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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-08-06 21:24
汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展加速了汽車制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新、發(fā)展和應(yīng)用。汽車車身作為汽車其他零部件的載體，其制造技術(shù)和制造水平直接決定了汽車整體的制造質(zhì)量。在汽車車身制造過程中，焊接是重要生產(chǎn)工序。目前用于汽車車身焊接的焊接技術(shù)手段主要包括電阻點焊 、MIG 和 MAG 焊接以及激光焊接。其中，激光焊接從 20 世紀(jì) 80 年代開始應(yīng)用于汽車車身焊接，之后隨著汽車行業(yè)對汽車生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量要求的提升和激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光焊接技術(shù)逐漸成為汽車車身焊接的核心技術(shù)。
激光焊接技術(shù)作為光機電一體化的先進焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)的汽車車身焊接技術(shù)相比具有能量密度高、焊接速度快、焊接應(yīng)力及變形小、柔性好等優(yōu)勢。汽車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車身部件以薄壁、曲面構(gòu)件為主，汽車車身焊接過程面臨車身材料變化、車身部件厚度不一、焊接軌跡及接頭形式多樣化等焊接難點，同時對焊接質(zhì)量和焊接效率有很高的要求。通過探索合適的焊接工藝參數(shù)，激光焊接能保證汽車車身關(guān)鍵部件焊接的高疲勞強度和沖擊韌性，從而保證車身焊接質(zhì)量和使用壽命，滿足汽車對安全性能需求的日益提升；激光焊接技術(shù)能適應(yīng)不同接頭形式、不同厚度以及不同材料類型的汽車車身部件焊接，滿足汽車車身制造過程的柔性化需求。因此，激光焊接技術(shù)是實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)手段。
本文首先介紹了激光焊接在汽車車身焊接中的應(yīng)用，然后主要從汽車車身激光焊接工藝、汽車車身激光焊接智能化技術(shù)兩個方面介紹汽車車身激光焊接技術(shù)的主要研究現(xiàn)狀，最后對汽車車身激光焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢提出分析。
一. 汽車車身激光焊接工藝
汽車車身主要由兩大部分組成，分別是車身框架和車身蒙皮。其中，車身框架主要包括上邊梁、下邊梁、縱梁、橫梁、立柱等部件；車身蒙皮主要包括頂蓋、側(cè)圍、隔板、翼子板、前后車門蓋等部件。通過將車身框架部件和車身蒙皮部件焊接在一起，形成完整的汽車車身。當(dāng)前主流汽車制造過程中，其車身材料仍主要使用金屬材料，主要包括鋼、鋁合金、鎂合金等，此外復(fù)合材料有少量的應(yīng)用。汽車車身各部件常用金屬材料如表 1 所示。
表 1 汽車車身常用金屬材料
Table 1 Commonly used metal materials for automotive body
汽車車身焊接過程中針對不同車身材料和不同接頭形式使用不同的激光焊接工藝。目前應(yīng)用在汽車車身焊接領(lǐng)域的主要激光焊接工藝包括激光深熔焊、激光填絲焊、激光釬焊以及激光電弧復(fù)合焊接。幾種不同的汽車車身激光焊接工藝特點如表 2 所示。
表 2 汽車車身常用激光焊接工藝
Table 2 Commonly used laser welding processes for automotive body
1汽車車身激光深熔焊工藝
激光深熔焊是指激光功率密度達到一定水平時，使材料表面發(fā)生汽化而形成匙孔，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜壓力和表面張力達到動態(tài)平衡，激光可通過匙孔照射到孔底，隨著激光束的運動形成連續(xù)的焊縫。激光深熔焊焊接過程中不需要添加輔助焊劑或填料，完全利用工件自身材料焊接為一體。激光深熔焊工藝的示意圖如圖 1 所示。激光深熔焊得到的焊縫一般光滑平直，變形量小，有利于提升汽車車身的制造精度；焊縫的抗拉強度較高，保證了汽車車身焊接質(zhì)量；焊接速度快，有利于提高焊接生產(chǎn)效率。在汽車車身焊接中，激光深熔焊工藝可以滿足車身組焊和拼焊的焊接需求。在車身組焊中主要用于車身頂蓋、側(cè)圍、車門等區(qū)域的焊接，采用該工藝的相關(guān)企業(yè)包括福特、通用、沃爾沃等；在車身拼焊中主要用于不同強度、不同厚度、不同涂層的鋼板焊接。在汽車車身焊接過程中使用激光深熔焊工藝可以大幅減少零件、模具及焊接工裝數(shù)量，從而降低車身自重和生產(chǎn)成本。然而，激光深熔焊工藝對待焊部件的裝配間隙容忍度較差，需要將裝配間隙控制在 0.05~2mm 之間，若裝配間隙過大，則會產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷。
圖 1 激光深熔焊工藝示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of laser deep penetration welding
在汽車車身焊接中，同種材料焊接的需求量大，以車用高強鋼和鋁合金為代表的同種金屬汽車車身激光深熔焊工藝得到廣泛研究。王順利等對汽車高強鋼進行激光深熔焊工藝探索。研究結(jié)果表明，當(dāng)激光功率在 2~2.5kW 時，焊縫形貌良好，且焊縫深寬比較大。李志偉通過改變激光功率和焊接速度對 DP780 車用鍍鋅高強鋼進行焊接實驗。結(jié)果表明，在零間隙條件下，焊接質(zhì)量隨激光功率增加而提高，隨焊接速度增加而降低。黃堅等發(fā)現(xiàn)在保證焊縫適度熔透的基礎(chǔ)上，最小臨界速度和最大臨界速度隨激光功率的增加而線性增加，隨鋼板厚度的降低而增大。董丹陽等分析了脈沖 Nd:YAG 激光器的焊接速度對 1.4mm 厚DP780 車用高強鋼焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明其他參數(shù)不變的情況下，焊接速度為400mm/min 時焊縫表面光滑，內(nèi)部無氣孔缺陷，但是在不同焊接速度下焊縫均存在熔合區(qū)硬化和熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象?？梢?，通過調(diào)節(jié)激光功率和焊接速度，影響焊縫熔深、熔寬等焊縫形貌。Mei 等結(jié)合汽車車身激光焊接鍍鋅鋼構(gòu)件的特點，對比了不同激光入射角對焊接質(zhì)量的影響，研究認為當(dāng)鍍鋅鋼板厚較小、焊縫寬度較窄時，可適當(dāng)增大激光入射角；當(dāng)裝配間隙較小時，激光束的入射角不應(yīng)過大。Franz 等使用不同直徑的激光光斑對車用鍍鋅鋼進行焊接實驗的對比，研究發(fā)現(xiàn)較小的光斑直徑有利于減少焊接過程的飛濺和焊縫中的氣孔缺陷。在保證焊縫表面成形質(zhì)量良好的基礎(chǔ)上，減少焊縫內(nèi)部氣孔、裂紋的缺陷能顯著提升焊縫力學(xué)性能和焊接構(gòu)件的使用壽命。周麗等分析了某白車身鍍鋅鋼板激光深熔焊的焊縫氣孔缺陷，在調(diào)整工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了激光焊接機器人的運動速度和軌跡。結(jié)果表明，焊縫在起始和結(jié)束端的燒穿問題得到改善，焊縫內(nèi)部氣孔缺陷顯著減少。Chen 等使用雙激光束工藝對 1mm 厚車用鋁合金 AA6014 進行焊接，通過與單激光束焊接效果對比，證明雙光束焊接有利于減少焊縫裂紋，提高焊縫抗拉強度，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
隨著汽車輕量化進程的不斷推進，對車身異種金屬焊接需求逐漸提高，近年來針對汽車車身鋁合金-鋼激光深熔焊接工藝研究取得一定進展。由于鋁合金和鋼的物性參數(shù)相差較大，Al 元素和 Fe 元素相互反應(yīng)易生成脆性相，因此對鋁合金和鋼進行搭接焊時，需考慮對Al-Fe 金屬間化合物（IMC）進行調(diào)控。Yuce 等探究了不同熱輸入大小條件下，金屬間化合物厚度、焊縫硬度、焊縫抗拉強度等變量的變化趨勢。該研究表明，在實現(xiàn)有效焊接的基礎(chǔ)上，減小熱輸入的值可以獲得力學(xué)性能良好的焊縫。從圖 2 中可以看出，當(dāng)熱輸入值為28.5J/mm時，抗拉強度可以達到 108.7N/mm。然而，當(dāng)不填充過渡金屬時，鋁合金-鋼的激光深熔焊的焊縫強度難以滿足使用需求。相關(guān)研究表明，在鋁合金和鋼之間添加過渡層能顯著改善焊縫成形，提升焊縫的力學(xué)性能。在鋁合金和鋼之間添加合適的過渡金屬有以下優(yōu)勢：（1）減少 Al 元素和 Fe 元素的混合，改變 IMC 的微觀結(jié)構(gòu)；（2）添加的金屬元素可以與 Al 元素或 Fe 元素反應(yīng)生成非脆性化合物；（3）當(dāng)添加的金屬元素熔點在鐵和鋁之間時，能使熔池中溫度分布更加均勻。
圖 2 不同熱輸入水平下焊縫抗拉強度
Fig. 2 Overall tensile strength depending on the heat input
當(dāng)前研究表明，在汽車車身同種材料焊接中，通過優(yōu)化激光深熔焊的工藝參數(shù)可以獲得表面成形良好、內(nèi)部缺陷較少、力學(xué)性能優(yōu)良的焊縫，可以滿足汽車車身焊接構(gòu)件的使用需求。然而，汽車車身焊接中以鋁合金-鋼為代表的的異種金屬激光深熔焊工藝還不成熟，雖然通過添加過渡層的方法獲得了性能優(yōu)異的焊縫，但是不同過渡層材料對IMC層的演變影響機制，以及對焊縫微觀組織的作用機理尚不明確，需要進一步深入研究。
2汽車車身激光填絲焊工藝
激光填絲焊接是在焊縫中預(yù)先填入特定焊絲或在激光焊接過程中同步送入焊絲來形成焊接接頭的工藝方法。相當(dāng)于在激光深熔焊的同時向焊縫熔池中輸入近似同質(zhì)的焊絲材料。激光填絲焊工藝的示意圖如圖 3 所示。相比激光深熔焊，激光填絲焊應(yīng)用于汽車車身焊接有兩個方面的優(yōu)勢，一是可大幅提升待焊汽車車身部件之間裝配間隙的容忍度，解決激光深熔焊對坡口縫隙要求過高的問題；二是可以通過使用不同成分含量的焊絲改善焊縫區(qū)域的組織分布，進而調(diào)控焊縫性能。在汽車車身制造過程中，激光填絲焊工藝主要應(yīng)用在車身鋁合金和鋼材部件的焊接，如奔馳 C 級車后立柱焊接、奔馳及江淮的商務(wù)車頂蓋和側(cè)圍的焊接、大眾某車型的車門蓋焊接等。特別是汽車車身鋁合金部件焊接過程中，其熔池表面張力較小，易導(dǎo)致熔池下塌，而激光填絲焊工藝在激光焊接過程中通過焊絲的熔化可以較大程度上解決熔池塌陷問題。
圖 3 激光填絲焊工藝示意圖
Fig. 3 Schematic diagram of laser filler welding process
汽車車身中使用激光填絲焊工藝能顯著提升焊接過程中對不同對接間隙的容忍度。張屹等探究了1.2mm 厚的車用高強鋼 DP800 在不同對接間隙下的激光填絲焊焊接效果。實驗結(jié)果表明，當(dāng)對接間隙小于母材厚度 83%時，焊縫拉伸強度高于母材，從而證明激光填絲焊能降低對待焊部件的裝配間隙要求。汽車車身激光填絲焊工藝中，送絲速度與激光焊接工藝參數(shù)的匹配程度決定了焊接質(zhì)量。徐景波研究了1.5mm厚的車用7075高強鋁合金的激光填絲焊接工藝。研究表明，當(dāng)送絲速度加快時，接頭裂紋數(shù)量減少，但過快的送絲速度不利于表面成形。薄春雨對汽車車身前縱梁區(qū)域的激光填絲焊接中出現(xiàn)的各類缺陷提出相應(yīng)的優(yōu)化方案：針對飛濺問題需優(yōu)化激光光斑尺寸；針對焊縫背部凹陷問題需優(yōu)化激光功率、光絲間距及控制板材間隙；針對氣孔缺陷應(yīng)設(shè)計上下板材最佳間隙。張林陽等提出了頂蓋、側(cè)圍等汽車車身鋁合金覆蓋件激光填絲焊接的質(zhì)量控制方法，如：針對焊縫表面不平滑缺陷，可通過改善功率、送絲以及焊接速度之間的匹配性獲得平整焊縫；針對氣孔缺陷可以通過增大保護氣流量的措施保護焊縫熔池；針對表面塌陷可以通過增大光斑直徑提升對間隙的容忍度方面進行優(yōu)化。韓熒等針對轎車座椅骨架開展了激光填絲焊工藝研究。研究發(fā)現(xiàn)不同送絲速度下熔滴過渡形式不同，當(dāng)熔滴為液橋過渡形式時，焊接穩(wěn)定性較好，減少了咬邊和下塌等缺陷。在汽車車身激光填絲焊過程中，雖然通過改變激光功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)可以改善汽車車身激光填絲焊焊縫成形，但是送絲速度也在很大程度上影響焊接質(zhì)量。只有當(dāng)送絲速度與激光功率、焊接速度、離焦量等參數(shù)相互配合時，才能得到表面成形質(zhì)量好、內(nèi)部缺陷較少的焊縫。
3汽車車身激光填釬焊工藝
激光釬焊利用激光作為熱源，激光束經(jīng)過聚焦后照射到焊絲表面使焊絲熔化，熔化的焊絲滴落并填充到待焊工件之間，釬料與工件之間發(fā)生溶解和擴散等冶金效應(yīng)，從而使工件達到連接的效果。與激光填絲焊接工藝不同，激光釬焊工藝只熔化焊絲而不熔化待焊工件。激光釬焊具有良好的焊接穩(wěn)定性，但得到的焊縫抗拉強度較低。圖4為激光釬焊工藝在汽車行李箱蓋焊接中的應(yīng)用。在汽車車身焊接過程中，激光釬焊工藝主要對接頭強度要求不高的車身部位進行焊接，如車身的頂蓋和側(cè)圍之間的焊接、行李箱蓋上下部之間的焊接等，大眾、奧迪等中高端車型的頂蓋均采用激光釬焊工藝。
圖4 激光釬焊在汽車中的應(yīng)用：（a）后車蓋激光焊接；（b）激光釬焊原理圖
Fig. 4 Applications of laser brazing in the automotive industry: (a) laser joining of hatchback parts; (b) principle of laser brazing
汽車車身激光釬焊焊縫中主要存在缺陷包括咬邊、氣孔、焊縫變形等缺陷，通過調(diào)控工藝參數(shù)和使用多焦點激光釬焊工藝均能明顯抑制缺陷產(chǎn)生。馮振坡等對汽車頂蓋激光釬焊焊縫缺陷原因進行了分析，指出焊縫質(zhì)量主要取決于光絲間距、激光功率以及出絲穩(wěn)定性。李成整等通過正交實驗法分析了釬料直徑和裝配間隙大小對汽車白車身頂蓋激光釬焊成形質(zhì)量的影響，該團隊的研究表明釬料直徑在 1.15~1.21mm 內(nèi)，焊縫填充效果良好，焊縫強度最高；控制裝配間隙在0.3mm以內(nèi)可保證焊接質(zhì)量。Heuberger 等發(fā)現(xiàn)焊接速度對車用鍍鋅鋼激光釬焊焊接過程的穩(wěn)定性影響較大，焊接速度主要影響焊縫表面成形的不穩(wěn)定性和焊接過程中熔池前沿的運動不均勻性。Mohammadpour 等通過實驗和數(shù)值模擬方法研究了激光束傾角對車用鍍鋅鋼激光釬焊過程的影響。研究認為，激光束傾角的改變會影響釬料熔滴狀態(tài)，進而影響熔池流動狀態(tài)，對焊接過程中飛濺的產(chǎn)生和焊縫成形質(zhì)量有顯著影響。王曉兵等以激光釬焊一次合格率為評價指標(biāo)，以激光功率、焊接速度、光束傾角為實驗參數(shù)，對汽車頂蓋激光釬焊工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得到激光功率 3kW，焊接速度 3.5m/min，光束傾角 10°等最佳工藝參數(shù)。近年來三焦點激光釬焊工藝的出現(xiàn)為實現(xiàn)少缺陷焊接提供了新思路，圖 5 為三焦點激光釬焊的原理圖。李明等對比了單焦點和三焦點激光釬焊對車用鍍鋅鋼板的焊接效果，結(jié)果表明，三焦點激光釬焊得到的焊縫成形美觀，接頭抗拉強度得到明顯提升。侯順華等使用三焦點模塊對鍍鋅鋼板進行激光釬焊，焊縫兩側(cè)較為平滑，氣孔缺陷也得到抑制。以上研究針對鍍鋅鋼板進行三焦點激光釬焊得到的焊縫成形和力學(xué)性能良好，原因是可通過調(diào)整三個激光焦點的位置實現(xiàn)鍍鋅層的預(yù)處理；調(diào)整三焦點的能量分布使焊接過程更加穩(wěn)定，如圖 6 所示。
圖5 三焦點激光釬焊原理圖
Fig. 5 Schematic setup of thetrifocal brazing process
圖6 激光釬焊過程的熱成像：（a）單焦點釬焊；（b）三焦點釬焊
Fig. 6 Thermal images of the brazing processes: (a) monofocal brazing; (b) trifocal brazing
汽車車身頂蓋和側(cè)圍材料逐漸由單一材料向異種材料轉(zhuǎn)變，異種材料的激光釬焊工藝得到廣泛關(guān)注。以汽車車身常見的鋁合金-鋼異種金屬焊接為例，Xia等認為不同的保護氣體對鋁合金-鋼的激光釬焊質(zhì)量有顯著影響。該團隊研究發(fā)現(xiàn)在保護氣體中加入CO2能顯著提升熔融釬料的潤濕性，同時使IMC變厚，原因是CO2使激光能量吸收率增加，進而通過影響熔融釬料的能量分布和流動形態(tài)，最終提升了焊縫抗拉強度。此外，當(dāng)釬料中的Si含量不同時，鋁合金-鋼的激光釬焊質(zhì)量不同。當(dāng)釬料成分分別為純Al，AlSi5和AlSi12 時，用AlSi5釬料焊接產(chǎn)生的焊縫具有最高的拉伸強度，研究過程如圖7所示。Si元素的加入降低了 IMC 對界面峰值溫度變化的敏感性，抑制了Fe-Al IMC生長，改變了界面反應(yīng)機制。雙光束激光釬焊工藝的引入為汽車車身異種金屬焊接提供了新方法。Yuan等對鋁合金-鋼異種金屬進行了雙光束激光釬焊實驗，研究表明雙光束條件下，通過調(diào)節(jié)激光功率可以顯著改變Al和Fe反應(yīng)界面的潤濕性，進而改變IMC 層厚度，最終影響焊縫抗拉強度和斷裂形式。
圖 7 不同 Si 含量的釬料對激光釬焊焊縫質(zhì)量的影響
Fig. 7 Effect of different Si content of brazing materials on the quality of laser brazing
汽車車身激光釬焊工藝較為成熟，通過改變光絲間距、激光束傾角、焊接速度等工藝參數(shù)能顯著較少焊縫內(nèi)部缺陷；三焦點激光釬焊工藝在焊縫成形、力學(xué)性能有一定的提升作用，同時也對送絲穩(wěn)定性提出了更高的要求，送絲速度不穩(wěn)定反而會導(dǎo)致氣孔等內(nèi)部缺陷，因此未來還需對三焦點激光釬焊的多光束能量調(diào)控機理，結(jié)合送絲機制進行深入研究，達到無缺陷的焊接效果。汽車車身異種金屬激光釬焊的焊縫成形質(zhì)量和力學(xué)性能主要取決于焊縫中IMC成分分布，未來可基于實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法探究不同工藝參數(shù)對能量分布的影響機理，建立能量分布和焊縫質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系。
4汽車車身激光-電弧復(fù)合焊工藝
激光-電弧復(fù)合焊接是采用激光和電弧兩種熱源同時作用到待焊工件表面，使工件經(jīng)過熔化、凝固后形成焊縫的一種復(fù)合焊接工藝。激光-電弧復(fù)合焊接兼具了激光焊接和電弧焊的優(yōu)點，一是在雙熱源的作用下，焊接速度得以提高，使熱輸入變小，焊縫變形量小，保持了激光焊接的特點，二是具有更好的橋接能力，裝配間隙容忍度更大；三是熔池的凝固速度變慢，有利于消除氣孔、裂紋等焊接缺陷，有利于改善熱影響區(qū)組織和性能；四是由于電弧的作用，使其能夠焊接高反射率、高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，應(yīng)用材料的范圍更廣。圖8為激光-電弧復(fù)合焊工藝示意圖。在汽車車身制造過程中，激光-電弧復(fù)合焊接工藝主要應(yīng)用于車身鋁合金構(gòu)件和鋁合金-鋼異種金屬結(jié)合處的焊接，主要是針對裝配間隙較大的部件進行焊接，如汽車車門部分位置的焊接，這是因為裝配間隙能發(fā)揮激光-電弧復(fù)合焊接的橋接性能。此外，激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)還應(yīng)用在奧迪A8車身的側(cè)頂梁位置。
圖 8 激光-電弧復(fù)合焊工藝示意圖
Fig. 8 Schematic diagram of Laser-arc hybrid welding process
汽車車身激光-電弧復(fù)合焊接工藝相比單激光焊接工藝更加復(fù)雜，激光、電弧雙熱源對焊接過程的復(fù)合作用效果成為研究熱點。張國瑜認為激光與電弧相對位置對焊接質(zhì)量有顯著影響，研究了A6082車用鋁合金激光-MIG 復(fù)合焊接工藝，研究發(fā)現(xiàn)激光引導(dǎo)電弧形式下的焊縫成形美觀，而電弧引導(dǎo)激光形式的焊縫不連續(xù)，焊縫表面呈黑色，如圖9所示。Yang等使用激光-TIG電弧復(fù)合焊接工藝對汽車車身常用的鍍鋅高強鋼的搭接接頭實現(xiàn)了無間隙焊接，焊接過程采用TIG電弧在前，激光束在后的形式，通過與單激光焊接得到的焊縫相比，其焊接缺陷明顯減少，焊縫力學(xué)性能得到提升。當(dāng)激光在前，電弧在后時，激光對電弧有穩(wěn)弧的作用，使焊接過程相對穩(wěn)定；當(dāng)電弧在前，激光在后時，電弧對材料進行預(yù)熱，可以提升材料對激光的吸收率，從而增加焊縫熔深和熔寬。激光-電弧復(fù)合焊接過程伴隨熔滴過渡行為，不同的熔滴過渡形式對熔池傳熱和流動狀態(tài)有不同的影響。Chen等通過數(shù)值模擬方法建立了鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接的仿真模型。模擬結(jié)果表明，熔滴過渡形式影響熔池的傳熱和流體流動狀態(tài)，焊縫的高度與熔滴撞擊熔池狀態(tài)緊密相關(guān)。激光-電弧的復(fù)合作用相比單激光或電弧情況下更加復(fù)雜，激光-電弧復(fù)合焊接主要包含激光作用區(qū)、激光-電弧復(fù)合作用區(qū)和電弧作用區(qū)。不同區(qū)域的溫度分布不同，導(dǎo)致激光電弧復(fù)合焊接焊縫組織不同。Zhao等通過實驗和數(shù)值模擬的方法研究了鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接不同區(qū)域的晶粒分布，研究結(jié)果如圖10和圖11所示。從圖10中可以看出，當(dāng)激光與電弧復(fù)合作用時，熔池面積顯著增大，激光-電弧復(fù)合作用區(qū)集中在熔池上部。圖11中對比了激光作用區(qū)和激光-電弧復(fù)合作用區(qū)的微觀組織形貌，復(fù)合作用區(qū)以細小枝晶為主，激光作用區(qū)以粗大枝晶為主，焊縫抗拉強度的結(jié)果表明，復(fù)合作用區(qū)的抗拉強度高于激光作用區(qū)。
圖 9 不同焊接方向下的焊縫形貌：激光引導(dǎo)電?。ㄗ螅?；電弧引導(dǎo)激光（右）
Fig. 9 Weld morphology under different welding direction: Laser guided arc (left); Arc guided laser (right)
圖10 激光作用區(qū)和激光-電弧復(fù)合作用區(qū)的形成：（a）激光焊接中的激光作用區(qū)；（b）MIG 焊接中的電弧作用區(qū)；（c）激光-MIG 復(fù)合焊接中的激光-MIG 復(fù)合作用區(qū)
Fig. 10 The formation of laser-dominated region and laser-MIG hybrid-dominated region: (a) laser-dominated region in the laser welding process; (b) MIG-dominated region in the MIG welding process; (c) laser-dominated region and laser-MIG hybrid-dominated region in the laser-MIG hybrid welding
圖 11 激光-MIG 復(fù)合焊接焊縫形貌和微觀組織：
（a）焊縫形貌；（b）激光-電弧復(fù)合作用區(qū)域的細小枝晶；（c）、（d）、（e）激光-電弧復(fù)合作用為主的區(qū)域和激光為主的區(qū)域之間的兩條融合線附近；（f）激光作用區(qū)的粗大枝晶
Fig. 11 Laser-MIG hybrid weld appearance and microstructure of case 6:
(a) weld appearance; (b) fine dendrite in the laser-arc hybrid-dominated region; (c), (d) and (e) vicinity of the second fusion line between the laser-arc hybrid-dominated region and laser-dominated region; (f) coarse dendrite in the laser-dominated region
在汽車車身焊接過程中，激光-電弧復(fù)合焊接相比單激光具有間隙容忍度大的優(yōu)勢，然而激光-電弧復(fù)合焊接需綜合考慮激光與電弧的相對位置、激光焊接參數(shù)、電弧參數(shù)等因素。激光-電弧焊接過程傳熱傳質(zhì)行為復(fù)雜，尤其是針對異種材料焊接的能量調(diào)控、IMC厚度和組織調(diào)控機理尚不明確，需要進一步加強研究。
5其他汽車車身激光焊接工藝
激光深熔焊、激光填絲焊、激光釬焊以及激光-電弧復(fù)合焊等焊接工藝在汽車車身焊接中已經(jīng)有了較為成熟的理論研究和廣泛的實際應(yīng)用。除此之外，隨著汽車制造業(yè)對車身焊接效率要求的提升以及汽車輕量化制造面臨的異種材料焊接需求的增加，激光點焊、激光擺動焊、多光束激光焊以及激光飛行焊等工藝在汽車車身焊接中的應(yīng)用得到關(guān)注。本小節(jié)針對激光點焊、激光擺動焊、多激光束焊以及激光飛行焊等工藝的原理和特點進行簡要描述。
1激光點焊工藝
激光點焊是一種先進的激光焊接技術(shù)，具有焊接速度快，焊接精度高等突出優(yōu)勢。激光點焊的基本原理是將激光束聚焦到待焊零件上的某一點，使該點處的金屬瞬間熔化，通過調(diào)節(jié)激光密度實現(xiàn)熱導(dǎo)焊或深熔焊效果，當(dāng)激光束停止作用時，液態(tài)金屬回流、凝固后形成接頭。激光點焊主要有兩種形式：脈沖激光點焊和連續(xù)激光點焊。脈沖激光點焊的激光束峰值能量高，但作用時間短，一般用于鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)金屬的焊接；連續(xù)激光點焊一般激光束的平均功率高，激光作用時間長，多用于鋼的焊接。激光點焊在汽車車身焊接中相比電阻點焊具有非接觸、點焊軌跡可自主設(shè)計的優(yōu)點，能滿足汽車車身材料不同搭接間隙下的高質(zhì)量焊接需求。
2激光擺動焊接工藝
激光擺動焊接是近年來被提出的一種新型激光焊接技術(shù)，受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)的主要實現(xiàn)原理是通過在激光焊接頭上集成振鏡組，實現(xiàn)激光束快速、有序、小范圍的擺動，從而達到激光焊接時光束邊向前運動、邊攪拌的效果。激光擺動焊接主要擺動軌跡包括：橫向擺動、縱向擺動、圓形擺動和無窮形擺動等。激光擺動焊接工藝用于汽車車身焊接過程中具有顯著的優(yōu)勢，由于在激光光束擺動的作用下可以顯著改變?nèi)鄢氐牧鲃訝顟B(tài)，因此既能在同種汽車車身材料焊接中能消除未熔合缺陷、實現(xiàn)晶粒細化和抑制氣孔；又可改善汽車車身異種材料焊接時不同材料未充分混合、焊縫力學(xué)性能差的問題。
3多激光束焊接工藝
目前光纖激光器可通過安裝在焊接頭中的分光模塊將單束激光分為多束激光。多光束激光焊接相當(dāng)于在焊接過程中施加多個熱源，可以通過調(diào)節(jié)光束的能量分布，使不同光束實現(xiàn)不同的功能，如：能量密度較高的光束為主光束，負責(zé)深熔焊接，能量密度較低的分光束可以對材料表面進行清潔和預(yù)熱，增加材料對激光束能量的吸收率。在本文1.1節(jié)和1.3節(jié)中展示了多激光束焊接工藝在汽車車身激光深熔焊和激光釬焊中的部分研究成果，證明了多激光束焊接工藝用于汽車車身焊接過程的可行性。汽車車身大量使用鍍鋅高強鋼材料，利用多激光束焊接工藝能改善鍍鋅鋼板焊接過程中的鋅蒸汽和熔池的動態(tài)行為，改善飛濺問題，提升焊縫抗拉強度。
4激光飛行焊工藝
激光飛行焊技術(shù)是一種新型高效的激光焊接技術(shù)，焊接效率高，焊接軌跡可自主化設(shè)計。激光飛行焊接的基本原理是當(dāng)激光束入射到掃描鏡的 X，Y 兩個反射鏡上，通過自主編程控制反射鏡的角度，從而實現(xiàn)激光束任意角度的偏轉(zhuǎn) 。傳統(tǒng)的汽車車身激光焊接過程中，主要依靠焊接機器人帶動激光焊接頭進行同步運動，實現(xiàn)焊接效果。然而，汽車車身焊縫數(shù)量多、焊縫長度較長，焊接機器人重復(fù)性的往復(fù)運動嚴重限制了汽車車身的焊接效率。相比之下，激光飛行焊只需調(diào)整反射鏡角度即可實現(xiàn)光束在一定范圍內(nèi)的焊接。因此，將激光飛行焊技術(shù)應(yīng)用于汽車車身焊接中能夠顯著提升焊接效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。
二. 汽車車身激光焊接智能化技術(shù)
隨著人工智能和制造業(yè)的深度融合，面向多元化和個性化的汽車市場需求，智能化焊接技術(shù)已開始應(yīng)用于汽車車身焊接領(lǐng)域，對汽車行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。智能化焊接技術(shù)將智能感知、智能監(jiān)測與激光焊接技術(shù)有機結(jié)合進行焊接制造，為汽車車身大批量、高節(jié)拍、多品種焊接制造過程中的質(zhì)量和效率提供保障。下面圍繞汽車車身激光焊接過程焊縫跟蹤技術(shù)、缺陷在線檢測技術(shù)兩方面對汽車車身激光焊接智能化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進行介紹。
1汽車車身激光焊接過程焊縫跟蹤
汽車車身激光焊接工藝對焊縫的識別和定位有較高的要求，對焊縫快速準(zhǔn)確的識別和定位是保證智能化焊接過程的必要技術(shù)手段。Lei 等開發(fā)了一套在激光焊接過程中用于焊縫檢測-補償-跟蹤系統(tǒng)，如圖12所示。汽車車身激光焊接過程焊縫跟蹤主要是依靠傳感器對待焊汽車車身部件的焊縫實時感知，確定焊縫位置并反饋至焊接機器人運動控制系統(tǒng)，以便及時調(diào)整焊接機器人姿態(tài)及運動路徑。因此，焊縫跟蹤的精度和實時性對保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。焊縫跟蹤技術(shù)主要包括焊前焊縫檢測和焊中焊縫實時跟蹤環(huán)節(jié)，兩個環(huán)節(jié)主要依靠視覺傳感器對焊縫進行識別和定位，焊前焊縫檢測的主要目的是為焊接機器人提供初始的焊接運動路徑；焊中焊縫跟蹤的目的是準(zhǔn)確識別焊縫位置，動態(tài)調(diào)整機器人的運動軌跡。因此，就目前而言，焊縫跟蹤技術(shù)適用于汽車車身的各種激光焊接工藝，具有一定的通用性。目前基于視覺傳感技術(shù)，尤其是激光視覺傳感技術(shù)的焊縫跟蹤方法具有對比度高、精度高、實時性好、無接觸等優(yōu)點得到廣泛研究和應(yīng)用。
圖 12 焊縫檢測-補償-跟蹤示意圖
Fig. 12 Schematic diagram of weld seam detection–compensation–tracking
汽車車身激光焊接焊前的焊縫檢測和識別是焊接機器人軌跡規(guī)劃的重要參考信息，因此焊縫檢測的精準(zhǔn)程度決定了焊接機器人焊接路徑的準(zhǔn)確性。王邦國針對汽車車身薄板拼焊特點，使用結(jié)構(gòu)光計算方法對焊接軌跡進行了軌跡規(guī)劃，基于視覺傳感技術(shù)為焊前焊縫信息跟蹤提供了技術(shù)支撐?；诮Y(jié)構(gòu)光的視覺傳感技術(shù)可以實現(xiàn)較為精確的焊縫識別，結(jié)合焊縫識別算法可以實現(xiàn)焊前對焊縫的精確識別。
汽車車身激光焊接過程中通過對焊縫的實時檢測，可以動態(tài)調(diào)整焊接機器人的運動軌跡，減小焊縫定位誤差，提升焊接質(zhì)量。（Servo-Robot）公司針對汽車白車身激光釬焊工藝對工件裝配精度要求高的特點，研發(fā)了激光視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的追蹤相機QUANTA能夠?qū)Π▽?、搭接、角接、卷接等形式的焊縫掃描跟蹤，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于頂蓋和側(cè)圍的搭接焊縫跟蹤過程。德國Scansonic公司研發(fā)的DIGI-LAS/MDL系統(tǒng)如圖13所示，該系統(tǒng)集成了光學(xué)焊縫跟蹤和高頻振鏡，該系統(tǒng)實現(xiàn)激光焊接和焊縫跟蹤的同時運行，能識別并跟蹤搭接式角焊縫、疊加式穿透焊、T形接頭等，該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域包括車門、頂蓋、側(cè)圍、車身底板等車身部件的激光焊接過程。華工法利萊公司運用三維激光視覺系統(tǒng)應(yīng)用到汽車白車身車頂激光焊接焊縫精度控制過程，該系統(tǒng)是以計算機、信息處理、圖像處理、激光視覺為核心的先進系統(tǒng)，通過在江淮M111項目的白車身頂蓋焊接生產(chǎn)線的應(yīng)用取得良好效果，實現(xiàn)在焊前對焊縫跟蹤及預(yù)處理，通過調(diào)整焊接機器人軌跡彌補了焊接誤差，大幅提高了焊接質(zhì)量，提升了生產(chǎn)效率。
圖 13 用于車頂焊接的 DIGI-LAS/MDL 系統(tǒng)
Fig. 13 DIGI-LAS/MDL system for roof welding
汽車車身激光焊接過程的焊縫跟蹤技術(shù)實現(xiàn)了焊接機器人焊接軌跡的焊前初始化以及焊中動態(tài)調(diào)整，使激光焊接過程更加穩(wěn)定可靠，保證了焊接精度。雖然目前焊縫跟蹤技術(shù)可適用于不同激光焊接工藝，但是僅限于對焊接軌跡進行實時調(diào)整，還需深入研究焊接軌跡的動態(tài)調(diào)整過程對焊接穩(wěn)定性的影響，必要時需要將焊接軌跡的動態(tài)調(diào)整和激光焊接工藝參數(shù)動態(tài)調(diào)整相結(jié)合。比如，當(dāng)焊縫跟蹤時檢測到焊縫間隙的變化時，除了對焊接軌跡進行修正外，還需調(diào)整激光功率、焊接速度、離焦量、送絲速度等工藝參數(shù)，保證焊接質(zhì)量。
2汽車車身激光焊接缺陷在線檢測
汽車車身激光焊接質(zhì)量對汽車的安全性至關(guān)重要，激光焊接過程由于焊接狀態(tài)波動可能會導(dǎo)致偶發(fā)性焊縫缺陷，因此對汽車車身激光焊接缺陷進行在線檢測十分必要。缺陷在線檢測技術(shù)主要包括焊縫內(nèi)部缺陷檢測和焊縫外部缺陷檢測。焊縫內(nèi)部缺陷檢測是基于多傳感器對焊接過程中的聲、光、電等信號進行采集分析，通過建立信號異常位置處對應(yīng)的某種焊接缺陷，通過人工智能算法建立缺陷-信號的關(guān)聯(lián)模型，即可使用該模型在焊接過程中對缺陷進行在線檢測；焊縫外部缺陷檢測是基于傳感器對焊縫表面形貌出現(xiàn)的飛濺、表面氣孔、塌陷等缺陷進行識別。因此，缺陷在線檢測技術(shù)適用于汽車車身的各種激光焊接工藝，具有一定的通用性。
圖14 匙孔引入的氣孔率和多傳感器信號之間的機制分析：（a）匙孔深度變化和氣孔率的關(guān)系；（b）使用匙孔開口特征基于 CNN 進行氣孔率識別
Fig. 14. Mechanism analysis between keyhole-induced porosity and multi-sensing signals: (a) Relationship between keyhole depth variation and porosity formation; (b) CNN-based porosity detection with keyhole opening morphological characteristics
汽車車身激光焊接過程中，焊縫內(nèi)部缺陷在線監(jiān)測的難度在于準(zhǔn)確建立焊接過程中多元傳感器信號與特定焊接缺陷的關(guān)系模型。Ma等針對鋁合金薄板激光焊接過程中出現(xiàn)的氣孔問題，對焊接過程中的匙孔圖像特征進行提取，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立焊縫氣孔率和匙孔信息的對應(yīng)關(guān)系，識別出了焊接過程中氣孔的出現(xiàn)位置，圖14為氣孔-信號-CNN模型關(guān)聯(lián)的示意圖。彭進基于 X 射線投射系統(tǒng)實時在線監(jiān)測了車用鋁合金激光填絲焊過程中的熔池內(nèi)部動態(tài)行為，揭示了不同送絲位置對熔池流動行為的影響，優(yōu)化了激光填絲焊工藝，提高了熔池穩(wěn)定性。李潔搭建了“等離子體形貌-光譜”實時監(jiān)測平臺，針對變厚截面材料激光焊接過程進行在線監(jiān)測，基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了等離子體特征和熔透狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了焊縫熔透狀態(tài)的預(yù)測。Cai等通過高速攝像得到激光焊接過程熔池、匙孔幾何信息，并基于深度置信網(wǎng)絡(luò)（DBN）建立熔池、匙孔形變波動與焊縫熔深的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)熔透狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。以上研究表明，通過人工智能算法對焊接過程中的熔池和匙孔形態(tài)、等離子體形貌、光譜信號等信號的波動情況進行分析，進而對波動較大位置的焊縫缺陷進行檢測，這樣就能將缺陷和信號建立關(guān)聯(lián)模型，經(jīng)過對關(guān)聯(lián)模型的多次訓(xùn)練可以實現(xiàn)對特定缺陷的準(zhǔn)確識別。
汽車車身激光焊接過程中，目前研究和實際應(yīng)用中主要依靠先進的視覺傳感器對外部缺陷進行實時檢測。Hua等搭建了基于激光視覺傳感器的焊縫表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)，如圖15所示。然后利用模型分割方法對激光視覺傳感器數(shù)據(jù)進行處理和分析，實現(xiàn)了對汽車車身激光釬焊焊縫的表面質(zhì)量檢測，該方法具有良好的檢測效果和魯棒性。青島海之晨公司基于3D視覺技術(shù)研發(fā)了焊接質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)，具有良好的檢測精度和穩(wěn)定性，并與寶馬新能源汽車、寧德時代達成合作。勒斯姆勒（Lessmueller Lasertechnik GmbH）公司專注于激光焊接實時質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域，其研發(fā)的激光焊接質(zhì)量檢測系統(tǒng) OCT 搭配激光焊接頭同時運行，可實現(xiàn)車身焊接過程中的熔池深度實時測量以及焊后的焊縫表面質(zhì)量檢測，目前該技術(shù)已經(jīng)率先應(yīng)用到寶馬汽車生產(chǎn)線上。
圖 15 基于激光視覺的激光焊接缺陷檢測技術(shù)示意圖
Fig. 15 Schematic of the experimental weld forming measurement device
目前汽車車身焊縫缺陷的在線檢測技術(shù)主要集中在兩方面：一方面是通過智能算法建立缺陷與信號的關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)缺陷分類和識別，多用于焊縫內(nèi)部缺陷檢測；另一方面是基于先進的傳感技術(shù)，如激光視覺傳感技術(shù)、OCT 技術(shù)對焊縫缺陷進行精確識別，當(dāng)前多應(yīng)用于焊縫外部缺陷檢測。由于激光焊接缺陷種類較多，基于先進傳感器獲取的多元信號對各種缺陷進行精確分類、檢測與識別，才能真正達到焊接缺陷在線檢測的目的。
三. 總結(jié)與未來發(fā)展取數(shù)
本文以激光焊接技術(shù)在汽車車身制造過程的應(yīng)用為背景，詳細介紹了激光深熔焊、激光填絲焊、激光釬焊、激光-電弧復(fù)合焊四種不同激光焊接工藝，以及焊縫跟蹤、缺陷在線檢測等智能化技術(shù)在汽車車身焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進展。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來車身焊接技術(shù)將在焊接工藝與智能化技術(shù)方面繼續(xù)發(fā)展：
1. 汽車車身，尤其是新能源汽車車身正在向輕量化方向發(fā)展，如新能源汽車國產(chǎn)品牌蔚來生產(chǎn)的ES8/ES6車型已采用全鋁合金車身技術(shù)。輕質(zhì)合金、復(fù)合材料及異種材料將更廣泛的用于汽車車身，常規(guī)激光焊接工藝難以滿足其焊接要求，因此其高質(zhì)高效焊接工藝將成為未來發(fā)展趨勢。近年來新興的激光焊接工藝，如激光擺動焊接、多激光束焊接、激光飛行焊接等，已經(jīng)在焊接質(zhì)量和焊接效率方面得到初步的理論研究和工藝探索，未來需要將新興激光焊接工藝與汽車車身輕量化材料、異種材料焊接等場景緊密結(jié)合，針對激光光束擺動軌跡設(shè)計、多激光束能量作用機理以及飛行焊接效率等方面進行深入研究，探索出成熟的輕量化汽車車身焊接工藝。
2 汽車車身激光焊接技術(shù)正在與智能化技術(shù)深度融合，汽車車身激光焊接狀態(tài)實時感知及工藝參數(shù)反饋控制對焊接質(zhì)量有決定性作用。當(dāng)前激光焊接智能化技術(shù)多用于焊前軌跡規(guī)劃、跟蹤和焊后質(zhì)量檢測。國內(nèi)外在焊接過程中的缺陷檢測與參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)方面的研究尚處于起步階段，且未能應(yīng)用在汽車車身制造中。因此，針對激光焊接技術(shù)在汽車車身焊接過程中的應(yīng)用特點，未來應(yīng)開發(fā)以先進多傳感器為核心的激光焊接過程智能感知系統(tǒng)，以及高速高精的焊接機器人控制系統(tǒng)，保證激光焊接智能化技術(shù)各環(huán)節(jié)的實時性和精確性，打通“焊前軌跡規(guī)劃-焊中參數(shù)自適應(yīng)控制-焊后質(zhì)量在線檢測”環(huán)節(jié)，保障高質(zhì)高效加工。
來源：中國激光
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