车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准

车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准

一汽大众汽车有限公司规划部 韩立军

简介：激光焊接技术以其较高的能量密度、较快的焊接速度、较高的电弧稳定性和优质的焊缝成型在汽车车身制造过程中得到广泛应用，一汽大众迈腾车身的激光焊缝总长度达42m 。激光焊接技术的使用使车身的前撞、后撞、侧撞都能符合较高的设计要求，但在产品设计过程中，对焊接接头的设计和焊缝质量的评价标准以及焊后焊缝的返修也相应提出更高的要求。

关键词：车身；激光焊接；接头型式；质量评价标准 中图分类号：TG453 文献标识码：A

0 前言

从20世纪80年代开始，激光技术开始运用于汽车车身制造领域，主要是运用激光焊接车身。激光焊接设备使用的激光器主要有两大类：Nd:Y AG 固体激光器，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送； CO 2激光器，可以连续工作并输出很高的功率。

在开发激光焊接新技术方面，激光技术在车身制造过程中经历了不等厚板激光拼接技术、车身激光焊接技术、激光复合焊接技术的发展历程。与单一的激光熔焊技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点：高速焊接时电弧焊接的较高的稳定性、更大的熔深、较大缝隙的焊接能力、焊缝的韧性更好、通过焊丝可以调整焊缝组织结构等。焊缝的设计型式和焊缝标准的评价随着激光焊接技术的发展也不断进行着改变与完善，特别是近些年镀锌板、三层板和超高强钢板的广泛应用，对接头的设计型式提出了更高的要求，焊缝标准的评价也不断细化和优化，这不仅为制造优质的焊接车身提供了保证，也为焊缝的返修提供了理论依据。

目前，一汽大众公司在Audi C6、Golf A6、宝来、速腾、迈腾、Model X 等几乎所有品牌车型的车身制造过程中都不同程度地采用了激光切割、激光熔化焊接、激光复合焊接等先进的制造技术（如表1）。由于焊接部位不同，焊接接头的型式与评价标准也不尽相同，焊缝存在的焊接缺陷也不同，从而导致焊缝返修标准也存在一定差别。

表1 一汽大众车型激光焊接部位数据统计

以一汽大众迈腾车身为例，车身激光焊缝总长度高达42m ，焊缝的接头型式涉及顶盖激光钎焊时的对

接接头、前后风窗上沿的搭接I 型接头、后流水槽处的搭接角焊缝以及前端的角接角焊缝等诸多形式。由于焊缝的型式不同，激光焊接时的焊接方法、参数、评价标准和焊后返修的标准均有所不同（如图1）。

CADDY BORA A5

BORA A4

GOLF A4

AUDI C5

AUDI C6

AUDI B6

顶盖设备

V V V

V

V

V

前端V

V 白车身V 密封槽－侧围

V note:

侧围V 车门V 后盖

V V

221

1

1

1

应用工位

主焊

合计（27台）

1

表示HL4006D 表示HL3006D

a b c

图3 激光焊、MIG 激光复合焊接及MIG 焊

接头成形比较 a －激光焊，功率2000W ； b －激光复合焊接，功率1500W ， V=5.5m/min ；c-MIG 焊, V=11m/min

1 激光焊原理与设备

激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。激光热源的优势在于：具有极高的加热能力，能把大量的能量集中在很小的焊接点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快、焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。

当激光光斑上的功率密度足够大时（大于106W/cm 2），金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于溶化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凸坑。随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成焊缝（如图2），所以激光焊缝具有深而窄的特征。

激光复合焊接将两个电弧进行复合，两个电弧相互影响和支持，形成的熔池比激光熔焊要大（如图3），因而搭桥能力更好，允许更大的焊接装配间隙。同时，激光复合焊接的熔池比MIG 焊的要小。

2 一汽大众激光焊接接头型式 迈腾长达42m 的激光焊缝，保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。迈腾的激光焊接主要是在车身的顶盖和侧围的连接、底板不等厚板的拼接、车门内板不等厚板的拼接、底板与侧围、后围板、前后风窗口以及门框等连接处。表2显示

了焊装车身激光焊接头的常见型式与基本设计原则，实际应用时应考虑具体的车身设计要求、焊接方法的使用、激光焊机的功率和能量密度以及焊接时的焊接速度等。

L-3201-LR 1468 mm

R-3201-LR 1468 mm

L-3267-LR

20 mm

L-3151-LR 25 mm L-3003-LR 17mm

R-3267-LR 20 mm

L-3001-LR 20 mm

R- 3151-LR 25 mm

R- 3002-LR 17 mm

R -3003-LR 17mm L-3051 20 mm L-3052-LR 15 mm R-3052-LR 15 mm

L-3271-LR 15 mm

L-3268-LR 50 mm

R-3271-LR 15 mm R-3268-LR 50 mm

L-3002-LR 17 mm 图1 迈腾车身俯视激光焊缝

图2 激光熔焊原理

常用的激光焊接所连接的焊接材料有冷轧钢板、低于0.02%碳当量的热轧钢板、热镀锌和电镀锌钢

表2 汽车车身激光焊焊缝常见接头型式与设计原则

序

号

接头型式图示说明设计原则

1 激光熔焊搭接

角焊缝1.镀锌板必须考虑装配间隙的设计，一般SP设计间隙范围为0.05～0.2mm。

2.f1≥0.2mm

3.f2≥0.2mm

4.a≤0.7t min mm

2 复合激光焊搭

接角焊缝

焊缝厚度a≥0.3mm

3 平行板角焊缝f L≥t min mm,且S N≥t min mm

4 端部对接I型

焊缝1．对于镀锌钢板而言，锌的挥发容易。2．有利的热流分布。

3．较高的端面加工精度要求，较好的连续性、端面较窄的匹配间隙。4．对于匹配的要求较高。

5．S＝t1，t1

5 搭接接头I型

焊缝1．焊缝相对较少的加工费用

2．较少的装配调整费用

3．由于焊缝没有贯穿截面，强度较低。4．存在不利的热流。

5．焊点深度控制困难

6．镀锌板必须考虑装配间隙的设计。7．S2>0.3t2

板，一般要求钢板的材质必须符合相应的技术标准，以实现优质连接。要实现优质连接主要取决于三个要素：即设计、加工和材料。图4 给出了焊接的可能性，以及在接头设计和加工制造之间获得优质焊接接头的相互关系。除了设计的一般性原则外，诸如设计

端面的处理、必要的焊前准备、焊接接头属性的描述、

焊接工艺、夹紧技术、激光束的可达性、加工精度和焊

后返修都起到相应的作用。/光通

讯

/激光网

/光学网

/光电商情网

要获得较好的激光焊缝，必须依据以下原则：接头是通过焊接区的相互连接而形成，对于每一种接头型式必

加工

可焊性

焊接方法

材料

接头设计

焊接稳定性

焊接

性

图4焊接性与影响因素的关系