激光制造技术在汽车行业的5大应用
发布时间：2019-11-01
作者：唐霞辉１，秦应雄１，钟如涛２
１华中科技大学激光加工国家工程研究中心
２武汉钢铁（集团）公司研究院
汽车工业的发展对车体质量提出了更高的要求。激光技术具有加工质量好，生产效率高等优点，在汽车制造应用中，起到了至关重要的作用。
１、引言
激光制造是中国制造２０２５发展战略的支撑技术。激光智能装备应用于航空航天、船舶制造、海洋工程设备、石油石化、国防等领域的大型装备制造，涉及激光焊接、切割、精密钻孔、刻线、表面改性、清洗、增材制造等工艺。汽车工业是激光加工应用最多的领域之一，欧美等工业发达地区中，５０％－７０％的汽车零部件使用激光加工技术制造。在工业发达国家中，全世界约有３万多台激光加工设备用于汽车工业，每年数以百计的激光加工机投入使用。我国汽车产业中激光技术应用市场巨大，经济效益不断上升。汽车行业中的激光加工技术主要有：激光切割、激光焊接、激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光打孔等。
２、激光切割与汽车板高速落料
汽车工业中，激光切割工艺采用大功率光纤激光器，以提高切割速度和切割质量。在汽车样车和小批量生产中则大量使用三维激光束切割机，对普通铝、不锈钢等薄板、带材的切割加工，其切割速度可达１０ ｍ／ｍｉｎ以上，大幅缩短了生产周期，比机械加工方式的加工费用减少５０％。激光切割和机器人技术的结合，使其功能得以更大地发展，特别是在车型不断变化的小批量生产中，激光切割和机器人技术结合更有其优越性。
汽车板落料生产线上，有一种传统的通用带料剪切设备叫做飞剪，通过在带料运动中进行跟踪剪切，大幅提高下料的速度，但由于切刀是直线的，只能得到矩形和梯形坯料，应用范围受到限制。而现有的激光切割设备，切割形状不受限，但在进行切割时板料都是静止的，进料和出料不能同时进行，影响了带料的处理速度。
激光切割落料线对上述两种设备的工作理念进行巧妙组合，即在带料运动中用激光切割机对其进行飞割（跟随切割），其目的是为了解决连续的金属和非金属带料的无模具快速下料问题，以降低下料设备的投资、模具消耗成本，并且有效提高材料的利用率。采用激光落料，无需制造模具，采用先进的排样软件及控制系统，产品规格形状转换迅速。对于今后高强汽车板，采用激光落料成为当务之急。
３、汽车板激光拼焊
激光拼焊技术（Ｔａｉｌｏｒ ｗｅｌｄｅｄ ｂｌａｎｋｓ，ＴＷＢ）应用于车身制造具有很多明显的优势。例如减轻车身重量、减少汽车零部件数量、提高原材料利用率、提高结构功能和安全性，为生产宽体车提供可能，增加产品设计灵活性等。图１所示为车身制造中所用的一些典型激光拼焊件。
图１ 激光拼焊件在车身制造中应用
德国Ｔｈｙｓｓｅｎ钢铁公司在２０世纪８０年代率先开始生产激光拼焊汽车板。目前全球已建有５００多条激光拼焊生产线，西欧生产的拼焊板约占世界总产量的７０％，美国约占２０％，日本约占１０％。随着国内汽车工业的高速发展，激光拼焊技术也得到了快速应用，目前，国内已有２０多家激光拼焊板生产中心，近１００条生产线，年加工激光拼焊板的能力达到６０００多万片。随着人们对节能减排及车身轻量化要求的不断提高，一些新的车身轻量化技术也得到了迅速发展和应用，成为激光拼焊可能的替代技术。
蒂森克虏伯公司新开发的钢卷拼焊技术成功用于汽车板生产。过去，激光拼焊板技术仅限于生产长３ ｍ左右的钢板，随后还必须对钢板进行剪切和激光焊接。钢卷激光拼焊技术首次实现了拼焊产品成卷供货，采用该项技术的钢卷拼焊生产线可以将长达５００ ｍ的不同厚度（０．６－３．０ ｍｍ）、不同钢种（碳钢、不锈钢）和不同涂镀层（热镀层、电镀层或有机涂层）的带钢用激光焊机对焊起来，最大卷重可达到１５ ｔ。拼焊带卷同拼焊板一样，可用于座椅导轨、座椅靠背和轮缘等，其优点是：提高焊接效率，降低重量，提高零件性能，降低零件整合时的成本。拼焊卷可采用如连续模、辊压成型和多工位压力机成形加工。
４、汽车车身激光焊接机器人系统
用于汽车车身激光点焊、缝焊的激光焊接机器人系统，主要包括：激光器、高功率光纤耦合传输与聚焦技术、６轴联动数控机器人系统、焊缝位置跟踪、激光柔性加工系统数控软件、焊接夹具通配性、激光焊接工艺与数据库、焊缝质量在线监测等关键技术。
４．１ | 汽车Ｂ柱激光焊接机器人 |
华工激光和成焊宝马开发的焊接系统中，预拼车身通过传输系统到达车身成型工位，同时车身识别系统切换地板定位夹具，降下落入的地板定位夹具中，４个机器人同时抓举４套车身定位网架式夹具，在车身上进行装配快速定位锁紧；机器人通过工具切换系统，脱开定位夹具；夹具夹紧车身。机器人同时抓起焊钳和其他几个机器人一起对车身进行焊接。焊接完成后，抓举机器人放下焊钳，然后抓取定位夹具离开车身；车身升起，传入下个工位中；在４个机器人的抓取范围内布置４套旋转装置，可储存夹具。每套旋转装置可分上下两层，每层可存储６套夹具。
图２ 车身激光焊接机器人系统
图２所示为系统组成。２套不同的地板沿Ｘ向水平切换可以实现２个平台６种车型的生产。而且由于同平台多车型的Ｂ柱前部车身数据变化不大，车身后部的不同演变出不同车型，使导夹具的更换量更少，也更经济。同时这种布置方式占地很小，可以为汽车厂家节约更多的成本，提高汽车厂家的竞争力。
４．２ | 汽车白车身顶盖激光焊接机器人 |
图３ 汽车白车身顶盖激光焊接机器人
华工激光与ＤＰＣＡ（神龙汽车公司）Ｗ２３项目合作开发，结合东风汽车公司乘用车的实际生产需求，制定汽车白车身顶盖激光焊接方案，如图３所示。激光焊接工位（ＡＲ１３）由２个机器人、１个光纤激光器、送丝机、焊接头、激光防护房、地板夹具组成。
工作时采用１个机器人带着激光焊接头进行焊接。顶盖夹具由机器人搬运，通过４个Ｖ型定位块与两侧定位支撑架配合，形成定位。定位支撑架上的四个夹紧气缸将顶盖夹具夹紧。顶盖夹具与机器人之间包含快换装置，可以多车型工装切换。
５、汽车零部件激光焊接
采用大功率激光器配以相应的导光系统、机器人、工装夹具、全自动上下料系统、控制系统等进行激光切割／焊接汽车金属管类零部件、汽车变档套、汽车仪表板、汽车座椅调角器、汽车钣金件等汽车零部件。
（１）汽车管类零件的激光在线高速焊接。通过高精密反射镜将高功率激光束导向到不锈钢管缝上，产生极高的焊接温度，实现汽车管类零部件的拼材焊接。
（２）汽车变档套的激光双工位自动切割加工。以汽车变档套为应用对象，配以相应的导光系统、机器人、工装夹具、上下料系统、控制系统等进行激光切割，在线生产。
（３）汽车座椅调角器的激光全自动焊接。采用５０００ Ｗ功率的激光器对调角器进行激光焊接，自动上下料系统，各制造单元有机集成，实现全自动化在线生产。
（４）汽车仪表板安全气囊的激光弱化切割。采用激光加工的方法加工气囊爆破处的弱化线，利用机器人抓取仪表板相对与激光束运动。通过编程控制使激光在仪表板上打出系列微孔，形成弱化线，并实现全自动化在线生产。
（５）汽车三维零件的激光切割。采用龙门固定倒挂机器人、光纤传输激光到切割头、机器人进行控制对三维零件进行异形加工。该设备生产的零件厚度为０．５－３ ｍｍ，主要用于汽车覆盖件的切边加工。具有方便三维零件的加工、投资成本低、使用成本维护低、操作简单等特点。
（６）电动汽车电机扁铜线的绿光连续碟片激光焊接。通快的绿光连续碟片激光器ＴｒｕＤｉｓｋ１０２０在高质量激光铜焊接工艺中具备明显优势。电动汽车的电机通常采用扁铜线，采用绿激光可有效提高焊接点面积、增加强度、提高导电效率、节约成本。
６、结束语
汽车工业的发展对车体质量提出了更高的要求。激光焊接、切割技术不仅在加工质量方面优于传统加工方法，而且生产效率也得到显著提高。激光焊接、切割技术发展到今天，已广泛应用于汽车制造等领域，起到了至关重要的作用。随着我国汽车工业的升级换代，进一步发展高端激光器核心技术，包括高功率半导体激光器、光纤激光器，是目前世界最新一代工业和军用激光器的当务之急。发展新一代高功率、高稳定性、窄线宽、波长稳定的半导体激光芯片以及万瓦级高亮度直接半导体激光器，对于打破国外关键技术封锁，提升我国激光产业整体水平及核心竞争力，促进汽车产业的发展意义重大。
