激光加工技术在汽车车身制造中的应用

摘要：论述了先进的激光加工 ( 如激光三维切割、激光焊接、激光拼焊板和激光快速成形等 ) 技术在
国内外车身制造业中的应用情况、存在问题及关键技术。分析表明 , 车身制造中采用激光加工技术能大幅度提高生产效率 , 降低生产成本 , 缩短制造周期 , 增强企业的竞争力。

车身作为汽车上三大部件之一 , 已越来越受到重视。这不仅因为从质量上讲 , 轿车、客车的车身已占整车的 40% ～ 60% , 货车车身也达 20% ～ 30%；从制造成本来看 , 车身占整车的百分比还要超过这些数值的上限 。汽车车身的制造工艺相当复杂 ,其主要零部件由钢板成形、焊接而成。传统的制造工艺是在冲压生产线上采用全模具成形 , 包括落料、冲孔、拉深和整形等。然后在车身装配线上进行焊接等装配 , 焊接大量采用悬挂式点焊机和焊枪。由于生产汽车车身用的模具结构较为复杂 , 其设计和制造周期较长 , 导致汽车产品的更新换代周期较长。为了能在激烈的市场竞争中把握商机 , 处于领先地位 , 世界各国的汽车制造厂家推出新车型的周期正在变得愈来愈短。为此，各汽车制造商在各自的汽车 ( 车身 ) 制造中 , 都积极引进和采用先进的加工技术。而大功率工业用激光器的出现则为汽车制造业提供了一种全新的装备和加工工艺 , 大大提高了产品的更新换代速度 , 提高了市场竞争力。

1 　激光加工技术

1. 1 　三维激光切割

三维激光切割技术，由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性，在80年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工作。因此，夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与CAD/ CAM 技术相结合 , 切割过程易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现高效率的切割生产。

切割车身板材，所使用的激光器主要有两大类，即 CO 2 激光器和 Nd: YAG 激光器，功率为 100 ～
1500W , 因为功率小于 1500W 的激光器其振动模式为单模 , 切缝宽度为 0. 1 ～ 0. 2mm , 切割面也很整
洁 ; 而输出功率大于 1500W 时激光器的振动模式为多模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd:
YAG 的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,适用于机器人手执激光“喷嘴”配程序控制进行精确操作 , 因此在三维切割时大多采用。

影响激光切割工件质量的主要因素有 : 切割速度 , 焦点位置 , 辅助气体压力 , 激光输出功率及模式。当采用高功率 CO 2 激光器切割时 , 切割速度与材料厚度成反比 , 但在其它工艺参数不变的情况下 , 切割速度可以有一个相对调节范围而仍能保持较满意的切割质量。图 1 示出了由上、下两条曲线组合相应的切割速度允许的调节范围。

图 1 　切割速度 ———材料厚度经验式示意曲线

美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司，在汽车生产线上普遍采用激光切割技术它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外，还用来大量切割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如汽车标志灯 , 车架 , 车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车 , 仅车门就有直径为 2. 8 ～ 39mm 的20 种孔。公司采用 Rofin - Sinar 的 500W 激光器通过光纤连接到装在机械手上的焊头 , 用以切割这些孔 , 一分钟就完成一扇门开孔的加工。孔边缘光滑 ,背面平整 。

2.88mm 孔 的 公 差 在 + 0 . 0 3 mm ～+ 0. 08mm 之间 ;12mm 孔的公差在 - 0. 25mm ～+ 0. 03mm 之间。该公司生产的卡车和客车由 89种孔径和孔位配置不同的底盘 , 经过优化设计 , 现在只需要冲压 5 种不同的底盘 , 由激光切割配置不同的孔 , 简化了工艺 , 提高了效率 , 降低了成本。

三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用 , 例如开行李架固定孔、顶盖滑轨孔、天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正 , 既缩短了试制周期又省了开模具 , 充分体现出采用激光切割加工的优点。

1. 2 激光焊接

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一 , 自 1990 年丰田汽车公司首次将此技术应用于汽车车身制造以来 , 该技术在日本和欧美等汽车制造业中得到了广泛的应用 , 通用、奔驰、大众等汽车公司纷纷开发和应用激光焊接技术 , 并取得了显著的经济效益。

激光焊接的接头形式与普通焊接相同 , 有对接、搭接、卷边、角接、 T 字型等形式并能点焊。在汽车
制造中应用最广泛的是对接头形式。汽车车身装配中激光焊接所用的激光器大多为 YAG 激光器。传统的点焊是双边加工 , 把两个焊头夹在工件凸缘上进行焊接 , 凸缘宽度至少需要 16mm , 而激光焊是单边加工 , 凸缘宽度可减少至 5mm , 从点焊改为激光焊 , 每辆车可节省钢材 40kg 。不但省材料 , 还提高了工效 , 增加了汽车构件的强度。美国通用汽车公司用 3kW 光纤传输的连续 Nd: YAG 激光焊新型的Oldsmobile Aurora 车顶顶部 , 焊缝总长 2. 4mm , 焊速 4. 5m/ min , 每小时可完成 80 件。焊缝质地光滑 ,缺陷率低 , 每件费用仅 4. 1 美元。福特汽车公司用5m 长的光纤将 2kW Nd: YAG 激光传输到装在IR761/ 125 形机器人的焊头上 , 把车顶和门框焊在一起 , 焊两层 0. 8mm 厚的钢板 , 焊速达 2. 8m/ min 。卡迪拉克豪华车生产中用 2. 4kW 连续 Nd: YAG 激光焊车体镀锌部件 , 完全满足生产率、经济性和强度的要求。通用汽车公司制造工程主管 Frank A. Dip 2ietro 认为 , 如北美汽车制造商都采用激光加工工艺 , 每年可节省 10 亿美元。

1. 3 　激光拼焊

激光拼焊是汽车车身制造业中最具潜力的激光加工技术。拼焊板（Tailor Welded Blanks）是汽车车
身设计制造中出现的一个崭新的概念 , 可将不同厚度、材质、强度、冲压性能和不同表面处理状况的数块板坯拼焊在一起 , 形成冲压成形前的板料毛坯 , 然后压制成所需的覆盖件 , 如侧围、底板、内门板、支柱
等。这种板材的自由组合具有以下特点：

(1)减少零件数量。由于拼焊板可以一体成形 , 提高了车身的精度 , 减少了大量冲压加工的设备和工序。

(2) 减轻结构件重量。由于采用不同钢板拼接 , 对于易腐蚀的部位可采用涂镀层钢板以提高使用寿命 , 根据不同部位强度的要求 , 采用不同厚度的板料焊在一起 ,然后一次冲压成形 , 而不再需要焊接加强筋。从而降低钢材消耗和生产成本 , 减轻车身重量 , 最终降低汽车能耗。

(3) 提高结构件质量和可靠性 , 由于采用连续激光焊代替不连续的点焊、铆接 , 车身的刚度和紧固性得到提高。

(4) 由于没有搭焊处 , 可减少许多原来需要采取密封措施的地方 , 使防腐性和防锈性得到改善 , 也使车身结构大大简化。板坯是在充分分析车身结构的基础上优化部件设计 , 使之可以有少数几种典型的坯板拼焊而成。一辆汽车的车身和底盘由 300 多种零件组成 , 采用拼焊板技术可使零件数量减少 66 % , 因此大大减少了模具数量 , 提高了材料的利用率。德国梯森公司的 Nothelfer 公司从 1986 年开始生产拼接板，

1987 年首次将拼焊的汽车底板应用于 Audi ,1988 年将其推入美国市场。目前该公司向欧洲各汽车厂 ，包括奔驰、大众、菲亚特等提供各种规格的拼焊钢板 , 占有欧洲 50 % 的市场份额。我国一汽 Audi100 所采用的底板均系该公司产品。日本丰田汽车公司的侧围生产线采用拼焊板后 , 模具由 20 副减少到 4 副 , 材料利用率由 40 %增加到 65 % 。过去内门板用 0. 8mm 的钢板冲压而成 , 为了铰接和安装反光镜的需要 ， 必须焊上加强件。现采用 2mm 坯板和 0. 8mm 的坯板激光焊在一起 , 然后一次冲压成形 , 每扇门重可减少1.35kg 。另外 , 日本本田、韩国大宇等也在为其豪华轿车生产线提供激光拼焊板。据估计 , 采用拼焊
板可使每辆车节省 32 美元 , 为汽车制造商创造了极大的利润。

据美国权威部门预测 , 仅美国三大汽车公司在未来几年对激光拼焊板的需求将大幅增加。其主要用于内门、外门、窗轨和加强板、立柱、底板等部件。美国钢铁协会在世界范围内组成了一名为“超轻钢车身”的国际财团 (Ultralight Steel Auto Body Con 2sortium) , 包括欧洲、美国、日本和韩国的各大钢铁
公司 , 提出了超轻钢车身的设想。内容涉及各种汽车用钢铁新材料和设计制造技术等 , 激光拼焊是一项主要的课题。

1. 4 激光成形

金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束以一定的速度扫描金属板料表面 ( 扫描速度应足够快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显的温度梯度 , 导致非均匀分布的热应力 , 从而使板料塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形具有许多独特的优点：

（1）属于无模成形 , 生产周期短 , 柔性大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺参数 , 精确控制热作用区域及热应力的分布，将板料无模成形。

（2）因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成形。

（3）为非接触式成形 , 所以不存在模具制作、磨损和润滑等问题 , 也不存在贴模、回弹现象 , 成形精度高。

（4）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件 ( 如球形件、锥形件和抛物形件等 ) 。

激光成形机理其实质就是弯曲机理。当激光加热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应力, 同时降低了被加热区域板料的屈服极限 , 从而使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变形 ,实现板料的变曲成形。试验表明 , 激光每扫描一道次 , 金属板料可弯曲 1 °～ 5 °。不同的扫描轨迹和工艺参数组合, 能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。

板料激光成形技术的研究工作，在国外最早始于1985 年，Y. Namba 以 S45C 碳钢激光硬化处理为例研究了材料温度分布和热变形，最先提出了一种在不加外力的条件下仅利用热应力使板料塑性变形的新的加工方法 ———激光成形法 , 并用简单的弯曲实验证实了板料激光成形的可能性。 90 年代以来，德国爱尔兰根大学的 F. Vollertsen 领导的激光成形研究组对板料激光成形技术作了较多的研究 , 并在假设起始热应力完全转变成塑性流变且辐照板料看成一个双层弯曲梁料的前提下 , 计算出了激光弯曲成形的弯曲量。

图 2 所示为一定的工艺参数条件下 , 激光扫描速度与材料弯曲角之间的变化关系。

图 2 　激光扫描速度对弯曲角的影响

现在世界上许多国家都投入了较大的人力、物力对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域已开始了初步的工业应用 : 波兰基础技术研究所的 H.Frackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒形件、球形件、波纹管和金属管的扩口缩口、弯曲成形等 ; 德国学者 M. Geiger 等将激光成形与其他加工工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形 , 且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度 ; 德国 Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多用机床Trumatic L3030 [17] 。相信随着研究的不断深入及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将渐趋成熟 , 进入实用化阶段。不久的将来 , 激光成形技术将和激光切割、激光焊接等技术一样成为汽车制造业的重要手段。

1. 5 　快速成形制造

快速成形制造技术 (RPM) 是 80 年代后期出现的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种工艺方法 , 其中较成熟和典型的工艺有 : 光固化法（SL）、激光选区烧结法（SLS）、熔积法 （FDM）、叠层法（LOM） 、三维打印法（3DP）等。快速成形技术在车身制造中的应用主要有以下两个方面；

（1）产品开发中的设计评价、优化和功能试验。应用大型 CAD软件建立车身外形的三维实体模型 , 将模型数据转换成 STL 格式 , 在快速成形机上成形出车身模型 ,在对模型进行评价、论证定型后 , 制造出所需比例的精密铸造模具 , 从而浇铸出一定比例的金属模型 , 利用此金属模型可进行风洞和碰撞等试验 , 从而完成对车身设计的最终评价。美国克莱斯勒公司已用SLA 工艺制成了车身模型 , 将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析 , 取得了令人满意的效果 , 大大节约了试验费用。

（2）快速模具制造。目前 , 基于RPM 技术快速制造模具的方法多为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模具。

①软质简易汽车覆盖件模具的制作 : 采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确复制成模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为 50 ～ 5000 件 , 由于其制造成本低和制作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生产。

②钢质模具制作 :RPM 原型 —三维砂轮 —整体石墨电极 —钢模 , 一个中等大小、较为复杂的电极一般 4 ～ 8h 即可完成。美国福特汽车公司用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果。与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去了耗时、昂贵的 CNC 加工 , 其加工成本及周期大大降低 , 具有广阔的应用前景。

2 　我国车身制造业激光技术的应用现状

早在 1975 年 , 我国一汽轿车厂与长春光机所合作研制成功了一台 400W CO 2 激光切割机 , 用于红
旗轿车车身覆盖件的板坯切割与修边工序。我国“六五”、 “七五”、 “八五”期间 , 国家都把激光加工技术列为攻关项目。 1988 年 12 月 , 由中国科学院发展局和中汽投资公司共同在上海组织了来自研究院、所和大专院校 , 含一汽、二汽、大众在内的主要汽车厂的专家对激光加工技术在我国汽车工业中的应用进行了探讨 , 并达成了一些合作项目和意向。中国科学院的“八五”计划中把激光加工列入重中之重的科技发展地位 , 而在这个计划中又将激光加工的主要应用方向定位于汽车工业。在“八五”期间 , 国家科委、计委、经贸委及教育部等又先后在国内建立了四个国家级激光工程技术研究中心 , 加速了科研成果向商品转化 , 为我国形成激光产业创造了良好的条件。

在激光切割方面 , 目前基本上集中在平板切割，主要是用于覆盖件的下料和样板切割，而在激光三维切割方面的应用研究才开始起步。国家自然科学基金委在1997年把“大功率 CO 2 及 YAG 激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助 , 国家产学研激光技术中心的左铁钏教授及其课题组成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大的贡献。该中心拥有从德国 Trumpf 公司引进的具有 90年代国际水平的 6000kW Turbo 型 CO 2 激光器及与之相配套的 5 轴联动激光加工机 , 可实现对零件的5 面体切割和焊接 ; 从 Hass 公司引进的 500W YAG激光器和 6 轴机械手和光纤传输系统 , 可实现工件空间任意位置的切割和焊接。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造 , 开展了重大工程项目的攻关。其中 , 开发“红旗”加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术 , 在我国轿车生产中是首次采用 ; 在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中 , 首次采用了激光切割替代精裁的工艺技术 , 取得了较好的技术经济效果。在企业方面 , 柳州微型汽车厂也已经有了 CO 2 5 轴激光加工机 ; 上海大众汽车公司新的桑塔纳生产线也在引进高功率 YAG 的三维加工系统 ; 济南铸锻研究所为一汽开发的 6 轴 CO 2 激光加工机也进入试运行阶段 , 用于轿车车身的切割。

激光拼焊坯板的生产在国内尚处于空白 , 一汽引进的奥迪 C3V6 型轿车上使用原来设计的拼焊底板，目前依然进口。奥迪 C5 型轿车也使用进口的剪裁拼焊坯料 , 其中的门槛加强板采用 1 、 1 . 2 、1. 5mm 三种不同的板坯焊接而成。武钢技术中心已于 1998 年 2 月通过专家论证 , 投资 5000 万元兴建国内第一条汽车板激光拼焊生产线 , 设计能力110 万件坯料 , 预计 2000 年投产。北京工业大学等单位对激光焊接机理作了较为深入的研究 , 并对激光大拼板拼接工艺进行了试验研究 , 取得了一些实质性的进展。

清华大学、华中理工大学和西安交通大学等单位在激光快速成形技术和理论等方面进行了大量的研究，开发研制出了快速成形系统和设备。西北工业大学、燕山大学等单位正在从事激光诱导热应力成形技术方面的研究 , 但还处于理论和实验研究阶段 , 目前要实现激光成形过程的精密控制还有一定的难度。因此 , 在车身制造工业上的实用化还需要广大科技工作者的艰苦努力。

总的来说 , 我国的激光技术在工业上的应用起步较早 , 但在车身制造中的应用发展不快 , 远未达到能够工业应用的程度 , 与世界先进国家相比 , 落后较多。究其原因 , 主要有以下几点 :

（1）由于历史原因 , 我国激光器及零部件生产水平低。激光器是一种集光、机、电等多种学科和技术的高科技产品。在我国现有的工业水平上 , 元器件的生产不过关 , 难以在短期内生产出适合于工业应用的优质而稳定的激光器 , 光学模式不好 , 稳定性和可靠性不高 , 不能满足工厂条件下长期稳定工作。而进口激光器又价格昂贵。

（2）国内对激光加工工艺的研究重视不够。由于激光加工是集光、机、电、材料、计算机和控制技术于一体的一门综合性学科 , 国内缺乏这样一批多学科结合的高水平的科技力量的协同作战。对激光加工工艺和与材料相互作用的研究及激光设备的二次开发得不够深入 , 以及科研与应用相脱节 , 成果转化率较差。工业界难以看到激光加工的优越性。

（3）我国汽车工业产品设计落后 , 生产规模小 ,用传统方法也能解决等因素也影响了激光先进工艺技术的应用。除了汽车市场本身的因素外 , 企业对高科技带来的眼前利益与长远利益估计不足 , 影响了技术投资 , 因激光加工设备的费用一次性投入较大 , 致使多数单位在使用时较为谨慎。这大大影响了激光技术在汽车车身制造行业中的应用和发展。

3 　结束语

激光材料加工技术是现代高科技的产物，是一种先进的加工工艺，在国外各行业已得到了广泛的应用。随着我国加入 WTO 的临近 , 全球经济一体化进程的发展 , 汽车市场的竞争愈加激烈 , 我国的汽车工业将面临更为严峻的挑战。车身的设计与制造技术必将成为世界汽车工业激烈竞争的主战场。而车身制造中激光切割、焊接、坯料拼焊和激光成形等技术的应用 , 必将为车身制造业带来重大变革 , 同时也为企业带来巨大的效益 , 大大提高和增强了企业的竞争力。相信随着国家政策的扶持以及研究机构和汽车制造部门的共同努力 , 激光加工技术在汽车车身制造业中的广泛应用已为期不远。为此 , 必须在以下几个方面作进一步的深入研究 , 以解决车身制造业中激光应用的关键问题。

（1）激光加工机理和工艺方法的进一步研究和完善 , 建立较符合实际的理论加工模型 , 以便用计算机来分析处理和预测加工效果。

（2）激光加工过程中无损检测和控制手段的研究。做到在激光加工过程中 , 可同时进行无损快速的检测和判别加工效果 , 并能加以控制 , 从而保证获得高质量的激光加工零件。

（3）激光加工工艺参数的优化。由于各种参数对激光加工的效果影响较大 , 所以只有进行大量的试验研究 , 才能获得应用于实际加工的优化数据库。此外 , 根据大量的试验数据 , 利用神经网络理论把影响激光加工的主要因素和衡量指标作为网络的输入、输出特征 , 对其变化取得规律性的认识 , 从而有效地控制激光加工参数 , 降低生产成本。

（4）积极进行激光加工设备、激光加工系统及激光加工方法的研制、开发 , 特别是国产激光加工设备小型化和实用化的研究 , 以使激光加工过程简化 ,费用低 , 设备操作和维修方便。