激光焊接在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用

激光焊接屬于熔化焊接，以激光束為能量源，沖擊在焊件接頭上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊能進(jìn)行精確的能量控制，因而可以實(shí)現(xiàn)精密微型器件的焊接，且它能應(yīng)用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。

激光釬焊是激光焊接技術(shù)中的一種，激光釬焊焊接原理：利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲在光束能量持續(xù)加熱下熔化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤(rùn)到被焊零件連接處，在適當(dāng)?shù)耐獠織l件下，使之與工件間形成良 好的冶金結(jié)合。需要注意：工件間的連接是通過(guò)釬料熔融金屬實(shí)現(xiàn)的，且母材本身不應(yīng)被激光嚴(yán)重熔蝕損傷。

優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，變形小，熱影響區(qū)非常窄，焊縫的深寬比很高，具有高的焊接速度，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。缺點(diǎn)：由于焦點(diǎn)直徑很小，所以焊縫橋聯(lián)能力很差；另激光器的能量轉(zhuǎn)換效率低。

激光釬焊系統(tǒng)主要由激光發(fā)生器及冷卻系統(tǒng)、激光釬焊頭、送絲機(jī)構(gòu)、機(jī)器人 、工裝夾具、除塵系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)等構(gòu)成。

激光發(fā)生器及冷卻系統(tǒng)。激光發(fā)生器是產(chǎn)生激光的裝置，是激光釬焊系統(tǒng)中提供焊接能源的裝備。

激光釬焊頭。主要由準(zhǔn)直模塊，控制模塊，聚焦模塊，焊縫跟蹤模塊，氣簾模塊等部分組成。

送絲系統(tǒng)。送絲系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著在焊接時(shí) 穩(wěn)定送出焊絲的職責(zé)。采用推拉式送絲機(jī)構(gòu)，以保證焊絲良好的準(zhǔn)直性及 送絲速度的穩(wěn)定。如需預(yù)熱，則增加熱絲電源。

機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的行走，同時(shí)承載激光釬焊頭及附屬裝置、水氣電路等。機(jī)器人負(fù)責(zé)執(zhí)行焊接工藝并與自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)話，調(diào)用系統(tǒng)中的焊接工藝參數(shù)。

控制系統(tǒng)。自主工藝柜通過(guò)工業(yè)總線控制機(jī)器人、激光器、釬焊頭、送絲機(jī)及預(yù)熱系統(tǒng)的時(shí)序動(dòng)作，來(lái)完成焊 接工作。生產(chǎn)主線PLC通過(guò)工業(yè)總線 與機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交換 。

一、 新能源汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀

2021年中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量歷史性突破350萬(wàn)輛，增長(zhǎng)率達(dá)到157.5%，同時(shí)，市場(chǎng)占有率也不斷提升，2021年達(dá)到13.4%；新能源汽車(chē)已經(jīng)成為我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的重要增量，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

當(dāng)前，我國(guó)新能源汽車(chē)已進(jìn)入全面市場(chǎng)化拓展期，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)正處于大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用的重要關(guān)口，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年上半年我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量為266.1萬(wàn)輛，銷(xiāo)量260萬(wàn)輛，市場(chǎng)滲透率達(dá)21.6%。截至今年6月底，我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)量累計(jì)達(dá)531.9GWh，保持全球領(lǐng)先。在車(chē)用動(dòng)力電池方面，今年上半年我國(guó)動(dòng)力電池裝車(chē)量110.1GWh，同比增長(zhǎng)109.8%。其中，三元電池裝車(chē)量占比41.4%，同比增長(zhǎng)51.2%；磷酸鐵鋰電池裝車(chē)量占比58.5%，同比增長(zhǎng)189.7%。

據(jù)預(yù)測(cè)，2022年，中國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量有望突破550萬(wàn)輛，帶動(dòng)中國(guó)動(dòng)力電池出貨量超過(guò)450GWh；同時(shí)，受海外市場(chǎng)訂單帶動(dòng)，主流動(dòng)力電池企業(yè)將迎來(lái)較大規(guī)模的產(chǎn)品出口。

二、激光焊接在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用

激光焊接屬于熔化焊接，以激光束為能量源，沖擊在焊件接頭上。激光焊接屬非接觸式焊接，作業(yè)過(guò)程不需加壓，但需使用惰性氣體以防熔池氧化，填料金屬偶有使用。激光焊接能進(jìn)行精確的能量控制，因而可以實(shí)現(xiàn)精密微型器件的焊接，且它能應(yīng)用于很多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。

由于激光焊接速度快、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化生產(chǎn)，因此被較多應(yīng)用在汽車(chē)制造和新能源電池生產(chǎn)等自動(dòng)化程度較高的產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，隨著近年來(lái)新能源汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了激光焊接設(shè)備的市場(chǎng)需求。數(shù)據(jù)顯示2013年-2019年間我國(guó)激光焊接設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模從15.6億元一路上漲至101.3億元。在汽車(chē)行業(yè)的主要應(yīng)用工藝主要包括不等厚板的激光拼焊、車(chē)身總成與分總成的激光組焊、汽車(chē)零部件的激光焊接。而在動(dòng)力電池領(lǐng)域的防爆閥密封焊接、極耳焊接、軟連接焊接、安全帽點(diǎn)焊、電池殼體密封焊接、模組及PACK 焊接等工序，都以激光焊接為最佳工藝。激光焊接技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身上應(yīng)用，可做到減輕車(chē)身重量以達(dá)到省油的目的；激光焊接技術(shù)的牢固性和輕量性，可提高車(chē)身一體化程度；激光焊接技術(shù)的精度高和效率高特性，可以在生產(chǎn)中提高效率的同時(shí)保證其安全穩(wěn)定性。汽車(chē)在行駛的時(shí)候由于地面的顛簸擠壓，每一個(gè)零部件和架構(gòu)都在承受不同程度沖擊，這就需要汽車(chē)整體的結(jié)構(gòu)精密強(qiáng)度要很高。采用現(xiàn)在的激光焊接技術(shù)，其動(dòng)靜態(tài)剛度較其他焊接工藝可得到超過(guò)50%的提高，降低了行駛過(guò)程中的噪音以及震動(dòng)，改善了乘坐的舒適度，同時(shí)也提升了汽車(chē)的安全性能。

1．車(chē)身焊接

汽車(chē)工業(yè)中的激光焊接大量用在車(chē)身沖壓零件的裝配和連接上。主要應(yīng)用包括車(chē)頂蓋激光焊、行李箱蓋激光焊及車(chē)架激光焊接；另一項(xiàng)比較重要的車(chē)身激光焊接應(yīng)用，是車(chē)身結(jié)構(gòu)件（包括車(chē)門(mén)、車(chē)身側(cè)圍框架及立柱等）的激光焊接。采用激光焊的原因是可提高車(chē)身強(qiáng)度，并可解決一些部位難以實(shí)施常規(guī)電阻點(diǎn)焊的難題。激光自熔焊，即焊接的兩部分或多個(gè)部分自身融化后形成一個(gè)整體，無(wú)需添加焊絲和其他輔助材料，多個(gè)部分焊接后自熔成一個(gè)整體。激光自熔焊在汽車(chē)車(chē)身制造中主要分為兩大部分，車(chē)身組焊和拼焊。車(chē)身組焊：車(chē)身組焊主要有頂蓋和側(cè)圍的立柱，后擋板，車(chē)身支架及車(chē)門(mén)焊接，隨著產(chǎn)品更替的需求，激光焊接越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，組焊已經(jīng)被大部分廠商所接受，目前只有沃爾沃仍在堅(jiān)持使用激光自熔焊；側(cè)圍方面福特SUV和轎車(chē)分別有一款使用激光自熔焊，大眾的很多車(chē)型也在使用。

2．不等厚激光拼焊板

車(chē)身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車(chē)身重量、減少零件數(shù)量、提高安全可靠性及降低生產(chǎn)成本；拼焊板是由強(qiáng)度、厚度和涂層都不同的鋼材焊接而成，激光焊因其速度快，精度高，焊縫小而被廣泛應(yīng)用，目前的汽車(chē)拼焊板大部分都采用激光焊接而成。相比老款車(chē)身的純鋼板，拼焊板有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，車(chē)身重量輕，采用焊接的方法使板材更薄，以此來(lái)減車(chē)身重量；整體強(qiáng)度高，車(chē)身通過(guò)焊接板組成后，強(qiáng)度甚至超過(guò)母材本體，增加了車(chē)體的安全性；成本相對(duì)低，焊接強(qiáng)度、精度都高于傳統(tǒng)材料，減少了零件使用的同時(shí)也能保證性能。采用激光拼焊板應(yīng)用于車(chē)身制造，可以減少零件、模具及焊接工裝數(shù)量，降低車(chē)身自重和成本，并提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。拼焊板在汽車(chē)自車(chē)身中的主要應(yīng)用，主要應(yīng)用在覆蓋件居多，也有些使用在結(jié)構(gòu)件上。

汽車(chē)中拼焊板的焊縫主要分為以下三種：?jiǎn)螚l直線焊縫；復(fù)數(shù)直線焊縫；非直線焊縫。其中以單條直線焊縫類(lèi)型應(yīng)用最多，生產(chǎn)工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單。非直線焊縫最復(fù)雜，一般根據(jù)沖壓件成型后的形狀設(shè)計(jì)焊縫，從而提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和沖壓性能。由于汽車(chē)拼焊板后續(xù)都要進(jìn)行沖壓成型，所以對(duì)拼焊板的成型質(zhì)量和缺陷控制要求特別嚴(yán)格。主要包括外觀（結(jié)疤、裂縫、夾雜、孔洞和劃傷等）、焊縫成形（焊縫寬度、焊瘤凸出、焊縫有效深度、背面斷差和焊縫錯(cuò)邊等）和力學(xué)性能等（對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸、杯突、硬度和彎曲等測(cè)試）方面的要求。例如，要求在拉伸性能測(cè)試中在非焊縫區(qū)域斷裂，杯突試驗(yàn)中開(kāi)裂的區(qū)域不能在焊縫或杯突值大于規(guī)定值。

3．齒輪及傳動(dòng)部件焊接

除此之外，變速箱的多種零件都可以在這臺(tái)設(shè)備上完成焊接加工，特別是轎車(chē)變速箱中的差速器殼和驅(qū)動(dòng)軸等，經(jīng)常是單個(gè)零件生產(chǎn)完畢后再互相接合并焊接而成。

三、 激光焊接汽車(chē)車(chē)身的優(yōu)勢(shì)

1．非接觸式加工激光焊接在汽車(chē)制造中最重要的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在先進(jìn)的非接觸式加工方式?？柯萁z緊固、膠粘連接等傳統(tǒng)加工方法并不能滿足現(xiàn)代汽車(chē)制造中對(duì)精密性和堅(jiān)固性的要求，并且新材料的應(yīng)用，也讓傳統(tǒng)加工方法略顯劣勢(shì)。激光焊接是無(wú)接觸性的，在加工過(guò)程中，可以不觸碰產(chǎn)品就能實(shí)現(xiàn)精密焊接，在連接的堅(jiān)固性、無(wú)縫性、精密性和清潔性上實(shí)現(xiàn)了工藝的跨越式進(jìn)步。

2．激光焊接提升汽車(chē)輕量化采用激光焊接可以在汽車(chē)制造中用更多的沖壓件代替鑄造件，用連續(xù)的激光焊縫代替分散的點(diǎn)焊縫，可以減少搭接寬度和一些加強(qiáng)部件，降低車(chē)身結(jié)構(gòu)本身的體積，從而減少了車(chē)身的重量，滿足了汽車(chē)節(jié)能減排的要求。

3．提升車(chē)身裝配精度和剛度一輛汽車(chē)的車(chē)身加底盤(pán)共有數(shù)百上千種零件，如何將其連接在一起對(duì)整車(chē)車(chē)身的剛性有著直接的影響，采用激光焊接幾乎可以把所有不同厚度、牌號(hào)、種類(lèi)和等級(jí)的金屬材料連接在一起，焊接的精度和車(chē)身的裝配精度大大提高，車(chē)身剛度提升30％以上，從而提高了車(chē)身的安全性。

4．激光混合焊接提升工藝穩(wěn)定性與純激光焊接技術(shù)相比，利用激光混合焊接技術(shù)可大大提高鈑金件縫隙的連接能力，從而使得企業(yè)可以更加充分地利用激光高速焊接時(shí)電弧焊接的工藝穩(wěn)定性。

如今激光焊接應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，采用激光焊接不僅可以降低車(chē)身重量、提高車(chē)身的裝配精度，同時(shí)還能大大加強(qiáng)車(chē)身的強(qiáng)度，在用戶享受舒適的同時(shí)，為其提供更高的安全保障。汽車(chē)配件激光焊接機(jī)采用機(jī)器人智能化操作，通過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直平行光，聚焦于工件上實(shí)施焊接的一種激光設(shè)備。搭配簡(jiǎn)便式萬(wàn)向儀器，可以對(duì)大型模具難以接近的焊接精密部位，實(shí)行柔性傳輸非接觸焊接，具有更大的靈活操作性。