激光相比其他工藝，優(yōu)勢在于能量集中，穿透能力強(qiáng)，加工效率高，但對前道工序要求高。激光焊對翻邊尺寸的減重，在車門中的應(yīng)用可減重8%。激光焊對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化，可極大減少加工制造環(huán)節(jié)，減小冗余設(shè)計(jì)。目前，激光技術(shù)主要涉及汽車車身激光焊、熱成形板切割、鋁合金激光焊、塑料激光焊等。

圖1 車身輕量化的設(shè)計(jì)思路歷程

　　一、激光加工工藝

　　汽車板的激光焊接具有高能、高速、熱影響區(qū)小和焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，且焊接精度高，零件變形小，并能顯著提高車身的強(qiáng)度和剛度，已經(jīng)在白車身的制造中得到廣泛應(yīng)用。

　　比如一汽大眾所生產(chǎn)的奧迪、速騰、邁騰車型共采用激光焊縫1600余條，焊縫累計(jì)長度近70m，速騰白車身采用21臺激光焊機(jī)，焊縫長度為9m，整車強(qiáng)度提高了30%。

　　1. 熱成形技術(shù)及激光切割

　　隨著汽車輕量化的發(fā)展，熱成形工藝在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。

表1 普通熱成形B柱與冷成形力學(xué)性能對比

　　如表1所示，熱成形工藝將鋼板的成形和熱處理相結(jié)合，先奧氏體化然后再馬氏體化，成形淬火后的零件，其強(qiáng)度和硬度大幅提高，屈服強(qiáng)度可達(dá)950MPa以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1500MPa，是加熱前的2~3倍。

　　硬度可達(dá)420HV，至少是加熱前的2倍，但其伸長率大幅下降。由于熱成形板的強(qiáng)度和硬度特別高，最高可達(dá)1 500MPa，所以普通的沖壓設(shè)備難以加工，或者嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命，對零件的產(chǎn)出效率也受到影響。

　　采用普通熱切割或者線切割，要么熱影響區(qū)比較大，切割質(zhì)量無法達(dá)到要求，要么不適合加工復(fù)雜路徑且效率低下。

　　而采用激光切割是一種高能束加工，本身是一種非接觸式加工，不需要考慮材料的硬度，只需要保證材料有足夠的吸光能力，通過對熱成形板表面孔和周邊輪廓的切割，很好的保證了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸，同時加工效率也特別高。

　　對于普通的平面結(jié)構(gòu)，可以采用三維平面切割設(shè)備。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，可以采用機(jī)器人激光切割;單機(jī)器人切割，切小圓的圓度難以保證，需要配置專業(yè)的三軸輔助切割;對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高的零件，需要用到三維五軸激光切割設(shè)備。

圖2 汽車熱成形板應(yīng)用結(jié)構(gòu)說明

　　汽車上用于熱成形加工的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括橫向支撐梁、懸置固定架、門板加強(qiáng)筋、車頂側(cè)梁、車窗加強(qiáng)筋、后保險(xiǎn)杠、中立柱(B柱)、門檻、前立柱(A柱)、縱向承載梁、前保險(xiǎn)杠以及地板通道等。

　　熱成形工藝后，板材的強(qiáng)度顯著提高，采用普通沖壓工藝，難以達(dá)到傳統(tǒng)沖壓工藝的效果。通過三維切割，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)件外輪廓和內(nèi)部孔的切割，非接觸式加工，效率高、精度好、切面光滑且切割工藝穩(wěn)定。熱成形和配套的激光切割工藝，是一種只需改變材料工藝，就能達(dá)到減重的解決方案。

三維激光切割機(jī)切割B柱系統(tǒng)

　　法利萊解決B柱熱成形件切割的方案如圖3所示，一套完整的B柱切割，包括外輪廓和內(nèi)部孔洞，50s內(nèi)完成，精度可以控制在0.01mm。

　　2. 激光拼板焊

　　激光拼板焊(見圖4)能夠?qū)⒉煌瑥?qiáng)度等級、不同厚度、不同鍍層的材料拼焊在一起(見表2)，并進(jìn)行整體沖壓成形，可以優(yōu)化選材，減少零件及模具，節(jié)約制造成本，同時還能提高零件整體剛度，提供更好的安全性能，是當(dāng)前汽車輕量化的主要技術(shù)之一。

B柱激光拼焊系統(tǒng)

表2 激光拼焊汽車用鋼的材料組合

　　激光拼焊板的特點(diǎn)(見圖5)是焊接熱輸入高、無填料、無搭接、速度快、熔深大、變形小、熱影響區(qū)小以及焊縫熱影響區(qū)晶粒細(xì)化等。

圖5 轎車前縱梁激光拼板改進(jìn)說明

　　1)焊縫區(qū)的體積降低，不增加焊縫高度、接縫平整、幾何形狀熱應(yīng)力集中小。

　　2)焊縫熱影響區(qū)狹窄，晶粒細(xì)小、焊縫強(qiáng)度高、對沖壓成形特性影響較小。3)焊接自動化，生產(chǎn)率高、生產(chǎn)工件整齊、質(zhì)量一致。4)采用在線檢測，可保證焊縫的質(zhì)量和幾何尺寸的精確性，對每一片拼焊板可精確進(jìn)行跟蹤控制。

　　影響激光拼焊板質(zhì)量的因素，主要包括對接間隙、激光光斑模式、激光功率、焊接速度以及氣體保護(hù)等。

　　由于激光光斑直徑一般小于0.5mm，如果對接間隙過大，則激光會直接穿透，不能對板料進(jìn)行有效加熱而導(dǎo)致焊接失敗;同時，由于工裝、夾具的影響，兩片板料對接時會存在間隙。

　　以板厚t為參考，通過對DP600雙相鋼的等厚拼焊研究表明，當(dāng)對接間隙<0.18t時，得到的焊縫無明顯缺陷，當(dāng)對接間隙<0.16t時，焊縫強(qiáng)度高于母材。在工程應(yīng)用中，當(dāng)t為0.5~3mm時，對接間隙應(yīng)低于0.1t;當(dāng)t為3~10mm時，對接間隙應(yīng)低于0.05t。對于2mm厚的低碳鋼，對接間隙應(yīng)低于0.12mm。

　　3. 車門激光焊應(yīng)用

　　車門激光焊結(jié)構(gòu)如圖6a所示，為窗框和內(nèi)板的焊接，焊縫為紅色線段示意，實(shí)物如右圖6b所示。

6a 車門激光焊結(jié)構(gòu)

6b 車門激光焊實(shí)物

　　圖6c點(diǎn)焊和激光焊關(guān)于翻邊結(jié)構(gòu)對應(yīng)的翻邊結(jié)構(gòu)寬度要求，激光焊翻邊尺寸要求為6~8mm，點(diǎn)焊翻邊尺寸要求為15~18mm。

圖6 車門結(jié)構(gòu)翻邊尺寸設(shè)計(jì)對比(點(diǎn)焊與激光焊) c)翻邊結(jié)構(gòu)寬度要求

　　采用激光焊代替點(diǎn)焊，就翻邊尺寸，可以減少8~10mm，按車門，側(cè)圍總長度計(jì)算如下。

圖7 側(cè)圍翻邊尺寸的計(jì)算

　　單就計(jì)算側(cè)圍翻邊尺寸縮短疊焊金屬板焊接對輕量化的影響效果。計(jì)算結(jié)果：左右前后14 200mm 翻邊長度×6mm 翻邊減少量×2mm板厚，即總質(zhì)量減少1.86kg，約減重4%。

圖8 車門激光焊縫結(jié)構(gòu)翻邊對比(搭接和疊焊，結(jié)構(gòu)和實(shí)物)

　　如圖8所示，入口增大，以A柱為例，若由搭接改成疊焊，估算翻邊尺寸減少12 mm 寬度和高度，最終減重約8%。

　　4. 鋁合金激光焊

　　鋁合金是目前輕量化的熱門材料。研究表明，采用鋁合金材料適當(dāng)減輕汽車的質(zhì)量可以把油耗降低37%，懸掛裝置的負(fù)荷降低18%，振動強(qiáng)度降低5%。

　　以下分別比較凱迪拉克CT6、奧迪A8、捷豹XFL、蔚來ES8及特斯拉Model S等車型材料占比、白車身質(zhì)量以及相應(yīng)車身連接工藝。

圖9 凱迪拉克CT6車身結(jié)構(gòu)

圖10 奧迪A8車身材料應(yīng)用情況

圖11 特斯拉Model S鋼車身和鋁車身質(zhì)量對比

　　另外，就特斯拉Model S鋁合金占比達(dá)61%提升到90%時，車身質(zhì)量由原來的450kg下降到338kg，減重112kg，減重比例達(dá)到25%。

　　德國大眾全鋁結(jié)構(gòu)Audi A2轎車上，激光焊縫的長度30m;其多功能轎車車身上更是大量使用激光焊接技術(shù)，總長度達(dá)到41m。

　　車身結(jié)構(gòu)采用鋁合金激光焊，主要集中在頂蓋與側(cè)圍，后蓋外板上下板之間的連接，另外也包括一些車門內(nèi)板和加強(qiáng)筋，側(cè)圍內(nèi)外板等。

　　主要應(yīng)用的材料為鋁合金5系(即5000，簡稱“5系”，下同)、6系，其力學(xué)性能優(yōu)，焊接性能好;鋁合金激光焊容易出現(xiàn)的缺陷，主要為氣孔和裂紋，對于5系和6系，不填絲時采用擺動激光焊，填絲焊采用穩(wěn)定光絲配合的激光頭，并填充4系的絲能很好的解決焊縫成形和缺陷問題。

　　鋼鋁混合是一種可行的解決方案，鋼鋁的連接性，在輕量化推進(jìn)過程中，也將越來越多地被應(yīng)用到實(shí)際車身結(jié)構(gòu)中。

表3 幾種典型輕量化車型鋁合金應(yīng)用對比和連接工藝說明