激光拼焊技术及其发展状况
激光拼焊板的定义： 拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。经过冲压等工序后成为汽车的部件。 从20世纪80年代中期开始，拼焊板作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。拼焊板工艺主要是为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，拼焊板的使用有着巨大的优势。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于汽车车身的制造。1985年Audi车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术，近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。奔驰、宝马、通用等各大汽车生产厂相继在车身中采用了激光拼焊板技术。 冷轧钢板激光拼焊是一项高新技术，主要解决冷轧不能生产的超宽板以及不等厚板，目前主要应用在汽车门内板、底板、立柱等不等厚钢板的拼焊中。其工艺过程为先将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板，切成合适的尺寸和形状，然后激光焊接成一个理想的整体，即拼焊板。汽车制造商用这种拼焊板冲压成特定的零件装配汽车，以满足自己和消费者提高汽车产品质量、降低生产成本、减轻车重、减少油耗、保护环境等方面的多种需求。 激光拼焊板发展的四个阶段： 一、开始阶段，大众公司1985年超大板的需求促进了激光拼焊板的发展，随着新车型的发展，激光拼焊板得到了广泛应用。 二、成长阶段，随着激光焊接设备的不断改进，激光拼焊板应用和数量在不断增加,尽管突然大量应用激光拼焊板对汽车制造商来说还难以接受，因需要而在技术上获得了激光拼焊的经验。Golf4就应用了19 块激光拼焊板。三、成型阶段，一些汽车制造商引进激光拼焊板使得其竞争对手开始评估激光拼焊板的优点和缺点，1998年开始，其他的汽车厂商开始使用或计划使用激光拼焊板。四、提高复杂性，应用高端的激光焊接技术可以生产更复杂更大的零件. 现代汽车特别是下一代汽车，将会大量使用激光拼焊的冷轧薄板，最高的比例可能会达到全部用板量的40%以上，其中有差强度拼焊、差厚度拼焊和差钢质的拼焊等。拼焊板是将几块不同材质、不同厚度和不同涂层的钢材用激光把边部对焊，焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求，再经过冲压等工序后成为汽车的部件。激光拼焊可以最大限度地减少汽车零件数量、减轻汽车重量、优化零部件的公差和降低成本，同时又可保证汽车的性能，代表了汽车新技术的发展方向。绝大部分先进车型的车门内板、升降台、车底板和侧梁等都采用了激光拼焊板。 从20世纪80年代中期开始，拼焊板作为新技术，在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注。拼焊板工艺主要为汽车行业进行配套服务，尤其在车身零部件生产、制造和设计方面，使用拼焊板体现出巨大的优势。目前，无论实验室还是汽车制造厂的实践经验，均证明了拼焊板可以成功地应用于制造汽车车身。 1985年奥迪车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在制造车身时大规模使用激光拼焊板技术，近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。奔驰、宝马、通用等各大汽车生产厂相继在车身中采用了激光拼焊板技术。 一、汽车激光拼焊板的应用领域 冷轧钢板激光拼焊主要解决冷轧无法生产的超宽板以及不等厚板，目前主要应用在汽车门内板、底板、立柱等不等厚钢板的拼焊中（见图1）。其工艺过程为：先将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板，切成合适的尺寸和形状；然后激光焊接成一个理想的整体，即拼焊板。图2为激光拼焊板的生产流程。汽车制造商用这种拼焊板冲压成特定的零件装配汽车，以满足自己和消费者提高汽车质量、降低生产成本、减轻车重、减少油耗、保护环境等多种需求。 二、激光拼焊板的优势 传统工艺条件下，汽车各种部件的制造是由各种小的冲压零部件点焊制成。而采用了激光拼焊新技术后，则改成先将不同强度和不同厚度的板材冲裁、焊接成整体毛坯，然后进行整体冲压成形。激光拼焊产品的经济技术优势表现在能显著降低了轿车产品的制造成本，并有效提高了轿车产品的各项性能，为新型轿车设计及制造工艺的发展指明了方向。世界激光拼焊市场自1996年进入高速发展期。在轿车市场占主导车型的紧凑型轿车和中型轿车的设计上，激光拼焊制造工艺的优越性体现得更加突出，采用的激光拼焊加工部件越来越多。 利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，主要体现在以下六个方面： 1、减轻车身重量 在汽车结构件的应用中，使用激光拼焊板，就不必使用多余加强件，从而降低整体车身重量。通过在一块钢板中，不同材料和厚度的组合可以大大简化整体车身的结构。 2、减少汽车零部件数量 提高轿车车体结构精度，可以缩减许多冲压设备和加工工序。通过使用激光拼焊技术，将材料的强度、厚度进行合理组合，可大大改善结构刚度。 3、原材料利用率提高 通过在结构件的特定部位有选择性的使用高强、厚材料，从而使材料的利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术，将各种各样的钢板得到合理组合，从而大大降低材料工程废料率。 4、结构功能提高 通过使用激光拼焊技术，将材料强度、厚度得到合理组合，使结构刚度得到提升，结构的抗腐蚀性能也得到提高。同时，对于有碰撞要求的部位，通过使用高强钢或厚板；而在要求低的部位，使用低强钢或薄板，从而大大提高了汽车零部件抗碰撞的能力。与传统点焊工艺相比，使用激光拼焊板的冲压件，大大提高尺寸和形状精度，使车身的装配精度得到改善，这将降低汽车噪声和整体装配缺陷。 5、为生产宽体车提供可能 由于受钢厂轧机宽度的限制，钢厂提供的板宽有限。随着汽车工业的发展，汽车对宽板的需求却日趋紧迫，采用激光拼焊不失为一种有效而经济的工艺方法。ULSAB项目于1998年生产出样车，在这一超轻型车上运用的拼焊板零部件数量达到16件，约占车身重量的45%。由于通过采用拼焊板技术，使车身零件数量约减少25%、抗扭刚度提高了65%、振动特性改善35%，并且增强了弯曲刚度。 6、增加产品设计灵活性 一个零件，如果某一部分需要提高强度，则这部分的厚度也相应增加。对产品的设计者而言，在设计时只需提高某个部分的强度和厚度即可，而不需要增加整个零件的强度和厚度。 三、激光焊接的特性 激光（受激辐射光）最基本的特点是：单色性、方向性、相关性。这些独特性质加上由此而来的超高亮度，超短脉冲等性质，使它与现代工业紧密结合，这些特质非常适合焊接加工。激光焊接有许多优点。其突出优点在于，高熔点金属或两种不同金属的焊接，而且光斑小，热形变小，还可对透明外壳内的部件进行焊接，适于实现自动化。激光器一般按产生激光的工作物质不同来分类，主要有半导体（GaAs,InP 等）激光器、固体（Nd:YAG 等）激光器、气体（CO2、He-Ne 等）激光器、液体（可调谐染料等）激光器、化学激光器、自由电子激光器等。其中以气体或金属蒸汽为发光粒子的气体激光器，是目前种类最多，激励方式最多样化，激光波长分布区域最宽，容易实现大功率连续输出，也是应用最广泛的一类激光器。固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质，其浓度比气体大，因而可以获得更大的激光能量输出，具有能量大，峰值功率高，机构紧凑，牢固耐用等特点。在激光焊接中主要采用这两种受激物质的激光器。这里采用的是固体（Nd:YAG 等）激光器。 四、激光拼焊板的发展阶段 1、开始阶段。1985年超大板的需求促进了大众公司激光拼焊板的发展。随着新车型的发展，激光拼焊板得到了广泛应用。 2、成长阶段。随着激光焊接设备的不断改进，激光拼焊板的应用和数量不断增加。尽管突然大量应用激光拼焊板，对汽车制造商来说还难以接受，然而却在技术上获得了激光拼焊的经验。例如：大众汽车公司的第四代Golf就应用了19块激光拼焊板； 3、成型阶段。随着一些汽车制造商引进激光拼焊板，促使竞争对手开始评估激光拼焊板的优缺点。1998年开始，全球主要汽车厂商开始使用或计划使用激光拼焊板。 4、提高复杂性。应用高端的激光焊接技术可以生产更复杂更大的零件。 世界汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产。安赛乐米塔尔公司在激光拼焊领域经过十几年的研究和发展，现激光拼焊生产线已达到35条，其产品在欧洲市场占有率超过50%，成为当今世界规模最大的钢铁巨头。欧洲许多冶金公司也都在生产这种拼焊板。其中，意大利Sollak公司在不断扩大产能，其子公司Solblank公司已经投入了14条生产线，而且还准备在英国及美国建立4条激光拼焊线，每条的产能将达到2万t/a。 一些大型冶金联合企业也正在加快在其他国家组建合资公司的步伐。德国蒂森克虏伯钢铁公司已经在印度尼西亚及美国建立了合资公司，主要为卡迪拉克轿车新车型提供激光焊接车门及其他板件。英国工业集团建成了好几个冶金产品客户服务中心，其中包括能向汽车制造商提供拼焊板加工中心，而且产能达到了12.5万t/a，并向土耳其丰田汽车公司提供拼焊板。美国及日本也都建立了类似的独立的专门公司。西欧生产的拼焊板占世界总产量的70%，美国生产的占20%，日本生产的占10%，其中每年由装配－焊接流水线生产的大约有2.9亿件，由单个机床及成套设备生产的有1亿件。 五、激光拼焊板的分类 从生产技术进行分类，拼焊板分为普通拼焊板、工程拼焊板和补片拼焊板。普通型拼焊板（TB）以线性拼焊为主，沃尔沃车中拼焊板占白色车体21%。工程拼焊板（TEB）的焊缝以非线性焊缝为主，由于焊缝形状不受限制，因而可以用较厚和强度高的钢板，使零件性能和材料利用达到最佳化。补片型拼焊板是通过电阻点焊将所需形状“补片”固定在母板上。一种补片型拼焊板先用少量焊点将补片定位，成型后再追加点焊，使其达到最佳连接强度。另一种作法是拼焊板在成型前采用大量焊点，避免二次补焊。 蒂森克虏伯公司开发了带卷拼焊新技术，可以将不同厚度、不同钢种和不同涂层的长达500m的成卷带钢用激光拼焊起来，用于汽车零件加工，最大卷重15t。带卷拼焊初始钢板厚度为0.3～3.0mm，涂层有热镀、电镀或有机涂层。主要试验钢种有DP600（双相钢）、DP800、CPW1006、MSW1200组合拼焊板。 德国蒂森克虏伯钢铁公司自1985年开始生产拼焊板以来，在技术上一直处于世界领先地位，并以独资和合资形式向各国拓展业务。2002年武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊板有限公司成立。2004年宝钢与安赛乐（上海），2005年鞍钢与蒂森克虏伯（长春）均成立公司，生产的拼焊板可以方便地供给汽车厂。目前中国拼焊板生产能力已达到600万片/a左右，未来几年内将达到1300万片/a以上。 六、激光拼焊局限性 在工业应用中，激光焊接的工艺控制非常关键。主要在于：待焊工件的精度、工件焊接组合的重复定位与夹紧精度有一定限度，焊接前的间隙必须控制在一定精度内。对于有些焊接形面，激光聚焦点跟踪整个焊接缝隙轨迹（长度可达2m以上）的精度要求不超出激光光束直径的10%；有时待焊工件表面会有金属涂层（如镀锌板），而金属涂层常常会造成焊接气孔。在汽车工业中的大批量生产应用中，激光焊接多采用“深入焊”或“透焊”工艺。但是，即便对焊缝间隙控制得再好，也无法避免出现焊接缺陷。从表面来看，焊缝缺陷主要可分为两大类：焊缝几何表面缺陷和随机缺陷，前者一般通过对一段焊缝进行观察即可发现，而后者作为局部缺陷则常出现在不可预知的位置。此外，由于焊缝部位的硬化，给后序的冲压过程带来一定挑战。 不等厚钢板激光拼焊技术属国际先进技术。焊件优点是可以降低整车的重量和成本，提高整车的碰撞性能。该技术在国内尚属新工艺，激光的空间控制性和时间控制性优越，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为汽车制造业生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。
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