劉洋 鐘巧波

【關(guān)鍵詞】激光釬焊;電阻點(diǎn)焊;頂蓋;側(cè)圍

【中圖分類號(hào)】TG407;U466【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）06-0076-03

0 引言

目前，汽車頂蓋與側(cè)圍主流連接方式有電阻點(diǎn)焊和激光釬焊兩種。電阻點(diǎn)焊技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，頂蓋連接應(yīng)用最多的就是這種方式，國(guó)內(nèi)自主品牌汽車、日系車和韓系車大多采用此方式。激光釬焊也稱激光填絲釬焊，是在電弧釬焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種釬焊技術(shù)，具有外觀好、速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，德系車頂蓋連接基本已經(jīng)標(biāo)配此技術(shù)[1-2]。國(guó)內(nèi)自主品牌汽車主要采用電阻點(diǎn)焊，同時(shí)也嘗試使用頂蓋激光釬焊，據(jù)了解，“吉利汽車”“北汽福田”“上汽集團(tuán)”“江淮汽車”“一汽轎車”“東風(fēng)柳汽”“東風(fēng)汽車”“比亞迪”均采購了1～2套頂蓋激光釬焊設(shè)備，并在部分車型上使用。本文主要介紹頂蓋采用電阻點(diǎn)焊和激光釬焊的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 工作原理

電阻點(diǎn)焊是通過點(diǎn)焊電極對(duì)被焊工件施加并保持一定的壓力，使工件穩(wěn)定接觸，然后使利用電流通過焊件，使接觸表面產(chǎn)生熱量，溫度升高，融化接觸點(diǎn)，局部形成焊點(diǎn)（如圖1所示）。激光釬焊是利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面，焊絲被光束能量加熱融化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤(rùn)到被焊零件連接處，在界面層生成均勻的固溶體和共晶組織，使之與工件形成良好的冶金結(jié)合（如圖2所示）。

2 優(yōu)劣對(duì)比

2.1 連接結(jié)構(gòu)

全景天窗的電阻點(diǎn)焊和激光釬焊結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]，電阻點(diǎn)焊的側(cè)圍腔體與頂蓋腔體被隔開，頂蓋中部的剛度差。激光釬焊的兩個(gè)腔體緊密相鄰，頂蓋中部的剛度好且性能更優(yōu)。同時(shí)，點(diǎn)焊技術(shù)由于其焊槍本身體積較大，電極頭工作需要一定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要做結(jié)構(gòu)特征或減小結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)焊槍進(jìn)行避讓，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在諸多限制。激光釬焊是單面焊接，肉眼可見的地方均可以焊接，極大地增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，可以獲得更優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

這里需要注意，電阻點(diǎn)焊頂蓋邊緣采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)，而激光釬焊則為翻邊結(jié)構(gòu)且翻邊角度為負(fù)角，因此在頂蓋沖壓工藝中，激光釬焊所用的頂蓋必須增加一個(gè)翻邊工序才能實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)，綜合頂蓋整體工藝設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致增加一套沖壓模具。

在非全景天窗車型中，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊工藝的頂梁是與頂蓋焊接成為一個(gè)整體再上總拼線，頂梁的焊接集成到分拼工位上，未占用總拼的場(chǎng)地和布置。采用激光釬焊工藝后，頂梁無法與頂蓋焊接，頂梁必須先在總拼線上與側(cè)圍焊接后，再將頂蓋上件并進(jìn)行激光焊接，這時(shí)總拼線上工藝過程增多，占用了緊張的總拼線資源，對(duì)生產(chǎn)線布置要求較高，對(duì)場(chǎng)地的需求也高。

2.2 外觀顏值

從兩種技術(shù)的連接結(jié)構(gòu)可以看到，電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)有一凹槽（即流水槽），流水槽內(nèi)有電阻點(diǎn)焊，由于點(diǎn)焊外觀一般不為客戶接受，因此需要在流水槽安裝一個(gè)飾條，以便遮擋點(diǎn)焊[如圖4（a）所示]，但這種方式會(huì)導(dǎo)致頂蓋與側(cè)圍連接處特征線較多，還要考慮飾條與前擋風(fēng)玻璃的匹配程度，設(shè)計(jì)復(fù)雜，外觀較差。而且，客戶使用一段時(shí)間后，飾條唇邊、零件凹槽處會(huì)積聚灰塵、落葉、雜物等，唇邊、凹槽特征狹小，其中的污垢難以簡(jiǎn)單清除，進(jìn)而會(huì)使車輛外觀顯得臟、舊。激光釬焊則不存在上述問題，首先，頂蓋與側(cè)圍直接搭接，無飾條，沒有多余的零件，僅搭接處的一條特征線[如圖4（b）所示]，并且此特征線會(huì)由前擋風(fēng)玻璃的下端一直延伸到頂蓋末端（即尾門處），整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自然、過渡平順，外觀極佳。其次，激光釬焊處外表面平整，不會(huì)藏污納垢，即使落有一些灰塵、雜物，只需簡(jiǎn)單擦拭即可清除，方便客戶進(jìn)行日常清理，也會(huì)讓車輛顯得光鮮、干凈。因此，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)外觀到日常使用的外觀，使用激光釬焊的車輛外觀均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電阻點(diǎn)焊。

2.3 焊接速度

電阻點(diǎn)焊為間歇焊接，焊接速度約1.9 m/min（焊點(diǎn)間距按80 mm，2.5 s焊1個(gè)焊點(diǎn)），激光釬焊速度為4.2m/min，相比而言，激光釬焊速度更快，生產(chǎn)工時(shí)更短，利于加快生產(chǎn)節(jié)拍。

2.4 焊接材料

當(dāng)前，電阻點(diǎn)焊只能進(jìn)行鋼與鋼的焊接，鋁與鋁的電阻點(diǎn)焊技術(shù)尚不成熟，在行業(yè)內(nèi)僅有個(gè)別車企使用，鋁與鋁電阻點(diǎn)焊技術(shù)有帶極點(diǎn)焊（Delta Spot）和鋁點(diǎn)焊（Resistance Spot Welding of Aluminum）等，目前僅有“通用”“特斯拉”使用鋁點(diǎn)焊。因此，當(dāng)前電阻點(diǎn)焊只能用于傳統(tǒng)的鋼車身。激光釬焊既可以連接鋼與鋼，還能連接鋁與鋁，既能用于傳統(tǒng)鋼車身，還能用于全鋁車身，因此采用激光釬焊技術(shù)對(duì)向全鋁車身發(fā)展的車企具備一定的兼容性。同時(shí)，電阻點(diǎn)焊焊接鍍鋅板較為困難，對(duì)工藝要求較高，而激光釬焊對(duì)鍍鋅板適應(yīng)良好[4]。

2.5 單車成本

電阻點(diǎn)焊需要增加車頂飾條，約40元/臺(tái)車，在涂裝車間還需涂密封膠，約1.1元/臺(tái)車。激光釬焊無飾條，但需要消耗釬焊絲，約8.7元/臺(tái)車，綜合來看，采用激光釬焊，單臺(tái)車可以節(jié)約成本32.4元。

電阻點(diǎn)焊與激光釬焊在能耗成本、日常運(yùn)行成本上也有差異，但總成本小。電阻點(diǎn)焊焊接頂蓋，耗電約0.48 kW/臺(tái)車，使用自來水冷卻，無保護(hù)氣體，激光釬焊耗電約0.04 kW/臺(tái)車（4 kW×36 s/3 600×2道），使用過濾后的純凈水，采用氬氣作為保護(hù)氣體。電阻點(diǎn)焊會(huì)消耗電極帽，平均損失0.48元/臺(tái)車。激光釬焊導(dǎo)電嘴不時(shí)需要更換，平均成本為0.004元/臺(tái)車，同時(shí)需要不時(shí)地更換防護(hù)鏡、光纖等。

2.6 固定投資

激光釬焊設(shè)備包含焊接系統(tǒng)、頂蓋拾取裝件系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、激光隔離房、集成費(fèi)用、各類控制系統(tǒng)等，一條生產(chǎn)線需配置2套左右的釬焊設(shè)備，2套設(shè)備總采購價(jià)格為1 200萬～3 000萬元。“賓采爾”采購價(jià)約600萬元/套，“福尼斯”采購價(jià)約1 500萬元/套。電阻點(diǎn)焊一般需4套焊鉗，成本總共約52萬元。

2.7 生產(chǎn)線布置

激光釬焊需要專門的激光房，激光房一般布置在總拼線或者公共補(bǔ)焊線（如圖5所示）。布置在總拼線柔性較差，跨平臺(tái)車型無法兼容，但是距離側(cè)圍、頂蓋上件工位近，零件尺寸變異少，焊接精度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，布置在公共補(bǔ)焊線情況則相反。

3 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

電阻點(diǎn)焊發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，技術(shù)成熟，主機(jī)廠完全具備相關(guān)能力。激光釬焊作為近幾十年發(fā)展起來的技術(shù)，對(duì)主機(jī)廠的制造水平要求較高。

3.1 搭接精度

激光釬焊對(duì)零件搭接精度要求極高，一般要求搭接間隙為0.1～0.35 mm，間隙過大會(huì)導(dǎo)致焊釬熔料下沉，甚至掉落（如圖6所示）。由于激光釬焊搭接精度遠(yuǎn)超電阻點(diǎn)焊的要求，因此原有方式已無法滿足激光釬焊的要求。行業(yè)內(nèi)通常是在焊接時(shí)增加預(yù)緊夾具，把頂蓋壓向側(cè)圍，避免搭接離空，例如某公司采用一種琴鍵式夾板夾具固定頂蓋（如圖7所示）。

3.2 行李架安裝

電阻點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的行李安裝在流水槽，與車內(nèi)隔離。激光釬焊結(jié)構(gòu)行李架必須安裝在頂蓋上，頂蓋開孔，車內(nèi)提供行李架的支撐（如圖8所示）。首先，這種方式對(duì)行李架的密封性能要求高，必須增加防水墊圈，否則外界雨水滲透車內(nèi)會(huì)引起嚴(yán)重的客戶抱怨。其次，必須保證支撐加強(qiáng)板與頂蓋之間的距離符合設(shè)計(jì)要求，距離波動(dòng)不能太大，否則行李架在裝配過程中容易將頂蓋拉變形，導(dǎo)致外觀質(zhì)量問題。最后，支撐加強(qiáng)板必須保證一定的剛度，其料厚、結(jié)構(gòu)形狀需要進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)和仿真分析，滿足行李架在使用過程中的承載要求，避免頂蓋變形過大或出現(xiàn)明顯凹陷的問題。

4 總結(jié)

相比電阻點(diǎn)焊方式，頂蓋與側(cè)圍的連接采用激光釬焊方式，頂蓋剛度高、外觀好，生產(chǎn)速度快，同時(shí)取消了車頂飾條和密封膠，單車成本減少約32.4元。但是，激光釬焊固定投資大，生產(chǎn)柔性差，對(duì)零件搭接精度高，生產(chǎn)上必須保證頂蓋與側(cè)圍間隙，同時(shí)要加強(qiáng)行李架防水處理。電阻點(diǎn)焊方式是車身連接傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，頂蓋采用此技術(shù)與已有的生產(chǎn)系統(tǒng)兼容性好，固定投資小，對(duì)生產(chǎn)精度要求低，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，整車成本較高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]林平.激光釬焊在汽車行業(yè)的焊接應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：39-44.

[2]Klaus LOEFFLER.The Latest Laser Applied Techno-logy of the Auto Industry in Europe on the Example of the Body in White Applications of the Volkswag-en Golf V[J].Journal of the Japan Welding Socie-ty. 2004，73（8）：547-550.

[3]王仁虎，王鏑，姜峻嶺.車頂激光釬焊連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].汽車與配件，2015（45）：80-83.

[4]谷亞飛.鍍鋅鋼板的激光釬焊工藝及缺陷抑制機(jī)理研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2014.