當前，盡管激光焊接已經深入汽車製造領域，比如在車身、車門、副車架、電機殼體(ti) 、動力電池模組和電池包上都有應用，但焊縫質量一直是實際應用中的難點。如何保證激光焊縫質量，就需要根據激光焊接的關(guan) 鍵特性，在產(chan) 品開發設計、工藝規劃、裝備設計及檢測過程，進行全過程管控。在本文中，筆者將以車身頂蓋與(yu) 側(ce) 圍機器人激光填絲(si) 焊接為(wei) 例，總結了從(cong) 設計、規劃、調試、測量、統計和批量生產(chan) 階段的全過程係統解決(jue) 方案。

焊接工藝問題的提出

國產(chan) 汽車上很少有激光焊接的應用，究其原因是汽車工程師對薄板件激光焊接沒有正確理解，設計的關(guan) 鍵特性無法滿足工藝要求，並且在衝(chong) 壓工序、焊接工序、關(guan) 鍵型麵檢測等環節上都缺乏有針對性的控製。比如當焊接裝配車身骨架時，側(ce) 圍焊接總成與(yu) 頂蓋總成的匹配間隙無法保證，造成燒穿、漏焊等重大缺陷，此時由於(yu) 缺乏有效對策，焊縫質量不能滿足整車強度、密封淋雨的要求，屬於(yu) 嚴(yan) 重質量缺陷。

圖 1：汽車產(chan) 品項目開發流程圖及應用工具

對此，筆者總結了目前車身激光焊接存在的問題，提出了車身機器人激光焊接全過程及係統性的解決(jue) 方案，通過幾何尺寸公差（GeometricDimensioningandTolerancing）規範產(chan) 品技術文件，明確關(guan) 鍵特性要求，並將關(guan) 鍵特性要求準確傳(chuan) 遞給產(chan) 品車身衝(chong) 壓及焊接工藝工程師、測量工程師，從(cong) 而規劃有效的工藝路線和工藝裝備，配置適宜的測量設備及檢具，確保激光焊接焊縫的質量符合工藝要求。

圖 2：頂蓋與(yu) 側(ce) 圍結構圖

汽車產(chan) 品的開發過程是一個(ge) 綜合複雜的項目，就車身激光焊接而言就涉及到產(chan) 品、模具、檢具、焊接夾具、測量係統等。IATF16949（原IS0/TF16949）質量體(ti) 係文件，將汽車從(cong) 項目啟動、開發設計、過程規劃、生產(chan) 調試及批量生產(chan) 、市場反饋及改進的五大階段進行了定義(yi) 闡述。

圖 3：側(ce) 圍工序圖

先期產(chan) 品質量策劃（AdvancedProductQualityPlanning）、失效模式及影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis）、測量係統分析（MeasurementSystemsAnalysis）、統計過程控製（StatisticalProcessControl）、生產(chan) 件批準程序（ProductionPartApprovalProcess），以此作為(wei) 汽車產(chan) 品開發流程指南。其中先期產(chan) 品質量策劃作為(wei) 項目管理（PM）總綱，定義(yi) 了各階段的具體(ti) 要求，筆者結合車身激光焊接的具體(ti) 案例進行分析總結。

車身激光焊接關(guan) 鍵控製點

決(jue) 定車身激光焊接質量的硬性因素包括：在產(chan) 品開發設計階段是依據產(chan) 品功能需求及關(guan) 鍵特性，確定頂蓋、側(ce) 圍、內(nei) 板及關(guan) 鍵的側(ce) 圍總成，車身骨架總成的幾何尺寸公差；在產(chan) 品工藝規劃階段是規劃激光焊接設備、車身鈑金件衝(chong) 壓模具、檢具及測量設備；在衝(chong) 壓工藝分析階段是結合“幾何尺寸公差”和“參考基準點係統”（ReferencePointSystem），規劃側(ce) 圍總成、車身骨架總成專(zhuan) 用焊接夾具、檢具及測量儀(yi) 器和設備。

圖 4：側(ce) 圍總成焊接關(guan) 鍵工序圖

另外，工程師還需要理解焊接位置的工藝補償(chang) ，克服衝(chong) 壓件自身的麵輪廓度公差和位置度公差，從(cong) 而實現模具精度、成本和焊接質量之間的最優(you) 平衡。

幾何尺寸公差在產(chan) 品設計的應用

針對頂蓋、側(ce) 圍兩(liang) 大車身外覆蓋件，關(guan) 鍵點是如何在三維或二維數據中定義(yi) 形位公差，通過參考基準點係統定義(yi) 合適的產(chan) 品公差，並統一前後工序的定位基準。筆者在試驗時，結合了設計失效模式及後果分析（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），梳理了關(guan) 鍵技術和質量特性，並結合測量係統分析，提出產(chan) 品試驗驗證及測量檢測要求。其中，最重要的是設計型麵公差，並將其準確傳(chuan) 遞給工藝和測量工程師。接下來，筆者以側(ce) 圍為(wei) 例說明。

現在有工程師會(hui) 采用標注線性尺寸公差的方式，這樣做無法滿足車身激光焊接的匹配精度要求。對於(yu) 型麵公差要求為(wei) ±0.5mm，以Y方向坐標為(wei) 例，側(ce) 圍Ysb=620±0.5mm、頂蓋Yroof=620±0.5mm，最大間隙誤差Tmax=(YsbmaxYroofmin)=(620.5-519.5)=1mm>0.35mm。因此，激光填絲(si) 焊接隻會(hui) 偏向一側(ce) ，無法形成完整焊縫，另一側(ce) 因為(wei) 沒有焊絲(si) 填充，會(hui) 形成空腔。最大幹涉誤差Tmin=(Ysbmin-Yroofmin)=(519.5-620.5)=-1mm<0.00mm，側(ce) 圍與(yu) 頂蓋在裝配過程就會(hui) 發生擠壓幹涉，激光光斑有可能直接擊穿頂蓋或側(ce) 圍。

理解產(chan) 品關(guan) 鍵特性和工藝過程關(guan) 鍵特性

對於(yu) 車身X、Y、Z坐標係，依據參考基準點係統側(ce) 圍基準孔是A、B、C，其中基準孔A是第一基準，基準孔B是第二基準，基準孔C是第三基準。在保證前後窗框、前後門框的基礎上，筆者又增加了側(ce) 圍與(yu) 頂蓋搭接麵c-d的型麵要求，其公差要求也更嚴(yan) 格。

圖 5：鋁板模組激光焊接

從(cong) 產(chan) 品失效模式和失效分析判定（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），±0.5mm的型麵公差將無法保證焊縫質量，頂蓋與(yu) 側(ce) 圍焊接處會(hui) 漏水。2004年筆者所在的團隊在對後行李箱蓋做激光填絲(si) 焊接時，就因為(wei) 在沒有定義(yi) 好公差、模具設計製造、調試、檢測、測量延續電阻焊搭接工藝之前就進行了產(chan) 品定義(yi) 和工藝開發，最終隻能通過TIG焊彌補焊接缺陷。

為(wei) 了解決(jue) 這一問題，筆者在後期的工藝開發過程中結合傳(chuan) 統尺寸公差，延伸了一個(ge) 補充定義(yi) ，型麵公差在±0.5mm的基礎上增加了極差R的約束，即當公差為(wei) ±0.5mm時，規定激光焊接搭接型麵的極差控製在0.15mm以內(nei) 。待模具製造完成後，筆者對零件掃描檢查，對型麵偏差進行統計分析。結果顯示，例如當型麵偏差75%的尺寸偏差集中在+0.4mm，那麽(me) 偏差在-0.5mm，-0.2mm，+0.2mm之類的離散偏差就對模具進行修正，通過焊裝夾具的定位調整進行位置度補償(chang) ，從(cong) 而保證焊縫質量。

如果采用線性尺寸公差控製，雖然型麵尺寸公差符合檢具要求，但實際在裝焊匹配時，零部件搭接間隙均勻性和一致性的表現不理想，有些間隙甚至超過2mm。以前激光功率偏小，激光焊絲(si) 不超過1mm，經常會(hui) 出現單邊焊不上的嚴(yan) 重缺陷。

2010年左右，筆者在進行高倍聚光模組高強度鋁板的機器人激光焊接時，根據尺寸公差要求，考慮了衝(chong) 壓單件的搭接麵的極差控製，使焊接質量基本得到保證。

隨著對激光焊接應用和研究的深入，我們(men) 導入了先期產(chan) 品質量策劃和幾何尺寸公差規範，優(you) 化了項目開發流程，將產(chan) 品、工藝、裝備、設備、質量和測量工程師組成了緊密的合作團隊。對於(yu) 產(chan) 品公差，筆者通過幾何尺寸公差進行了準確定義(yi) ，根據產(chan) 品關(guan) 鍵特性要求製定衝(chong) 壓檢測、焊裝總成、焊裝匹配檢測的規範，在車身骨架裝配焊接匹配、檢測上引入麵輪廓度複合公差。這樣一來，產(chan) 品要求、製造工藝、測量方法和技術就建立在統一的基準之上。

激光焊接存在的問題

激光填絲(si) 時的激光光斑為(wei) 0.5mm，熱影響區小，易於(yu) 控製焊接變形，焊接效率高，特別適合頂蓋和側(ce) 圍焊接。但目前模具、夾具、檢具及測量方法缺乏全過程的係統性解決(jue) 方案，主要問題有產(chan) 品設計標準與(yu) 模具設計規範、製造及調試精度不匹配；模具設計標準、補償(chang) 與(yu) 檢具設計及測量關(guan) 鍵型麵不匹配；測量技術及設備沒經過全麵測量係統分析；模具、檢具、夾具設計、製造和匹配調試過程中，參考基準點係統缺乏延續和繼承，局部基準和係統基準的包容、約束、邏輯關(guan) 係及累計補償(chang) 關(guan) 係缺乏理解；在後期調試中，沒有充分利用測量數據，進行統計分分析。

導入先期產(chan) 品質量策劃等五大工具

無論是模組、後行李箱蓋、車門飛行焊接，還是車身激光填絲(si) 焊接，一直是困擾自主車企焊接的難題。2015年底，筆者所在的車企開發了一款車型，並決(jue) 定車身頂蓋與(yu) 側(ce) 圍采用激光填絲(si) 焊接。為(wei) 此筆者成立了一個(ge) 攻關(guan) 小組，根據先期產(chan) 品質量策劃要求，運用幾何尺寸公差、車身尺寸工程、產(chan) 品失效模式和失效分析判、潛在失效模式及影響分析（PotentialFailureModeandEffectsAnalysis）、測量係統分析、統計過程控製等工具，就產(chan) 品設計標準、模具工藝構件圖及計算機輔助工程分析（ComputerAidedEngineering），利用測量係統分析現有的檢具設計標準能否滿足幾何公差要求，測量設備能否實現“0.01級別”的測量要求。

在試生產(chan) 和批量生產(chan) 時，關(guan) 鍵點是如何利用“統計過程控製”工具，搭接間隙位置度和麵輪廓度的一致性和穩定性。在2017年底推出的一款SUV車型上，筆者所在的技術團隊對每個(ge) 環節進行了有效控製和測量驗證，經過對20輛車身的焊接調試，成功地焊接出完美的激光焊縫。

為(wei) 了確保焊縫質量，就需要基於(yu) 產(chan) 品關(guan) 鍵特性，保證頂蓋與(yu) 側(ce) 圍搭接麵（長度2200mm）輪廓度之間匹配間隙（0.1mm-0.35mm）的要求。筆者所在的團隊研究編製了側(ce) 圍、側(ce) 圍總成及車身骨架總成失效模式及影響分析文件，作為(wei) 模具設計、檢具設計、夾具設計、測量儀(yi) 器配置的指導性文件。

接下來，筆者結合潛在失效模式及影響分析、測量係統分析和統計過程控製，說明事先進行衝(chong) 壓工序分析對焊接工藝有著重要作用。潛在失效模式及影響分析結果顯示，側(ce) 圍型麵變形導致側(ce) 圍與(yu) 頂蓋焊接時超差，焊縫不連續和漏水。

接下來進行的是測量係統分析，掃描結果顯示仿形高強度鋁合金測量塊可移動；用0.01mm塞尺進行常規檢查；在調試階段移動全型測量塊，在檢具上將零件壓緊，用三維掃描設備進行掃描。

最後進行的是測量數據統計分析，統計圖表是把收集的製程巡檢數據依據統計學公式計算控製上、中、下線控製圖表，然後再把巡檢收集來的製程巡檢數據，描點在控製圖表上確認在工藝合格的區間內(nei) 。

基於(yu) 統計學的概念得出產(chan) 品性能指數（PPK）和工序能力指數（CPK），之後在批量生產(chan) 中綜合“人、機、料、法、環、測”等主因素的數據，用來指導後續的調整和改進工作。

激光焊接設備及參數分析

車身激光填絲(si) 焊接，利用激光光束作為(wei) 熱源，聚焦後的光束照射在填充的焊絲(si) 表麵上，焊絲(si) 在光束能量持續加熱下融化形成高溫液態金屬，液態金屬浸潤到零件表麵連接處，形成良好的冶金結合。需要注意的是，激光填絲(si) 焊接工件間的連接是通過釺料融合金屬形成的，母材不應該被激光熔化。

經過研究，筆者發現提升機器人激光焊接質量的條件有：夾具定位滿足焊縫的重複精度在±0.35mm，夾具夾緊後的間隙需穩定並小於(yu) 0.35mm，送絲(si) 速度誤差需要穩定在±0.3m/min，機器人激光焊接軌跡的重複精度在0.1mm。

頂蓋焊縫效果確認及在線實時監測

頂蓋激光焊接質量，在保證搭接麵間隙小於(yu) 0.35mm的前提下，基本保證激光焊接質量，若搭接處縫隙有稍微偏移，也可通過係統糾正焊縫軌跡，從(cong) 而保證焊接質量。

為(wei) 預防批量生產(chan) 時發生質量問題，激光焊接房應配備激光在線實時檢測係統。該係統有以下幾個(ge) 作用：實時檢測搭接麵間隙，判斷搭接麵貼合處的坐標位置，實時檢測間隙是否超差，導致焊漏；檢測貼合麵與(yu) 激光焊接軌跡偏移，導致偏焊；檢測送絲(si) 係統是否正常送絲(si) ，有無卡絲(si) 現象。

一旦有異常發生，實時檢測係統會(hui) 將異常信息及時反饋給可編程邏輯控製器（ProgrammableLogicController）控製係統，停止焊接進行糾正。焊接完成後，實時檢測係統可以在20秒內(nei) 完成激光焊縫的外觀質量檢查，可以檢查0.2mm左右的微小氣孔、0.2mm左右的細小裂紋和其他缺陷，確保激光焊縫在經過塗裝處理後不存在任何漏水現象。

結語

目前，激光焊接在汽車製造業(ye) 已經得到了廣泛應用，為(wei) 了讓激光焊接更好地發揮作用，應當對激光焊接有正確認識。筆者結合車身頂蓋焊接、後行李箱蓋焊接、鋁合金副車架焊接、高倍聚光模組焊接的失敗和成功的經驗體(ti) 會(hui) ，認為(wei) 要想保證激光焊接的質量，首先需要保證衝(chong) 壓件、焊接分總成件及骨架總成件精度，實現激光焊接的高質量焊接搭接縫隙。

其中，確保焊縫間隙質量則需要有高效的團隊協作，團隊中的每個(ge) 成員需要深刻理解和熟悉產(chan) 品結構的關(guan) 鍵特性、幾何公差、關(guan) 鍵工藝過程特性、測量方法和技術。另外，工程師需要重點關(guan) 注模具精度、檢具精度、夾具精度、測量係統的重複性和再現性。

隻有當項目管理到位，形位公差合理滿足產(chan) 品功能要求，設計、工藝、測量基準統一傳(chuan) 遞準確，製造工藝裝備可靠、工藝補償(chang) 有效，零部件精度符合公差要求，再配合實時在線監控，在每一步都做到位的情況下，車身機器人激光焊接焊縫質量才能達到理想效果。