奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241000

汽車輕量化能有效地節(jié)約油耗、減少排放，在日益嚴(yán)峻的環(huán)境和能源形勢(shì)下，各大汽車企業(yè)都在不斷積極探索汽車輕量化方案。

鋁和鋁合金材料具有比重小、塑性好、比強(qiáng)度高（0.113N/kg）、導(dǎo)熱性能好、化學(xué)性能以及減重效果好（25%～40%）等一系列優(yōu)良的使用特性。因此，近年來(lái)，越來(lái)越多的企業(yè)選擇了采用鋁及鋁合金材料替代普通碳鋼的車身輕量化技術(shù)路線。美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等先后開(kāi)發(fā)出標(biāo)志性鋁基輕量化產(chǎn)品A8、XFL等。奇瑞 eQ1 上市，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首款全鋁車身誕生。

為顯著提升純電動(dòng)汽車行業(yè)的制造技術(shù)水平，滿足大批量定制化制造和產(chǎn)品市場(chǎng)定位，基于奇瑞新能源eQ1產(chǎn)品的綠色關(guān)鍵制造工藝激光深熔焊技術(shù)，目的就是要解決當(dāng)前純電動(dòng)汽車制造自動(dòng)化、綠色制造、產(chǎn)品一致性等問(wèn)題，促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)與制造業(yè)融合，保證本公司產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力。

激光器的選擇

常見(jiàn)的激光器種類，按其工作介質(zhì)分為五類，分別是：氣體、固體、半導(dǎo)體、染料以及光纖。

1.氣體激光器

氣體激光器可以是純氣體，也可以是混合氣體。最常見(jiàn)的CO2激光器具有峰值功率高、光束集中、功率可選范圍大、連續(xù)和脈沖兼具、波長(zhǎng)范圍廣（9000～12 000nm）以及體積小等優(yōu)勢(shì)，多應(yīng)用于軍事、材料切割等。

2.固體激光器

固體激光器的特征是高功率穩(wěn)定性、輸出功率連續(xù)可調(diào)節(jié)，高光束質(zhì)量，工作性能可靠，激光器壽命長(zhǎng)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。電源自帶過(guò)熱、限流保護(hù)電路，TEC及激光頭風(fēng)扇制冷，可外接信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行高速調(diào)制（TTL調(diào)制及模擬調(diào)制）?？蓪?shí)現(xiàn)加載單模/多模光纖耦合輸出，耦合效率高，操作方便，光纖可拆卸更換。采用多級(jí)串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率輸出，目前平均功率最高可達(dá)到上600～800W，重頻可達(dá)80～200次/s，單脈沖能量可達(dá)80J。主要應(yīng)用：校準(zhǔn)光路、熒光激發(fā)、光譜分析、光電檢測(cè)、干涉實(shí)驗(yàn)及拉曼實(shí)驗(yàn)等。

3.半導(dǎo)體二極管激光器

半導(dǎo)體二極管激光器利用電子發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩和反饋，產(chǎn)生光束放大，輸出激光。應(yīng)用場(chǎng)景：熒光激發(fā)、光譜分析、材料、細(xì)胞、腫瘤、活體照射及光動(dòng)力治療等。

4.染料激光器

染料激光器具有輸出波長(zhǎng)可調(diào)功能。它是光譜范圍0.4～1.4μm可調(diào)的窄帶寬激光器，通過(guò)混頻技術(shù)獲得紫外到中紅外波段的可調(diào)諧相干光。主要用于高光譜特征參量與光譜庫(kù)研究。

5.光纖激光器

光纖激光器應(yīng)用領(lǐng)域較多，包括空間遠(yuǎn)距離通訊、千兆光纖通訊儀、船舶、汽車、切割、打標(biāo)、鉆孔、焊接、醫(yī)療器械及基建等。玻璃光纖具有成本低、應(yīng)用成熟、產(chǎn)品空間尺寸小及質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；它不需要像晶體一樣對(duì)入射光進(jìn)行相對(duì)嚴(yán)格的相位匹配，原因是玻璃基體的星分裂引起的不均勻加寬導(dǎo)致了寬吸收帶。材料體積比極低，功耗低，熱量去除快，交換效率高，閾值低；輸出的激光波長(zhǎng)多。這是因?yàn)橄⊥岭x子能級(jí)非常豐富，而且有多種稀土離子。由于這種激光器諧振腔內(nèi)沒(méi)有透鏡，不需要調(diào)整焦距而且免維護(hù)，應(yīng)用場(chǎng)景較為普遍。光纖輸出形式使得激光器能夠容易適應(yīng)3D空間應(yīng)用，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，對(duì)振動(dòng)、沾污、沖擊及溫濕度有很好的耐受性。只需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷。各類激光器各有特點(diǎn)，需要結(jié)合鋁合金框架車身所用材料的特點(diǎn)并結(jié)合投資成本、維護(hù)成本等方面綜合考慮，進(jìn)行充分的驗(yàn)證和對(duì)比，從而選擇合適的激光器類型。

激光器參數(shù)的選擇

1.激光器功率

激光功率是激光焊接中的一個(gè)關(guān)鍵因素，使用激光來(lái)焊接金屬和非金屬已經(jīng)成熟應(yīng)用，其中存在一個(gè)激光光束能量密度閾值，低于該閾值，熔透很淺，大于或等于此值，穿透性將大大增加。激光功率超過(guò)能量閾值（也就是激光問(wèn)題高），空氣會(huì)產(chǎn)生離子，產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的高深寬比焊縫。當(dāng)功率小于能量閾值，焊接熔深不足，焊縫連接強(qiáng)度不足。而當(dāng)激光功率接近形成小孔的臨界條件時(shí)，激光深熔焊和熱傳導(dǎo)焊不間斷運(yùn)行，導(dǎo)致焊縫熔深波動(dòng)很大。使用激光深熔焊工藝時(shí)，功率和速度與焊縫熔深有關(guān)系。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)。

深熔焊和導(dǎo)電焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定的焊接過(guò)程，導(dǎo)致熔透波動(dòng)較大。激光深熔焊過(guò)程中，激光功率可以同時(shí)控制熔深和焊接速度。熔透率與入射光束的功率密度直接相關(guān)，是入射光束功率和光束焦點(diǎn)的函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于一定直徑的激光束，穿透深度隨光束功率的增加而增大。

2.激光脈沖波形

針對(duì)高反射率材料，使用激光進(jìn)行焊接必然會(huì)產(chǎn)生60%～85%的能量損失，通過(guò)調(diào)整激光脈沖寬度參數(shù)，可有效抑制能量損失。在激光脈沖信號(hào)處理過(guò)程中，高光金屬的反射率隨焊接時(shí)間變化。當(dāng)被焊接零件材料達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，反射率會(huì)快速下降，當(dāng)被焊接零件表面形成焊縫熔池時(shí)，材料反射率會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。多數(shù)高光材料能量輸入開(kāi)始階段反射率高，一般采用前置尖峰的激光輸出波形，利用波形出現(xiàn)尖峰使激光溫度提升至熔點(diǎn)，減少反射率。對(duì)于黑金屬材料，材料反射率低一般采用平整的波形。在應(yīng)用中需根據(jù)材料表面特性不同，對(duì)脈沖波形進(jìn)行調(diào)整。

3.激光脈沖寬度

激光脈沖寬度主要由焊縫深度與寬度確定，脈沖寬度越長(zhǎng)熱影響區(qū)越大，焊縫深度是隨著脈沖寬度的0.5次方增加。但脈寬的加大峰值功率會(huì)降低，此方法主要用于激光熱傳導(dǎo)焊接形式，焊縫形貌尺寸深寬比低，用于兩種板材厚度差異較大的搭接焊。但低的峰值功率使得激光功率損失較大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出，各種材料熔深達(dá)到最大時(shí)最佳脈沖寬度參數(shù)。

4.光斑直徑

光斑直徑?jīng)Q定激光的能量密度的聚焦程度。但對(duì)于功率較高的激光束，目前對(duì)光斑尺寸的測(cè)量是個(gè)難題，目前已經(jīng)有一些間接測(cè)量方法。根據(jù)衍射理論，可以計(jì)算出光束聚焦的衍射極限光斑大小。但由于焦距透鏡存在像差，實(shí)際光斑尺寸大于計(jì)算值。常用的測(cè)量方法是等溫剖面法，即燃燒厚紙和穿透PP板后測(cè)量焦點(diǎn)和射孔直徑。采用此手段要有一定經(jīng)驗(yàn)，在測(cè)量過(guò)程中掌握好激光的功率和激光的作用時(shí)間。

5.激光透鏡焦距

焊接時(shí)需對(duì)激光進(jìn)行聚焦，常采用 62～253mm焦距的鏡頭。焦斑的大小與焦距的關(guān)系成正比，焦距變短，光斑變小。但焦距也影響震源深度，也就是說(shuō)，震源深度增加焦距也隨之增加，因此短焦距可以增加功率能量，但由于震源深度很小，鏡頭和工件之間的距離較大，且熔深較小。由于焊接過(guò)程中的受熔池飛濺影響，實(shí)際焊接使用的最短焦深一般為126mm。當(dāng)連接零件之間存在較大縫隙時(shí)，可增加激光光斑尺寸，一般采用254mm焦距的鏡頭。為了達(dá)到焊接小孔效果，可提高焊接激光輸出的功率能量。當(dāng)功率超過(guò)2kW時(shí)，尤其是CO2激光束10.6μm，由于透鏡采用精密材料構(gòu)成，為了避免聚焦透鏡光學(xué)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，一般采用反射聚焦方法，通常使用拋光銅鏡子反射器。由于其冷卻效果好，常被推薦用于大功率激光聚焦。

鋁及鋁合金材料具有高反射性，選擇激光器參數(shù)時(shí)需采用與之匹配的參數(shù)。除此之外，投資成本也是一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題，按目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的行情，一臺(tái)3kW激光器的價(jià)格大約在150萬(wàn)～180萬(wàn)元，應(yīng)在滿足焊接要求的同時(shí)，選擇盡可能低的功率，以保證最終的投資效益。

工裝夾具的開(kāi)發(fā)

1.焊接夾具的定位原理

在焊接過(guò)程中，每一個(gè)焊接件所放置的位置不能保證一致，即使對(duì)同一批要進(jìn)行焊接的焊接件來(lái)說(shuō)，也不能確保每一件都放在同一個(gè)位置。而且各焊接件本身的差異和各工件的位置、傾斜角度也是不一致的。由于焊接件位置的這種不確定性，同時(shí)要滿足限定自由度。剛體在空間中有6個(gè)自由度，即沿XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸平移的3個(gè)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。欠約束零件加工無(wú)法保證加工精度和質(zhì)量符合性與穩(wěn)定性，必須對(duì)焊接件進(jìn)行自由度的限制。

汽車焊裝夾具和普通機(jī)床夾具的形式和理論雖然是相似的，但普通的夾具定位在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用6點(diǎn)定位原理，即通用的一面兩銷的定位原理，完全定位即可。然而在進(jìn)行汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)的定位時(shí)，不能采用普通的標(biāo)準(zhǔn)。汽車車身是空間曲面，簡(jiǎn)單的 6 點(diǎn)定位不能保證焊接件的定位精度。在汽車車身夾具定位時(shí)應(yīng)使用過(guò)定位，即所謂的“N-2-1”定位原理。

在生產(chǎn)線中以焊接件的平面作為定位基準(zhǔn)進(jìn)行自由度的限制是最常見(jiàn)的一種形式。在進(jìn)行焊接夾具設(shè)計(jì)定位的時(shí)候，可以按焊接件表面接觸的情況進(jìn)行分析。通過(guò)焊接件表面接觸面積大小，接觸點(diǎn)的數(shù)目多少，確定在設(shè)計(jì)夾具時(shí)所采用的形式：夾緊裝置還是支撐件。一般當(dāng)零件較小（＜60mm），接觸面積較大，會(huì)將“N-2-1”N整合成一個(gè)大面定位。

第二個(gè)基準(zhǔn)一般是以工件的圓柱孔來(lái)進(jìn)行定位，主要通過(guò)定位銷來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般采用短銷來(lái)限定兩個(gè)移動(dòng)自由度。

第三個(gè)基準(zhǔn)同樣是采用定位銷進(jìn)行定位，和第一個(gè)進(jìn)行配合限定一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。在夾具進(jìn)行定位時(shí)一般較少采用長(zhǎng)銷進(jìn)行定位，防止氣缸夾緊時(shí)產(chǎn)生較大的力對(duì)銷產(chǎn)生破壞，影響定位效果。

2.夾具設(shè)計(jì)

大批量生產(chǎn)輔助設(shè)施的限制與單件或小批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線不同，大批量生產(chǎn)的鋁合金框架車身生產(chǎn)線除了必要的焊接夾具外，還需要有輥床、滑撬、吊具、安全防護(hù)設(shè)施等機(jī)械化輸送設(shè)備或工裝。因而，在進(jìn)行激光焊接夾具的設(shè)計(jì)時(shí)，需要與周邊相關(guān)設(shè)施相適應(yīng)，避免出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

3.激光焊接夾具的特殊要求

對(duì)于采用壓力連接（點(diǎn)焊、SPR等）的零部件，夾具壓頭的分布不需要很緊密，最大可按300～400mm分布，待連接零件之間允許有不超過(guò)1mm的間隙存在。連接時(shí)，在工具頭的壓力作用下，完全可以將這部分配合偏差抵消。

激光焊則對(duì)配合間隙較為敏感，一般情況下，待連接零件之間的配合間隙不允許超過(guò)較薄料厚的30%。因此，夾具的夾頭布置得越緊密，對(duì)焊接越有利。然而，夾頭布置得越緊密，意味著焊接可達(dá)性越差。如何平衡這兩者的關(guān)系則成為了進(jìn)行激光焊接夾具設(shè)計(jì)中最為重要的考量因素。

激光焊接頭的開(kāi)發(fā)

1）鋁合金車身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)車身的二維結(jié)構(gòu)不同，新能源鋁合金框架車身絕大部分是由擠壓成形的鋁型材構(gòu)成的，具有三維立體結(jié)構(gòu)，同一個(gè)接頭通常需要從四個(gè)不同的方向施加焊接。同時(shí)，由于汽車造型的要求，某些接頭的焊接操作空間往往被其他零部件所遮擋，加上焊接夾具的影響，焊接工具難以到達(dá)。

2）激光焊接頭的結(jié)構(gòu)。激光加工頭是激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整焦距和工作距離，從而可獲得合適的光斑尺寸。在激光焊接機(jī)頭中集成了不同功能的組成單元，包括激光聚焦和導(dǎo)入單元、保護(hù)氣導(dǎo)入和分配單元、冷卻系統(tǒng)及透鏡防護(hù)系統(tǒng)等。由于需要集成諸多功能單元，造成激光焊接頭體積較大，勢(shì)必會(huì)影響其在復(fù)雜車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。需要針對(duì)車身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)可達(dá)性更好的激光焊接頭。

3）偏差探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。零部件在從原材料到車身的加工過(guò)程中，往往要經(jīng)過(guò)幾道甚至十幾道工序，每道工序加工過(guò)程中都不可避免地會(huì)產(chǎn)生偏差，隨著工序的流動(dòng)，這些偏差將累積到車身上并向后序傳遞。為了保證激光焊接的質(zhì)量，除了制定合理的加工公差及控制零部件加工質(zhì)量外，還需要配備相應(yīng)的偏差探測(cè)系統(tǒng)。在焊接前，由該系統(tǒng)對(duì)裝配偏差進(jìn)行探測(cè)并反饋給激光焊系統(tǒng)，激光焊系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后再進(jìn)行焊接，而且這一過(guò)程必須在大批量生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成。

結(jié)語(yǔ)

奇瑞新能源汽車采用激光焊接技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)MIG焊接工藝，每米焊縫節(jié)約成本8.7元/m，以替換11m焊縫計(jì)算，單車節(jié)省約95元，按年產(chǎn)6萬(wàn)輛計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本570萬(wàn)元/年。通過(guò)本文研究希望可以給同行業(yè)一些建議和參考。