激光拼焊板在车身轻量化中的应用

郁光朋

摘 要：目前，随着经济的发展，对汽车的需求会越来越强烈，但考虑到环境环保问题日益严峻，汽车空气污染不容忽视。激光焊接技术已经伴随汽车行业走过近40个年头，而且汽车轻量化设计水平在进一步提升，相应的对其连接技术也带来了更大的挑战和更高的要求。本文基于激光拼接板技术，将分析其在车身轻量化中的应用。

关键词：激光焊接 拼焊板 轻量化 应用

1汽车车身轻量化设计及评定

汽车质量每减轻10%，燃油经济性可改善6%-8%，而污染物排放将减少5%-6%。因此伴随着全球能源节约和环境保护的主题，汽车轻量化成为必然的发展趋势。对于汽车构造，车身是主要的结构部件，主要用来支撑汽车动力装置和各种辅助部件。通过车身轻量化技术，可实现更高的单位能源利用效能，大幅降低能耗与废气排放，故此汽车车身轻量化成为当今汽车行业研究的热门课題。

2激光焊接技术

传统的点焊技术，通常对车身质量影响不大。但CO2保护焊的使用，则对车身质量影响较大。因此要求其本体前后两段料厚不一致。如采用激光拼焊技术，将前纵梁内板前段与后段焊接成一体，进行冲压，制成一个零件，从而减少焊接搭边及工装器具，能够达到有效降低成本，减轻零件质量的目地。

激光焊接是目前在汽车行业蓬勃发展的一种新技术，正在越来越多的被使用。相对于传统的电子束焊接，激光焊接拥有很大的技术和成本优势，其代替电子束焊接的趋势正在得到整个行业的认可。从应用来看，激光焊接的优势十分明显，主要表现在三个方面：

（1）减轻车身质量。在汽车结构件上采用激光拼焊板，使不同材料和厚度组合，可以简化车身结构，减少加强件，在保证相同强度的情况下，降低整备质量，从而减少汽车油耗。

（2）原材料利用率提高。通过在车身特定部位使用高强度厚板材，并通过落料排料技术，将不同材料合理组合，使材料使用率大大提高，减少废料，达到环保目的。

（3）减少汽车零部件数量。提高轿车车体结构精度，可以缩减许多冲压设备和加工工序。通过使用激光拼焊技术，将材料的强度、厚度进行合理组合，可大大改善结构刚度。

3激光拼焊板工艺在车身定量化中的应用

激光焊接过程中，光束焦点位置的调节是最关键的控制工艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，通过专门的夹紧装置固定板料的位置，通过调整使激光焦点处于最佳位置范围，从而获得最大熔深和最佳焊缝形状。

依据车身部分的设计要求和实际性能需要，对车身部位及拼接板进行规划，在保证车身重要截面部位的强度达到均衡的基础上，科学运用薄板材料的物化能力，促进焊缝更加具有适宜性，同时当冲压过程中遭受较小的拉应力，最大化利用材料，从而提升整体材料的应用效率，避免材料过多消耗。而且，在搭接过程中需要重视拼板连接的精度，并防止焊缝处于冲压过程中拉应力最强值的位置。

首先，把金属板材或者金属带材裁剪成预定尺寸及形状的板件。这项工作主要是在冲压机上或冲剪机上完成的（也有采用激光、液压砂轮切的），从而保证了必要的裁剪精度及良好的切边质量，而这些对下一步激光拼焊尤为童要（实现无缝隙对接）。

其次，激光拼焊。在激光拼焊时，既要保证良好的经济性，还要保证整个焊缝均衡，并具有较好塑性，即冲压形变能力，焊缝轻度不低于被焊接材料中较软材料的强度。

再次，检验拼焊板。该步骤利用了材料厚度较小的特点，并且深刻影响了后续深拉工序。对激光拼焊板（0.8～1.5mm厚）焊缝缺陷，可以用电磁声学法检测出来（使用横向偏振平面波），当然也可以用微焦点X光透视等传统方法来检测。对拼焊板的检验还包括对焊缝、焊区物理-力学性能的实验研究。

4激光拼焊板在天窗加强框上的应用案例分析

4.1案例概况

传统全景天窗加强框零件由4个零件焊接而成，见图1，其中两个为对称件（图1b），材料均为宝钢B340LA，料厚为1.5mm，焊接后总质量约为10.05kg，焊接后整体尺寸为1715mm×1076mm×20mm。

4.2激光拼焊板方案设计

基于成本及工艺最优化的原则，将4个零件进行两两组合成形，一出二形式。两块坯料的尺寸分别为：1690mm×1260mm，1220mm×700mm，坯料总质量约22.5kg，材料利用率为10.04kg/22.5kg=44.6%。

根据工艺设计经验，考虑零件品质及模具成本，两套组合件工艺规划均可设计为OP10：拉延；OP20：修边、冲孔；OP30：修边、冲孔；OP40：翻边、整形、分切；需8副模具，模具总质量约50t左右。

4.3应用效果分析

（1） 激光挤焊板全景天窗加强框降低了模具成本及零件生产成本。模具工序数由8副减少为4副，质量减少8t左右，由此减少了一次性模具工装成本。同时，非拼焊天窗加强框每台车坯料成本约162.2元，激光拼焊整体式天窗加强框每台车坯料成本约为153.4元，每台车节约了8.8元成本。另外，省去了焊接产生的费用。因此，激光拼焊的整体式天窗加强框在成本上比传统单件焊接有优势。

（2） 整体式全景天窗加强框去除了零件搭接部分，总质量减少了1.17kg，有效地减轻车身自重，达到轻量化的目的。

（3） 整体式天窗加强框无需焊接，减少了由于零件搭接累积公差可能引起的碰撞异响或车身缝隙，进一步提高了整车的精致工艺。为后续汽车结构及制造工艺设计提供了一种参考方案，可以延伸到其他车身模块的设计。

结语：

综上所述，激光焊接是利用高能量密度激光束作为热源来实现同种以及异种材料间冶金结合的一种高效、优质连接工艺。汽车车身的轻量化发展仍在不断深入，激光拼接板的应用也应顺势而为，开发出适应新时代需求的工艺技术。

参考文献：

[1] 张林阳，张敏，高建昊，刘春柏，宋庆军，范艳军.激光焊接技术在乘用车制造中的应用及发展动态[J].汽车工艺与材料，2016（08）：6-11.