在降低油耗增加能耗比的背景下，全鋁車身因其重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)勢(shì)，被越來越多的汽車廠所青睞并應(yīng)用于高端車型。隨著企業(yè)對(duì)輕型金屬材料需求的日益增加，輕金屬焊接工藝顯得尤為重要。
然而，由于目前合金技術(shù)的原因，鋁材成型后易氧化而氧化鋁有著熔點(diǎn)高、光線反射率高的特點(diǎn)，使得全鋁車身焊接工藝加工難度大。本文聚焦激光填絲熔焊與激光熔焊在全鋁車身焊接中的應(yīng)用。

激光焊接原理
激光焊接在汽車行業(yè)焊裝車間，多用于頂蓋、側(cè)圍、前后蓋、四門、底板、覆蓋件等部位的連接。激光填絲熔焊技術(shù)是以激光為熱源，以頂蓋、側(cè)圍外板連接為例，使填充焊絲和部分母材板件熔化、部分金屬液態(tài)化，待金屬冷卻后形成穩(wěn)定的連接。激光熔焊技術(shù)是以激光為熱源，以側(cè)圍內(nèi)、外板連接為例，使上層板件熔透、下層板件部分熔化，使兩層板的部分金屬液態(tài)化，待金屬冷卻后形成穩(wěn)定的連接。

全鋁車身輕量化
減少汽車自身質(zhì)量是降低油耗最有效的措施之一，使用鋁合金材料可以有效實(shí)現(xiàn)車身輕量化。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要是輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、先進(jìn)輕量化材料應(yīng)用、先進(jìn)輕量化制造技術(shù)應(yīng)用，采用新型材料是汽車輕量化最直接有效的方法。
輕量化就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3~0.6升。

激光焊在全鋁車身上的應(yīng)用
激光焊接系統(tǒng)主要由激光源、激光焊接頭、送絲系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機(jī)器人、PLC控制系統(tǒng)等組成，應(yīng)用于全鋁車身頂蓋激光填絲熔焊、機(jī)艙前風(fēng)擋激光熔焊、頂蓋后翻邊激光熔焊、側(cè)圍激光熔焊、側(cè)圍流水槽激光填絲熔焊。

鋁合金激光填絲熔焊
鋁合金激光填絲熔焊區(qū)別于傳統(tǒng)的激光釬焊，填充焊絲材料為鋁絲，較釬焊的CuSi3焊絲更軟，需要嚴(yán)格控制間隙以及減少鋁被氧化，因此需要采用壓輪系統(tǒng)及保護(hù)氣系統(tǒng)。頂蓋與側(cè)圍外板連接左右兩側(cè)焊縫較長，由于尺寸原因很難保證上下板間隙能夠穩(wěn)定在0.2mm以內(nèi)，通過使用1.2mm的鋁絲可以盡可能彌補(bǔ)因?yàn)槌叽鐔栴}導(dǎo)致的焊接不良。

設(shè)計(jì)壓輪系統(tǒng)，壓輪可以根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置成所需壓力以滿足需求，壓力設(shè)置范圍在0N-400N之間。系統(tǒng)中壓力設(shè)置為60N-120N，使壓輪在下壓的過程中保證間隙良好并且不會(huì)導(dǎo)致板件被過壓而變形影響焊接質(zhì)量，并且保證壓輪伸出后與送絲尖端間距保持在5mm-8mm的最佳距離如圖3所示。

鋁絲在熔化過程中尤其在高溫的作用下極易氧化，氧氣會(huì)溶于液態(tài)金屬中形成氣孔造成焊接不良，因此焊接過程中需要使用保護(hù)氣體。氬氣為惰性氣體不溶于液態(tài)金屬當(dāng)中，焊接時(shí)可以起到隔絕空氣、減少等離子體對(duì)激光影響的作用，保護(hù)金屬熔池。

氬氣純度應(yīng)不低于99.9%，純度不夠容易引起表面發(fā)黑等不良現(xiàn)象。本系統(tǒng)中應(yīng)用的是同軸吹氣，在焊接的過程中鋁絲與保護(hù)氣在導(dǎo)管中同時(shí)送出，送氣流量設(shè)定10-16L/min，既不會(huì)破壞熔池也能夠隔絕空氣，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化如圖4所示。

鋁合金激光熔焊
鋁合金激光熔焊是在足夠高的功率密度光束照射下，使材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成高溫蒸汽，在光束移動(dòng)過程中焊接部位隨溫度急速降低而冷凝，通過此方式將外板母材部分熔化與內(nèi)板進(jìn)行連接。鋁合金激光熔焊的優(yōu)勢(shì)在于焊接速度快和焊接精度高，不僅達(dá)到了比較高的強(qiáng)度而且成型面美觀工整、紋路清晰如圖5所示。

激光熔焊控制系統(tǒng)具備模擬量輸出功能，通過軟件設(shè)定參數(shù)，可以輸出模擬量給激光器提供所需要的功率，為了穩(wěn)定焊接的質(zhì)量可以設(shè)定呈周期性的功率，在一個(gè)周期內(nèi)可設(shè)置12組不同功率的參數(shù)。激光束在給定的頻率下進(jìn)行高速偏擺，設(shè)定頻率100Hz的情況下掃描一個(gè)周期的時(shí)間只需要0.01秒，X向?yàn)楹附有羞M(jìn)方向，Y向?yàn)楣馐珨[方向，光束偏擺的幅度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際板件情況進(jìn)行調(diào)整，焊接頭的焦距通過設(shè)備來進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

使用0.9mm上板與2.2mm下板的鋁合金板材進(jìn)行激光熔焊，在不同功率、不同速度、不同掃描寬度情況下，記錄兩塊鋁材板的焊接情況。可達(dá)到焊縫寬度3mm，焊接熔深50%-80%。當(dāng)焊接速度為40mm/s，掃描寬度可達(dá)到3mm。功率為2000w-2500w、頻率100Hz、掃描寬度3mm掃描周期變換如圖6所示，此參數(shù)焊縫寬度足夠、紋理清晰，二層板痕跡明顯，背面手觸感有輕微的凸起，焊接成型如圖7所示。

鋁合金激光焊接工藝
 ◆ 激光焊接熔深要求
（1）填絲熔焊要求
激光填絲熔焊要求如圖8所示，激光填絲熔焊金相如圖9所示。圖中頂蓋總成與側(cè)圍外板為上下板的搭接方式，上下板厚均為1.2mm，焊接試片金相測(cè)試中連接熔寬為1.6mm，下板熔深為0.65mm，達(dá)到既定的強(qiáng)度。
（2） 熔焊要求
激光熔焊連接強(qiáng)度要達(dá)到既定的要求，理論上焊接熔深需要達(dá)到下層板件的三分之一以上，激光熔焊熔深要求如圖10所示。上下兩層板件之間的貼合間隙不得大于0.2mm，盡量保證上下板之間滿足貼合而不至于過壓的狀態(tài)。鋁合金膨脹系數(shù)較大，尤其在高溫作用下板件容易造成形變，夾具的設(shè)計(jì)需要將整個(gè)焊接面進(jìn)行覆蓋。
焊接過程中，焊接表面處于超高溫的環(huán)境，焊接完成后熔池再迅速冷卻成型，板件的貼合如果沒有達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)外板件有向外作用力下容易對(duì)焊縫形成拉力導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，但在表面四周有工裝的夾持下車身外力能夠得到抑制，不會(huì)導(dǎo)致膨脹形變過大而影響整體車身的尺寸。應(yīng)用中定位銅塊為鉻鋯銅，它有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，硬度高，耐磨抗爆，抗裂性以及軟化溫度高。槽型壓塊中間的一段區(qū)域用來進(jìn)行熔焊加工。
激光熔焊焊縫要求表面紋路清晰飽滿，成型面略高于上板，沒有明顯氣孔和裂紋，焊接熔深達(dá)到下層板件的三分之一，強(qiáng)度能夠達(dá)到既定的要求。圖11所示為激光熔焊金相，上板厚0.9mm、下板厚2.2mm，焊接試片金相測(cè)試中連接熔寬為1.8mm，下板熔深為0.9mm，達(dá)到既定的強(qiáng)度。

◆ 激光焊接工藝參數(shù)
由于鋁絲的熔點(diǎn)相對(duì)于銅硅焊絲的低得多，鋁熔點(diǎn)大概在660℃而銅硅焊絲則要1066℃，所以在實(shí)際焊接的過程中所設(shè)置的功率參數(shù)相對(duì)較低，當(dāng)功率設(shè)置為2900W送絲速度3100mm/min機(jī)器人速度70mm/s，在銅硅焊絲的焊接中機(jī)器人速度70mm/s時(shí)功率需要3600W。
◆  激光焊接姿態(tài)
（1）填絲熔焊姿態(tài)
激光束對(duì)焊絲、母材進(jìn)行加工，激光照射方向需要與焊接面偏轉(zhuǎn)一定角度，否則容易出現(xiàn)高反報(bào)警影響激光器的正常使用。焊接過程中保護(hù)氣體的角度也有要求，保護(hù)氣體可以保護(hù)焊接頭鏡片，提高保護(hù)鏡片使用壽命，減少煙塵、等離子體、飛濺對(duì)激光的影響。

保護(hù)氣分為兩路，一路為橫向側(cè)吹保護(hù)氣，氣簾壓力要求達(dá)到0.5-0.6MPa；另一路為與激光方向夾角為30°斜向下（遠(yuǎn)離焊絲方向）保護(hù)氣，氣簾壓力要求達(dá)到0.15MPa。采用流量為10-16L/min、與送絲方向同軸吹出的氬氣，既不破壞熔池也能夠隔絕空氣，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。激光填絲熔焊姿態(tài)如圖12所示。
（2）熔焊姿態(tài)
激光熔焊加工中，激光照射方向也需要與焊接面偏轉(zhuǎn)一定角度，焊接時(shí)傾斜10-15°效果最佳，激光熔焊姿態(tài)如圖13所示。

總結(jié)
本文探討了全鋁車身激光填絲熔焊與激光熔焊兩種激光焊接的應(yīng)用。在激光焊技術(shù)高速發(fā)展的環(huán)境下，新的焊接工藝逐漸替代了傳統(tǒng)的焊接方法，通過更高效的工作方式、更簡便的操作方法得到了更好的產(chǎn)品質(zhì)量。在汽車制造廠追求輕量化的前提下，相信在以往成熟的應(yīng)用基礎(chǔ)上，會(huì)有更多的焊接應(yīng)用不斷出現(xiàn)。
（圖片來源：華工激光）