作者：唐霞輝1，秦應(yīng)雄1，鐘如濤2

1華中科技大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心

2武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院

汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)車體質(zhì)量提出了更高的要求。激光技術(shù)具有加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造應(yīng)用中，起到了至關(guān)重要的作用。

1、引言

激光制造是中國(guó)制造2025發(fā)展戰(zhàn)略的支撐技術(shù)。激光智能裝備應(yīng)用于航空航天、船舶制造、海洋工程設(shè)備、石油石化、國(guó)防等領(lǐng)域的大型裝備制造，涉及激光焊接、切割、精密鉆孔、刻線、表面改性、清洗、增材制造等工藝。汽車工業(yè)是激光加工應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)中，50%-70%的汽車零部件使用激光加工技術(shù)制造。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，全世界約有3萬(wàn)多臺(tái)激光加工設(shè)備用于汽車工業(yè)，每年數(shù)以百計(jì)的激光加工機(jī)投入使用。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)中激光技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)巨大，經(jīng)濟(jì)效益不斷上升。汽車行業(yè)中的激光加工技術(shù)主要有：激光切割、激光焊接、激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光打孔等。

2、激光切割與汽車板高速落料

汽車工業(yè)中，激光切割工藝采用大功率光纖激光器，以提高切割速度和切割質(zhì)量。在汽車樣車和小批量生產(chǎn)中則大量使用三維激光束切割機(jī)，對(duì)普通鋁、不銹鋼等薄板、帶材的切割加工，其切割速度可達(dá)10 m/min以上，大幅縮短了生產(chǎn)周期，比機(jī)械加工方式的加工費(fèi)用減少50%。激光切割和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，使其功能得以更大地發(fā)展，特別是在車型不斷變化的小批量生產(chǎn)中，激光切割和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合更有其優(yōu)越性。

汽車板落料生產(chǎn)線上，有一種傳統(tǒng)的通用帶料剪切設(shè)備叫做飛剪，通過(guò)在帶料運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行跟蹤剪切，大幅提高下料的速度，但由于切刀是直線的，只能得到矩形和梯形坯料，應(yīng)用范圍受到限制。而現(xiàn)有的激光切割設(shè)備，切割形狀不受限，但在進(jìn)行切割時(shí)板料都是靜止的，進(jìn)料和出料不能同時(shí)進(jìn)行，影響了帶料的處理速度。

激光切割落料線對(duì)上述兩種設(shè)備的工作理念進(jìn)行巧妙組合，即在帶料運(yùn)動(dòng)中用激光切割機(jī)對(duì)其進(jìn)行飛割（跟隨切割），其目的是為了解決連續(xù)的金屬和非金屬帶料的無(wú)模具快速下料問(wèn)題，以降低下料設(shè)備的投資、模具消耗成本，并且有效提高材料的利用率。采用激光落料，無(wú)需制造模具，采用先進(jìn)的排樣軟件及控制系統(tǒng)，產(chǎn)品規(guī)格形狀轉(zhuǎn)換迅速。對(duì)于今后高強(qiáng)汽車板，采用激光落料成為當(dāng)務(wù)之急。

3、汽車板激光拼焊

激光拼焊技術(shù)（Tailor welded blanks，TWB）應(yīng)用于車身制造具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)。例如減輕車身重量、減少汽車零部件數(shù)量、提高原材料利用率、提高結(jié)構(gòu)功能和安全性，為生產(chǎn)寬體車提供可能，增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活性等。圖1所示為車身制造中所用的一些典型激光拼焊件。

圖1 激光拼焊件在車身制造中應(yīng)用

德國(guó)Thyssen鋼鐵公司在20世紀(jì)80年代率先開始生產(chǎn)激光拼焊汽車板。目前全球已建有500多條激光拼焊生產(chǎn)線，西歐生產(chǎn)的拼焊板約占世界總產(chǎn)量的70%，美國(guó)約占20%，日本約占10%。隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，激光拼焊技術(shù)也得到了快速應(yīng)用，目前，國(guó)內(nèi)已有20多家激光拼焊板生產(chǎn)中心，近100條生產(chǎn)線，年加工激光拼焊板的能力達(dá)到6000多萬(wàn)片。隨著人們對(duì)節(jié)能減排及車身輕量化要求的不斷提高，一些新的車身輕量化技術(shù)也得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，成為激光拼焊可能的替代技術(shù)。

蒂森克虜伯公司新開發(fā)的鋼卷拼焊技術(shù)成功用于汽車板生產(chǎn)。過(guò)去，激光拼焊板技術(shù)僅限于生產(chǎn)長(zhǎng)3 m左右的鋼板，隨后還必須對(duì)鋼板進(jìn)行剪切和激光焊接。鋼卷激光拼焊技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了拼焊產(chǎn)品成卷供貨，采用該項(xiàng)技術(shù)的鋼卷拼焊生產(chǎn)線可以將長(zhǎng)達(dá)500 m的不同厚度（0.6-3.0 mm）、不同鋼種（碳鋼、不銹鋼）和不同涂鍍層（熱鍍層、電鍍層或有機(jī)涂層）的帶鋼用激光焊機(jī)對(duì)焊起來(lái)，最大卷重可達(dá)到15 t。拼焊帶卷同拼焊板一樣，可用于座椅導(dǎo)軌、座椅靠背和輪緣等，其優(yōu)點(diǎn)是：提高焊接效率，降低重量，提高零件性能，降低零件整合時(shí)的成本。拼焊卷可采用如連續(xù)模、輥壓成型和多工位壓力機(jī)成形加工。

4、汽車車身激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)

用于汽車車身激光點(diǎn)焊、縫焊的激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)，主要包括：激光器、高功率光纖耦合傳輸與聚焦技術(shù)、6軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)器人系統(tǒng)、焊縫位置跟蹤、激光柔性加工系統(tǒng)數(shù)控軟件、焊接夾具通配性、激光焊接工藝與數(shù)據(jù)庫(kù)、焊縫質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

華工激光和成焊寶馬開發(fā)的焊接系統(tǒng)中，預(yù)拼車身通過(guò)傳輸系統(tǒng)到達(dá)車身成型工位，同時(shí)車身識(shí)別系統(tǒng)切換地板定位夾具，降下落入的地板定位夾具中，4個(gè)機(jī)器人同時(shí)抓舉4套車身定位網(wǎng)架式夾具，在車身上進(jìn)行裝配快速定位鎖緊；機(jī)器人通過(guò)工具切換系統(tǒng)，脫開定位夾具；夾具夾緊車身。機(jī)器人同時(shí)抓起焊鉗和其他幾個(gè)機(jī)器人一起對(duì)車身進(jìn)行焊接。焊接完成后，抓舉機(jī)器人放下焊鉗，然后抓取定位夾具離開車身；車身升起，傳入下個(gè)工位中；在4個(gè)機(jī)器人的抓取范圍內(nèi)布置4套旋轉(zhuǎn)裝置，可儲(chǔ)存夾具。每套旋轉(zhuǎn)裝置可分上下兩層，每層可存儲(chǔ)6套夾具。

圖2 車身激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)

圖2所示為系統(tǒng)組成。2套不同的地板沿X向水平切換可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)6種車型的生產(chǎn)。而且由于同平臺(tái)多車型的B柱前部車身數(shù)據(jù)變化不大，車身后部的不同演變出不同車型，使導(dǎo)夾具的更換量更少，也更經(jīng)濟(jì)。同時(shí)這種布置方式占地很小，可以為汽車廠家節(jié)約更多的成本，提高汽車廠家的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖3 汽車白車身頂蓋激光焊接機(jī)器人

華工激光與DPCA（神龍汽車公司）W23項(xiàng)目合作開發(fā)，結(jié)合東風(fēng)汽車公司乘用車的實(shí)際生產(chǎn)需求，制定汽車白車身頂蓋激光焊接方案，如圖3所示。激光焊接工位（AR13）由2個(gè)機(jī)器人、1個(gè)光纖激光器、送絲機(jī)、焊接頭、激光防護(hù)房、地板夾具組成。

工作時(shí)采用1個(gè)機(jī)器人帶著激光焊接頭進(jìn)行焊接。頂蓋夾具由機(jī)器人搬運(yùn)，通過(guò)4個(gè)V型定位塊與兩側(cè)定位支撐架配合，形成定位。定位支撐架上的四個(gè)夾緊氣缸將頂蓋夾具夾緊。頂蓋夾具與機(jī)器人之間包含快換裝置，可以多車型工裝切換。

5、汽車零部件激光焊接

采用大功率激光器配以相應(yīng)的導(dǎo)光系統(tǒng)、機(jī)器人、工裝夾具、全自動(dòng)上下料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行激光切割/焊接汽車金屬管類零部件、汽車變檔套、汽車儀表板、汽車座椅調(diào)角器、汽車鈑金件等汽車零部件。

（1）汽車管類零件的激光在線高速焊接。通過(guò)高精密反射鏡將高功率激光束導(dǎo)向到不銹鋼管縫上，產(chǎn)生極高的焊接溫度，實(shí)現(xiàn)汽車管類零部件的拼材焊接。

（2）汽車變檔套的激光雙工位自動(dòng)切割加工。以汽車變檔套為應(yīng)用對(duì)象，配以相應(yīng)的導(dǎo)光系統(tǒng)、機(jī)器人、工裝夾具、上下料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行激光切割，在線生產(chǎn)。

（3）汽車座椅調(diào)角器的激光全自動(dòng)焊接。采用5000 W功率的激光器對(duì)調(diào)角器進(jìn)行激光焊接，自動(dòng)上下料系統(tǒng)，各制造單元有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化在線生產(chǎn)。

（4）汽車儀表板安全氣囊的激光弱化切割。采用激光加工的方法加工氣囊爆破處的弱化線，利用機(jī)器人抓取儀表板相對(duì)與激光束運(yùn)動(dòng)。通過(guò)編程控制使激光在儀表板上打出系列微孔，形成弱化線，并實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化在線生產(chǎn)。

（5）汽車三維零件的激光切割。采用龍門固定倒掛機(jī)器人、光纖傳輸激光到切割頭、機(jī)器人進(jìn)行控制對(duì)三維零件進(jìn)行異形加工。該設(shè)備生產(chǎn)的零件厚度為0.5-3 mm，主要用于汽車覆蓋件的切邊加工。具有方便三維零件的加工、投資成本低、使用成本維護(hù)低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（6）電動(dòng)汽車電機(jī)扁銅線的綠光連續(xù)碟片激光焊接。通快的綠光連續(xù)碟片激光器TruDisk1020在高質(zhì)量激光銅焊接工藝中具備明顯優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車的電機(jī)通常采用扁銅線，采用綠激光可有效提高焊接點(diǎn)面積、增加強(qiáng)度、提高導(dǎo)電效率、節(jié)約成本。

6、結(jié)束語(yǔ)

汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)車體質(zhì)量提出了更高的要求。激光焊接、切割技術(shù)不僅在加工質(zhì)量方面優(yōu)于傳統(tǒng)加工方法，而且生產(chǎn)效率也得到顯著提高。激光焊接、切割技術(shù)發(fā)展到今天，已廣泛應(yīng)用于汽車制造等領(lǐng)域，起到了至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的升級(jí)換代，進(jìn)一步發(fā)展高端激光器核心技術(shù)，包括高功率半導(dǎo)體激光器、光纖激光器，是目前世界最新一代工業(yè)和軍用激光器的當(dāng)務(wù)之急。發(fā)展新一代高功率、高穩(wěn)定性、窄線寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光芯片以及萬(wàn)瓦級(jí)高亮度直接半導(dǎo)體激光器，對(duì)于打破國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)封鎖，提升我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)整體水平及核心競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。