我們可以看到，汽車行業輕量化理念的推廣日益壯大。輕量化，是在保證汽車強度和安全性的前提下，盡可能地降低汽車整備質量，減少油耗，降低汙染的一種理念和方法。

除了節能環保，在駕駛體驗方麵，輕量化後汽車加速性能也得到提高，而且在碰撞時由於慣性小，製動距離也減少。此外，車輛每減輕100公斤，二氧化碳排放可減少約5克/公裏。因此，汽車的輕量化已經成為世界汽車工業發展的潮流。正如某汽車品牌所提出的觀點，“每一克，都意義重大”。

由於光纖激光器在高度自動化、高度靈活化的生產係統中的重要性逐步凸顯，激光方案覆蓋了汽車製造行業所有應用領域。我們先來看看下麵這篇在以通用汽車為代表的美國汽車工業中，鋁車身製造中的激光焊接應用介紹。

凱迪拉克

為了使凱迪拉克重返世界頂級豪華品牌舞台，使其成為同級別各品牌中最輕的轎車，通用汽車全力以赴，將13種材料使用於轎車車身上。而且，就像一位行業觀察家所說，他們為了將鋁、碳鋼、鎂和塑料等不同材料一塊塊的拚接在一起，通用汽車采用了汽車行業最複雜、最先進的複合材料製造工藝，使用28個機器人焊接汽車的內外部車架。

圖1. 通用汽車2016款凱迪拉克CT6鋁合金車頂與(yu) 車身采用激光器進行焊接圖片來自：通用汽車

將光滑、輕量化的車身連在一起所采用的包括熱融自攻絲(si) 、自鑽鉚接、首次使用的鋁合金電阻點焊以及鋁合金激光焊在內(nei) 的工藝，也可能是未來美國汽車工業(ye) 的連接技術策略（圖2）。通過這種材料工藝組合，與(yu) 采用全鋼結構的重量相比，通用汽車成功地將凱迪拉克CT6的重量減少了198磅（89.81 kg）。

 

圖2. 通用汽車采用鋼鋁合金、錳鋼等多種材料和特有的鋁合金電阻點焊和激光焊等多種工藝，將凱迪拉克CT6的重量減少了198磅（89.81kg） 圖片來自：通用汽車

2015年1月在底特律漢姆川克工廠投產(chan) 的CT6，是迄今為(wei) 止最受矚目的、加入輕量化潮流的車型。輕量化特別強調使用鋁合金取代碳鋼，並在很大程度上受到要求更為(wei) 嚴(yan) 格的、到2025年要達到油耗為(wei) 54.5公裏/加侖(lun) 的聯邦乘用車碰撞安全標準法規的影響。

除了鋁合金車頂采用了激光焊接，據通用汽車先進技術與(yu) 焊接工程部經理Elaine Garcia介紹，通用汽車還使用激光焊接轎車車門與(yu) 行李箱蓋。“我們(men) 用激光焊接鋁合金車頂和行李箱蓋是因為(wei) 它能夠實現產(chan) 品設計中的某種外觀，而且用激光焊接鋁合金車門是因為(wei) 它允許更短的焊接法蘭(lan) 和更寬敞的車窗，”Garcia表示。阿帕小奇找到的下麵的這個(ge) 視頻，就展示了凱迪拉克在美國底特律工廠中CT6鋁合金頂棚與(yu) 車身連接及後備廂蓋總成連接激光焊。 

就像許多對於(yu) 哪種工藝將被競爭(zheng) 者采用的爭(zheng) 議一樣，汽車製造商用哪種焊接工藝來製造更輕巧結實的汽車也要經過再三考慮。這是工業(ye) 激光器所麵臨(lin) 的要麽(me) 捷足先登，要麽(me) 被其他工藝，例如粘接或者點焊取代的重要時機。

 

圖3.通用汽車對凱迪拉克CT6采用了混合材料工藝，即用碳鋼、鋁合金和其他材料等多種材料組成轎車車身。圖片來自：通用汽車

鋁合金的使用——已經在路上

鋁合金的重量大概是碳鋼的三分之一，然而它們(men) 的強度卻相似。據美國鋁業(ye) 協會(hui) 的鋁運輸部估計，用鋁合金替代碳鋼每減重10%，車輛油耗最高可節省7%。

盡管現在社會(hui) 趨勢特別強調輕量化，“在汽車行業(ye) 鋁合金不算新材料”，位於(yu) 密歇根安阿伯的汽車研究中心總裁及CEO傑巴倫(lun) 說到。他指出，1923年福特推出了一輛鋁合金轎車，在60年代，汽車廠進行了複合材料實驗。到了70年代中期，汽車上鋁合金部件的重量還低於(yu) 100磅（45.36 kg），而到了2013年該重量增加到350磅（158.76kg）。據2014年位於(yu) 密歇根州特洛伊的德魯克全球的一項研究，到2025年汽車上的鋁合金重量被期望達到500磅（226.8 kg）。在很多領域，美國汽車工業(ye) 剛剛開始趕上歐洲同行。

與(yu) 以前不同的是，巴倫(lun) 說，現在已經加快使用鋁合金替代碳鋼了。這為(wei) 激光器提供了機遇。近2年來，例如IPG Photonics的 CEO Valentin Gapontsev在季度電話會(hui) 議中提到“汽車工業(ye) 采用高強鋼和鋁合金生產(chan) 輕量化汽車的趨勢推動了光纖激光器的應用。”

主要使用光纖激光器焊接CT6車身鋁合金的通用汽車，2013年才開始在車身鋁合金上使用激光焊接。到現在，通用汽車已經在多款車型，例如Cadillac Escalade（攀登者），Chevrolet Suburban（雪佛蘭(lan) 巨無霸），Tahoe（太浩）,以及GMC Yukon（育空）也是用激光焊接鋁合金的，加西亞(ya) 說到。

圖4. 凱迪拉克CT6後備箱蓋上的激光鋁焊接焊縫 圖片來自：汽車之家

通常，汽車廠激光焊接主要用於(yu) 懸架結構，例如將車門和後蓋與(yu) 白車身焊接在一起。凱迪拉克CT6的鋁合金頂棚與(yu) 車身的連接以及後備廂蓋總成的連接就是采用了激光焊接工藝。

利用激光融化鋁材質的釺料實現鋁板之間的連接。其中後備廂蓋的鋁激光焊接焊縫無需經過打磨等處理就能夠進行後續的塗裝作業(ye) ，足見該焊縫表麵的平滑程度。而頂棚與(yu) 車身之間的鋁合金焊縫也無需打磨，僅(jin) 需在塗裝前塗上一層膠液並刮平即可保證後續漆麵塗裝質量。

此外，整車廠最近開始采用激光器焊接內(nei) 部構件，例如鋁合金濾清器和操舵杆，以及電動汽車電池的鋁合金外殼、銅極片等。

激光工藝 vs. 非激光工藝

有大量IPG Photonics的光纖激光器用於(yu) 車身線焊/釺焊應用。實際上，IPG在2015年5月投資者會(hui) 議上闡述，他們(men) 相信光纖激光器焊接的市場機遇遠遠大於(yu) 切割市場的市場機遇。

IPGPhotonics對采用激光線焊機（LSS，一種集成激光焊接和工件夾持的機器人焊接工具，可瀏覽下方視頻）取代幾種汽車應用中的電阻點焊工藝充滿信心。在某次季度電話會(hui) 議上，ValentinGapontsev表示LSS能用於(yu) 加工不同的材料，例如碳鋼、鋁合金、不鏽鋼，而且焊點的強度是傳(chuan) 統電阻點焊的兩(liang) 倍。”

當激光器開始用來替代電阻點焊機的時候，“激光器的使用並沒有因鋁合金使用量的波動而有大規模的波動”，林肯電氣全球汽車事業(ye) 部經理蒂姆赫爾利表示。相反，“激光焊接開始用於(yu) 原可使用電阻點焊進行的碳鋼部件的焊接。”他表示鋁合金的高導熱率以及電阻點焊會(hui) 產(chan) 生的痕跡給了激光焊接很大的機遇。然而，有時激光焊接的優(you) 勢取決(jue) 於(yu) 被加工的合金，有一部分合金容易產(chan) 生裂紋並需要填絲(si) 。

“憑借高速、低熱輸入和低變形率，以及應用的整體(ti) 靈活性，激光工藝成為(wei) 汽車工業(ye) 過去二十年中的關(guan) 鍵組裝工藝，”裏奇曼表示。“由於(yu) 激光焊接的卓越焊縫質量，它主要用於(yu) 對外觀有嚴(yan) 格要求的應用。”

當鉚焊成為(wei) 鋁合金部件焊接的熱門工藝時，巴倫(lun) 說他期待整車廠大幅減少對這些機械固定件的依賴。例如通用汽車就在CT6上成功的少用了約1800個(ge) 鉚接點，通過焊點強度更高的激光焊接減少了4磅（1.81 kg）的重量。

“鉚焊會(hui) 增加重量。激光焊不會(hui) 增加重量，”巴倫(lun) 說道。

巴倫(lun) 補充到，對激光焊接構成最大威脅的鋁合金非激光焊接工藝，可能是越來越複雜、比點焊更好的粘接工藝。然而，加西亞(ya) 說到通用汽車更加信賴激光焊接，這部分減少或替代了粘接工藝或者線焊工藝。

艾瑞克斯泰爾斯，IPG Photonics中西部應用經理說激光焊接還可以取代氣體(ti) 保護金屬極弧焊。然而，這種工藝的熱輸入對於(yu) 焊接更薄的板材來說太高。激光焊接的其他機遇還來自於(yu) 整車廠采用沒有法蘭(lan) 或者使用更小法蘭(lan) 的部件設計。 

 

“激”（機）遇開放

“有些車廠在開發激光焊接的潛力，以降低或消除車門，發動機罩和護甲板設計中的鈑金焊接法蘭(lan) 。在這些應用中，激光焊接被用於(yu) 取代在薄板裝配中內(nei) 外側(ce) 板的傳(chuan) 統成型縫焊。如果成功，這可能會(hui) 是未來激光焊接運用中有更多潛力的應用，”裏奇曼說到。

汽車零部件，例如車門，通常在對多層金屬板通電焊接的點焊工藝中對焊接法蘭(lan) 加壓。采用激光焊接，例如CT6的車窗法蘭(lan) 厚度為(wei) 6 mm，而傳(chuan) 統的點焊車窗法蘭(lan) 厚度為(wei) 10-15 mm。當全車身焊接法蘭(lan) 都減小時，就會(hui) 顯著降低車體(ti) 的重量。加西亞(ya) 說激光焊接的線性焊縫允許更小的法蘭(lan) ，而點焊的環形法蘭(lan) 卻有5-7 mm大小 。

巨大的成本優(you) 勢

鋁合金和激光器的成本影響了激光焊接在汽車工業(ye) 中的應用。過去10年4 kW激光器的價(jia) 格下降了66.7%，而碳鋼的價(jia) 格卻比鋁合金便宜1/3。而且鋁合金價(jia) 格下降沒有激光器價(jia) 格下降的多，從(cong) 2006到2015年，鋁合金每噸的年度平均價(jia) 格僅(jin) 下降了12%。

巴倫(lun) 說，隨著汽車業(ye) 務模式趨向於(yu) 采用更多技術，“激光器注定會(hui) 有更多機遇。”加西亞(ya) 補充說，通用汽車對激光器的使用率“取得增長因為(wei) 我們(men) 對這種技術更加自信。”考慮到汽車及航空航天行業(ye) 通常引領工藝趨勢，激光器廠商期待著製造商們(men) 加入輕量化技術的行列。而其他像汽車和航空航天這兩(liang) 個(ge) 對重量敏感的行業(ye) ，許多企業(ye) 則可以從(cong) 鋁合金可帶來的減重中獲益。

“鋁合金有許多優(you) 勢，從(cong) 輕量化到防腐蝕，所以當汽車行業(ye) 中鋁合金的使用增加時，必然會(hui) 給其他工業(ye) 帶來機遇。”IPG Photonics的斯泰爾斯說到。
（IPGB基於(yu) James Schlett 撰寫(xie) 文章綜合整理）