【MFC推荐】激光加工在冲压工艺中的应用

激光相比其他工艺，优势在于能量集中，穿透能力强，加工效率高，但对前道工序要求高。激光焊对翻边尺寸的减重，在车门中的应用可减重8%。激光焊对产品结构设计方面的优化，可极大减少加工制造环节，减小冗余设计。目前，激光技术主要涉及汽车车身激光焊、热成形板切割、铝合金激光焊、塑料激光焊等。

图1 车身轻量化的设计思路历程

一、激光加工工艺

汽车板的激光焊接具有高能、高速、热影响区小和焊缝质量高等优点，且焊接精度高，零件变形小，并能显著提高车身的强度和刚度，已经在白车身的制造中得到广泛应用。

比如一汽大众所生产的奥迪、速腾、迈腾车型共采用激光焊缝1600余条，焊缝累计长度近70m，速腾白车身采用21台激光焊机，焊缝长度为9m，整车强度提高了30%。

1. 热成形技术及激光切割

随着汽车轻量化的发展，热成形工艺在汽车工业中的应用越来越广泛。

表1 普通热成形B柱与冷成形力学性能对比

如表1所示，热成形工艺将钢板的成形和热处理相结合，先奥氏体化然后再马氏体化，成形淬火后的零件，其强度和硬度大幅提高，屈服强度可达950MPa以上，抗拉强度可达1500MPa，是加热前的2~3倍。

硬度可达420HV，至少是加热前的2倍，但其伸长率大幅下降。由于热成形板的强度和硬度特别高，最高可达1 500MPa，所以普通的冲压设备难以加工，或者严重影响设备的使用寿命，对零件的产出效率也受到影响。

采用普通热切割或者线切割，要么热影响区比较大，切割质量无法达到要求，要么不适合加工复杂路径且效率低下。

而采用激光切割是一种高能束加工，本身是一种非接触式加工，不需要考虑材料的硬度，只需要保证材料有足够的吸光能力，通过对热成形板表面孔和周边轮廓的切割，很好的保证了产品的结构和尺寸，同时加工效率也特别高。

对于普通的平面结构，可以采用三维平面切割设备。对于结构复杂的设备，可以采用机器人激光切割；单机器人切割，切小圆的圆度难以保证，需要配置专业的三轴辅助切割；对于结构复杂，精度要求较高的零件，需要用到三维五轴激光切割设备。

图2 汽车热成形板应用结构说明

汽车上用于热成形加工的结构如图2所示，包括横向支撑梁、悬置固定架、门板加强筋、车顶侧梁、车窗加强筋、后保险杠、中立柱（B柱）、门槛、前立柱（A柱）、纵向承载梁、前保险杠以及地板通道等。

热成形工艺后，板材的强度显著提高，采用普通冲压工艺，难以达到传统冲压工艺的效果。通过三维切割，能够实现结构件外轮廓和内部孔的切割，非接触式加工，效率高、精度好、切面光滑且切割工艺稳定。热成形和配套的激光切割工艺，是一种只需改变材料工艺，就能达到减重的解决方案。

三维激光切割机切割B柱系统

法利莱解决B柱热成形件切割的方案如图3所示，一套完整的B柱切割，包括外轮廓和内部孔洞，50s内完成，精度可以控制在0.01mm。

2. 激光拼板焊

激光拼板焊（见图4）能够将不同强度等级、不同厚度、不同镀层的材料拼焊在一起（见表2），并进行整体冲压成形，可以优化选材，减少零件及模具，节约制造成本，同时还能提高零件整体刚度，提供更好的安全性能，是当前汽车轻量化的主要技术之一。

B柱激光拼焊系统

表2 激光拼焊汽车用钢的材料组合

激光拼焊板的特点（见图5）是焊接热输入高、无填料、无搭接、速度快、熔深大、变形小、热影响区小以及焊缝热影响区晶粒细化等。

图5 轿车前纵梁激光拼板改进说明

1）焊缝区的体积降低，不增加焊缝高度、接缝平整、几何形状热应力集中小。

2）焊缝热影响区狭窄，晶粒细小、焊缝强度高、对冲压成形特性影响较小。

3）焊接自动化，生产率高、生产工件整齐、质量一致。

4）采用在线检测，可保证焊缝的质量和几何尺寸的精确性，对每一片拼焊板可精确进行跟踪控制。

影响激光拼焊板质量的因素，主要包括对接间隙、激光光斑模式、激光功率、焊接速度以及气体保护等。

由于激光光斑直径一般小于0.5mm，如果对接间隙过大，则激光会直接穿透，不能对板料进行有效加热而导致焊接失败；同时，由于工装、夹具的影响，两片板料对接时会存在间隙。

以板厚t为参考，通过对DP600双相钢的等厚拼焊研究表明，当对接间隙<0.18t时，得到的焊缝无明显缺陷，当对接间隙<0.16t时，焊缝强度高于母材。在工程应用中，当t为0.5~3mm时，对接间隙应低于0.1t；当t为3~10mm时，对接间隙应低于0.05t。对于2mm厚的低碳钢，对接间隙应低于0.12mm。< span="">

3. 车门激光焊应用

车门激光焊结构如图6a所示，为窗框和内板的焊接，焊缝为红色线段示意，实物如右图6b所示。

6a 车门激光焊结构

6b 车门激光焊实物

图6c点焊和激光焊关于翻边结构对应的翻边结构宽度要求，激光焊翻边尺寸要求为6~8mm，点焊翻边尺寸要求为15~18mm。

图6 车门结构翻边尺寸设计对比（点焊与激光焊）

c）翻边结构宽度要求

采用激光焊代替点焊，就翻边尺寸，可以减少8~10mm，按车门，侧围总长度计算如下。

图7 侧围翻边尺寸的计算

单就计算侧围翻边尺寸缩短叠焊金属板焊接对轻量化的影响效果。计算结果：左右前后14 200mm 翻边长度×6mm 翻边减少量×2mm板厚，即总质量减少1.86kg，约减重4%。

图8 车门激光焊缝结构翻边对比（搭接和叠焊，结构和实物）

如图8所示，入口增大，以A柱为例，若由搭接改成叠焊，估算翻边尺寸减少12 mm 宽度和高度，最终减重约8%。

4. 铝合金激光焊

铝合金是目前轻量化的热门材料。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37%，悬挂装置的负荷降低18%，振动强度降低5%。

以下分别比较凯迪拉克CT6、奥迪A8、捷豹XFL、蔚来ES8及特斯拉Model S等车型材料占比、白车身质量以及相应车身连接工艺。

图9 凯迪拉克CT6车身结构

图10 奥迪A8车身材料应用情况

图11 特斯拉Model S钢车身和铝车身质量对比

另外，就特斯拉Model S铝合金占比达61%提升到90%时，车身质量由原来的450kg下降到338kg，减重112kg，减重比例达到25%。

德国大众全铝结构Audi A2轿车上，激光焊缝的长度30m；其多功能轿车车身上更是大量使用激光焊接技术，总长度达到41m。

车身结构采用铝合金激光焊，主要集中在顶盖与侧围，后盖外板上下板之间的连接，另外也包括一些车门内板和加强筋，侧围内外板等。

主要应用的材料为铝合金5系（即5000，简称“5系”，下同）、6系，其力学性能优，焊接性能好；铝合金激光焊容易出现的缺陷，主要为气孔和裂纹，对于5系和6系，不填丝时采用摆动激光焊，填丝焊采用稳定光丝配合的激光头，并填充4系的丝能很好的解决焊缝成形和缺陷问题。

钢铝混合是一种可行的解决方案，钢铝的连接性，在轻量化推进过程中，也将越来越多地被应用到实际车身结构中。

表3 几种典型轻量化车型铝合金应用对比和连接工艺说明

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