù)特點。并對這些激光焊接方法在汽車車身制造技術(shù)中的發(fā)展與應用特點進行了對比與分析，對于激光技術(shù)在車身上的應用具有較高的指導價值。

（3）基于對未來車身的考慮和滿足高品質(zhì)焊接質(zhì)量的要求，提出了三光斑激光焊接技術(shù)及激光點焊技術(shù)等車身焊接技術(shù)解決方案，對未來汽車車身連接技術(shù)的發(fā)展，提供了方向和發(fā)展建議。

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