作者：唐霞輝1，秦應雄1，鍾如濤2

1華中科技大學激光加工國家工程研究中心

2武漢鋼鐵（集團）公司研究院

汽車工業(ye) 的發展對車體(ti) 質量提出了更高的要求。激光技術具有加工質量好，生產(chan) 效率高等優(you) 點，在汽車製造應用中，起到了至關(guan) 重要的作用。

1、引言

激光製造是中國製造2025發展戰略的支撐技術。激光智能裝備應用於(yu) 航空航天、船舶製造、海洋工程設備、石油石化、國防等領域的大型裝備製造，涉及激光焊接、切割、精密鑽孔、刻線、表麵改性、清洗、增材製造等工藝。汽車工業(ye) 是激光加工應用最多的領域之一，歐美等工業(ye) 發達地區中，50%-70%的汽車零部件使用激光加工技術製造。在工業(ye) 發達國家中，全世界約有3萬(wan) 多台激光加工設備用於(yu) 汽車工業(ye) ，每年數以百計的激光加工機投入使用。我國汽車產(chan) 業(ye) 中激光技術應用市場巨大，經濟效益不斷上升。汽車行業(ye) 中的激光加工技術主要有：激光切割、激光焊接、激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光打孔等。

2、激光切割與(yu) 汽車板高速落料

汽車工業(ye) 中，激光切割工藝采用大功率光纖激光器，以提高切割速度和切割質量。在汽車樣車和小批量生產(chan) 中則大量使用三維激光束切割機，對普通鋁、不鏽鋼等薄板、帶材的切割加工，其切割速度可達10 m/min以上，大幅縮短了生產(chan) 周期，比機械加工方式的加工費用減少50%。激光切割和機器人技術的結合，使其功能得以更大地發展，特別是在車型不斷變化的小批量生產(chan) 中，激光切割和機器人技術結合更有其優(you) 越性。

汽車板落料生產(chan) 線上，有一種傳(chuan) 統的通用帶料剪切設備叫做飛剪，通過在帶料運動中進行跟蹤剪切，大幅提高下料的速度，但由於(yu) 切刀是直線的，隻能得到矩形和梯形坯料，應用範圍受到限製。而現有的激光切割設備，切割形狀不受限，但在進行切割時板料都是靜止的，進料和出料不能同時進行，影響了帶料的處理速度。

激光切割落料線對上述兩(liang) 種設備的工作理念進行巧妙組合，即在帶料運動中用激光切割機對其進行飛割（跟隨切割），其目的是為(wei) 了解決(jue) 連續的金屬和非金屬帶料的無模具快速下料問題，以降低下料設備的投資、模具消耗成本，並且有效提高材料的利用率。采用激光落料，無需製造模具，采用先進的排樣軟件及控製係統，產(chan) 品規格形狀轉換迅速。對於(yu) 今後高強汽車板，采用激光落料成為(wei) 當務之急。

3、汽車板激光拚焊

激光拚焊技術（Tailor welded blanks，TWB）應用於(yu) 車身製造具有很多明顯的優(you) 勢。例如減輕車身重量、減少汽車零部件數量、提高原材料利用率、提高結構功能和安全性，為(wei) 生產(chan) 寬體(ti) 車提供可能，增加產(chan) 品設計靈活性等。圖1所示為(wei) 車身製造中所用的一些典型激光拚焊件。

圖1 激光拚焊件在車身製造中應用

德國Thyssen鋼鐵公司在20世紀80年代率先開始生產(chan) 激光拚焊汽車板。目前全球已建有500多條激光拚焊生產(chan) 線，西歐生產(chan) 的拚焊板約占世界總產(chan) 量的70%，美國約占20%，日本約占10%。隨著國內(nei) 汽車工業(ye) 的高速發展，激光拚焊技術也得到了快速應用，目前，國內(nei) 已有20多家激光拚焊板生產(chan) 中心，近100條生產(chan) 線，年加工激光拚焊板的能力達到6000多萬(wan) 片。隨著人們(men) 對節能減排及車身輕量化要求的不斷提高，一些新的車身輕量化技術也得到了迅速發展和應用，成為(wei) 激光拚焊可能的替代技術。

蒂森克虜伯公司新開發的鋼卷拚焊技術成功用於(yu) 汽車板生產(chan) 。過去，激光拚焊板技術僅(jin) 限於(yu) 生產(chan) 長3 m左右的鋼板，隨後還必須對鋼板進行剪切和激光焊接。鋼卷激光拚焊技術首次實現了拚焊產(chan) 品成卷供貨，采用該項技術的鋼卷拚焊生產(chan) 線可以將長達500 m的不同厚度（0.6-3.0 mm）、不同鋼種（碳鋼、不鏽鋼）和不同塗鍍層（熱鍍層、電鍍層或有機塗層）的帶鋼用激光焊機對焊起來，最大卷重可達到15 t。拚焊帶卷同拚焊板一樣，可用於(yu) 座椅導軌、座椅靠背和輪緣等，其優(you) 點是：提高焊接效率，降低重量，提高零件性能，降低零件整合時的成本。拚焊卷可采用如連續模、輥壓成型和多工位壓力機成形加工。

4、汽車車身激光焊接機器人係統

用於(yu) 汽車車身激光點焊、縫焊的激光焊接機器人係統，主要包括：激光器、高功率光纖耦合傳(chuan) 輸與(yu) 聚焦技術、6軸聯動數控機器人係統、焊縫位置跟蹤、激光柔性加工係統數控軟件、焊接夾具通配性、激光焊接工藝與(yu) 數據庫、焊縫質量在線監測等關(guan) 鍵技術。

華工激光和成焊寶馬開發的焊接係統中，預拚車身通過傳(chuan) 輸係統到達車身成型工位，同時車身識別係統切換地板定位夾具，降下落入的地板定位夾具中，4個(ge) 機器人同時抓舉(ju) 4套車身定位網架式夾具，在車身上進行裝配快速定位鎖緊；機器人通過工具切換係統，脫開定位夾具；夾具夾緊車身。機器人同時抓起焊鉗和其他幾個(ge) 機器人一起對車身進行焊接。焊接完成後，抓舉(ju) 機器人放下焊鉗，然後抓取定位夾具離開車身；車身升起，傳(chuan) 入下個(ge) 工位中；在4個(ge) 機器人的抓取範圍內(nei) 布置4套旋轉裝置，可儲(chu) 存夾具。每套旋轉裝置可分上下兩(liang) 層，每層可存儲(chu) 6套夾具。

圖2 車身激光焊接機器人係統

圖2所示為(wei) 係統組成。2套不同的地板沿X向水平切換可以實現2個(ge) 平台6種車型的生產(chan) 。而且由於(yu) 同平台多車型的B柱前部車身數據變化不大，車身後部的不同演變出不同車型，使導夾具的更換量更少，也更經濟。同時這種布置方式占地很小，可以為(wei) 汽車廠家節約更多的成本，提高汽車廠家的競爭(zheng) 力。

圖3 汽車白車身頂蓋激光焊接機器人

華工激光與(yu) DPCA（神龍汽車公司）W23項目合作開發，結合東(dong) 風汽車公司乘用車的實際生產(chan) 需求，製定汽車白車身頂蓋激光焊接方案，如圖3所示。激光焊接工位（AR13）由2個(ge) 機器人、1個(ge) 光纖激光器、送絲(si) 機、焊接頭、激光防護房、地板夾具組成。

工作時采用1個(ge) 機器人帶著激光焊接頭進行焊接。頂蓋夾具由機器人搬運，通過4個(ge) V型定位塊與(yu) 兩(liang) 側(ce) 定位支撐架配合，形成定位。定位支撐架上的四個(ge) 夾緊氣缸將頂蓋夾具夾緊。頂蓋夾具與(yu) 機器人之間包含快換裝置，可以多車型工裝切換。

5、汽車零部件激光焊接

采用大功率激光器配以相應的導光係統、機器人、工裝夾具、全自動上下料係統、控製係統等進行激光切割/焊接汽車金屬管類零部件、汽車變檔套、汽車儀(yi) 表板、汽車座椅調角器、汽車鈑金件等汽車零部件。

（1）汽車管類零件的激光在線高速焊接。通過高精密反射鏡將高功率激光束導向到不鏽鋼管縫上，產(chan) 生極高的焊接溫度，實現汽車管類零部件的拚材焊接。

（2）汽車變檔套的激光雙工位自動切割加工。以汽車變檔套為(wei) 應用對象，配以相應的導光係統、機器人、工裝夾具、上下料係統、控製係統等進行激光切割，在線生產(chan) 。

（3）汽車座椅調角器的激光全自動焊接。采用5000 W功率的激光器對調角器進行激光焊接，自動上下料係統，各製造單元有機集成，實現全自動化在線生產(chan) 。

（4）汽車儀(yi) 表板安全氣囊的激光弱化切割。采用激光加工的方法加工氣囊爆破處的弱化線，利用機器人抓取儀(yi) 表板相對與(yu) 激光束運動。通過編程控製使激光在儀(yi) 表板上打出係列微孔，形成弱化線，並實現全自動化在線生產(chan) 。

（5）汽車三維零件的激光切割。采用龍門固定倒掛機器人、光纖傳(chuan) 輸激光到切割頭、機器人進行控製對三維零件進行異形加工。該設備生產(chan) 的零件厚度為(wei) 0.5-3 mm，主要用於(yu) 汽車覆蓋件的切邊加工。具有方便三維零件的加工、投資成本低、使用成本維護低、操作簡單等特點。

（6）電動汽車電機扁銅線的綠光連續碟片激光焊接。通快的綠光連續碟片激光器TruDisk1020在高質量激光銅焊接工藝中具備明顯優(you) 勢。電動汽車的電機通常采用扁銅線，采用綠激光可有效提高焊接點麵積、增加強度、提高導電效率、節約成本。

6、結束語

汽車工業(ye) 的發展對車體(ti) 質量提出了更高的要求。激光焊接、切割技術不僅(jin) 在加工質量方麵優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統加工方法，而且生產(chan) 效率也得到顯著提高。激光焊接、切割技術發展到今天，已廣泛應用於(yu) 汽車製造等領域，起到了至關(guan) 重要的作用。隨著我國汽車工業(ye) 的升級換代，進一步發展高端激光器核心技術，包括高功率半導體(ti) 激光器、光纖激光器，是目前世界最新一代工業(ye) 和軍(jun) 用激光器的當務之急。發展新一代高功率、高穩定性、窄線寬、波長穩定的半導體(ti) 激光芯片以及萬(wan) 瓦級高亮度直接半導體(ti) 激光器，對於(yu) 打破國外關(guan) 鍵技術封鎖，提升我國激光產(chan) 業(ye) 整體(ti) 水平及核心競爭(zheng) 力，促進汽車產(chan) 業(ye) 的發展意義(yi) 重大。