前言

隨著全球?qū)��?jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān) 注 ， 汽車工業(yè)正面臨輕量化和綠色制造雙重挑 戰(zhàn)[1] 。在這一背景下 ，激光拼焊技術(shù)通過將不同材 質(zhì) 、不同厚度的板坯拼焊在一起 ，提高了材料利用 率及車身剛性 ， 降低了生產(chǎn)成本 ， 同時(shí)對(duì)環(huán)境友 好 ，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性 。這些顯著優(yōu)勢為汽 車制造領(lǐng)域提供了關(guān)鍵支持 。但激光拼焊過程中的 操作精度要求高 、焊接氣孔問題以及焊縫不一致性 等技術(shù)問題仍需解決 。激光拼焊過程中的操作精度 要求高 、焊接氣孔問題以及焊縫不一致性等技術(shù)問 題仍需解決。

本文將詳細(xì)探討激光拼焊最新研究進(jìn)展 ，分析 其在汽車輕量化中的應(yīng)用潛力 、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及 未來發(fā)展方向 ， 旨在為汽車制造業(yè)提供科學(xué) 、高效 的技術(shù)參考 ，助力汽車工業(yè)實(shí)際現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型 ，促進(jìn) 行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步及可持續(xù)發(fā)展。

01 激光拼焊概述

激光拼焊（Tailored Welded Blank， TWB）是  將不同材質(zhì) 、不同厚度 、不同沖壓性能 、不同表面  處理狀況和不同強(qiáng)度的板坯拼焊在一起 ，而形成一  塊整體板材 、型材和夾芯板等 。尚慶慧等[2]綜述了  雙相鋼激光拼焊技術(shù)的研究進(jìn)展 ，討論了其研究方  向：同質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊 、異質(zhì)等厚雙相鋼激  光拼焊及異質(zhì)不等厚雙相鋼激光拼焊 。在同質(zhì)等厚  雙相鋼激光拼焊領(lǐng)域 ，研究主要集中于焊接接頭宏  觀形貌 、微觀組織 、顯微硬度 、拉伸失效機(jī)制及沖  壓成形失效機(jī)制 ；在異質(zhì)等厚雙相鋼激光拼焊領(lǐng)  域 ，研究集中于焊縫區(qū)的力學(xué)性能 、顯微組織變化  及斷裂行為 ；在異質(zhì)不等厚雙相鋼激光拼焊領(lǐng)域， 研究集中在優(yōu)化工藝參數(shù)及沖壓成形性能上。

02 激光拼焊的特點(diǎn)

激光拼焊具有以下特點(diǎn)：（ 1）材料利用率高。可根據(jù)零件具體需求選擇材料進(jìn)行焊接 ，優(yōu)化材料選擇。（2）減小車身質(zhì)量 。在車身安全性能不變的  前提下 ， 采用厚度不同的材料可減小車身質(zhì)量 。（3）提高車身剛性 。增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)剛性 ，提升安全  性。（4）降低生產(chǎn)成本 。外圍加強(qiáng)件數(shù)量減少 ，裝  配步驟及工藝簡化。（5）環(huán)境友好 。產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活  度高 。XU T等[3]探索在激光焊接鋁合金過程中添加  微量碳納米管（CNTs）， 其雙重效應(yīng)提高了焊接接  頭強(qiáng)度 ， 降低了能耗 。基于高強(qiáng)度 2A12 鋁合金， 針對(duì)焊接表面進(jìn)行預(yù)處理 ，在焊接填充材料中引入  純 CNTs，通過激光焊接試驗(yàn)對(duì)比添加 CNTs 的激光  焊接（LC） 過程和傳統(tǒng)激光焊接（ LW）過程 。結(jié)  果顯示 ，相較于 LW過程 ，LC過程焊接效率提高了  33%，能耗降低了 33%。LC在減少材料消耗方面具  有顯著優(yōu)勢 。添加微量 CNTs 能在不犧牲焊接接頭  性能的前提下 ，實(shí)現(xiàn)鋁合金低碳、高質(zhì)量焊接。

激光拼焊需高精度裝配定位技術(shù) ，對(duì)操作人員 技術(shù)水平要求較高 。其焊接氣孔問題 ，需用精細(xì)工 藝控制及質(zhì)量檢測來解決 。BANG H S等[4]針對(duì)激光 焊接過程中預(yù)處理步驟控制鍍鋅鋼板孔洞生成 ，提 升焊接質(zhì)量 。他們對(duì) SGARC340鍍鋅鋼板利用部分 穿透模式下鋅層去除 、反向激光照射釋放殘留鋅及 預(yù)熱焊縫方式進(jìn)行預(yù)處理 ，然后在全穿透模式下采 用主焊接過程三步激光焊縫工藝對(duì)其進(jìn)行焊接 。焊 接過程中以氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體 ，采用連續(xù)波光纖激光 器 。結(jié)果表明 ，與傳統(tǒng)激光焊接相比 ，其減少了焊 接缺陷及飛濺 ，剪切-拉伸載荷增加了約 37% ，控 制了孔洞生成 ，提高了焊接接頭質(zhì)量。

激光拼焊板質(zhì)量影響因素包括：（ 1）焊接速  度 。其影響熱輸入量 ，進(jìn)而影響熔深及焊接質(zhì)量。（2）激光功率密度 。其過低或過高均影響焊接質(zhì)  量。（3）保護(hù)氣體 。惰性氣體 、O2 、CO2 等保護(hù)氣  體體積分?jǐn)?shù)影響焊接質(zhì)量。（4）工件表面與焦點(diǎn)位  置關(guān)系 。其影響焊縫成形。（5）材料特性 。材料的  電阻系數(shù) 、表面狀態(tài)及激光吸收率影響焊接效果。（6）接頭間隙 。裝配間隙大小與焊縫寬度 、焊接工  件熔深有關(guān)。（7）板材表面狀況 。水汽 、油污或雜  質(zhì)影響焊接質(zhì)量 ，需清潔板材焊縫表面。

激光拼焊板制造過程中 ，焊縫不一致會(huì)導(dǎo)致焊 縫強(qiáng)度不均勻分布及沖壓成形時(shí)變形失穩(wěn) 。陳東等[5]針對(duì)此問題展開研究 �；�于對(duì)焊前對(duì)接間隙實(shí)  時(shí)跟蹤測量 ，他們提出了動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法 。研  究表明 ， 間隙大小影響焊縫截面形狀 、熔化金屬體  積 ，通過分析偏移量 、間隙 、熔化寬度及板厚等參  數(shù)間關(guān)系 ，他們建立了動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。他們在全自動(dòng)激光拼焊設(shè)備上進(jìn)行焊接試驗(yàn) ，驗(yàn)證  了該方法可解決焊縫不一致的問題 ，提高了激光拼  焊板焊縫質(zhì)量 。FROSTEVARG J 等[6]致力于通過激  光重熔技術(shù)提升焊接質(zhì)量 。他們針對(duì)焊縫底部熔蝕  及焊縫根部輪廓進(jìn)行改善 ，采用 15 kW 的 Yb 光纖  激光器 ，通過300 mm焦距光學(xué)器件聚焦 ，將輸出功  率設(shè)為9 kW。焊接時(shí) ，焊接速度為 1.5 m/min，焊接  材料為 12 mm厚鋼制 Domex，保護(hù)氣體為 Mison18 （Ar體積分?jǐn)?shù)為 82% ，CO2 體積分?jǐn)?shù)為 18%）， 氣體  流速為 20 L/min。重熔過程用相同激光器及功率， 將焦點(diǎn)調(diào)至板材表面以上 45mm處 ，形成直徑為 5 mm 的激光斑點(diǎn) ，實(shí)現(xiàn)重熔 。研究結(jié)果顯示 ，激光  重熔顯著降低了焊縫頂部的熔蝕和根部的過度穿  透 ，改善了焊縫的表面輪廓 ，提升了焊接接頭的機(jī)  械性能和疲勞壽命 。靳陽等[7]對(duì)異強(qiáng)度雙相鋼激光  拼焊板沖壓開裂問題進(jìn)行分析 ，提出了相應(yīng)改進(jìn)措  施 。他們基于 AutoForm 軟件對(duì)前大梁零件沖壓成  形過程進(jìn)行模擬 ，探析了不同位置應(yīng)力和應(yīng)變的變  化規(guī)律及材料厚度減薄率情況 ，并在生產(chǎn)實(shí)踐中驗(yàn)  證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性 。研究發(fā)現(xiàn) ，焊縫處材料在  成形初期受成形力及壓邊力作用 ，在后期主要受到  雙相鋼位移產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用 ，這導(dǎo)致焊縫處材料厚  度減薄率及塑性應(yīng)變增大 ，材料發(fā)生開裂；優(yōu)化壓邊  力至 1 500 kN，可避免零件開裂 。魏敬丹等[8]針對(duì)高  斯熱源模型進(jìn)行有限元分析 ，運(yùn)用 APDL語言編程  實(shí)現(xiàn)移動(dòng)熱源加載 ，對(duì)鋁合金激光拼焊過程中的應(yīng)  力場變化進(jìn)行數(shù)值模擬 。在焊接過程中 ，焊縫區(qū)域  主要承受拉應(yīng)力 ，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域則逐漸過渡到壓應(yīng)  力狀態(tài) 。他們分析了激光功率和焊接速度對(duì)應(yīng)力場  的影響 。在激光功率為 3 000～4 500 W、焊接速度  為 2～4 m/min 的條件下 ，隨著激光功率的增加和焊  接速度的降低 ，焊縫附近的拉應(yīng)力峰值及其分布范  圍均有所增大 。王大偉[9]探討了汽車覆蓋板用鋁錳  合金薄板的激光焊接技術(shù) ，包括焊接工藝 、焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)及其性能 ，分析了鋁合金的種類 、焊接性能和用途 ， 以及鋁合金焊接過程中常見的問題 和缺陷 。他們進(jìn)行了鋁錳合金薄板的激光焊接工藝 試驗(yàn) ，確定了激光功率密度和焊接速度等關(guān)鍵工藝 參數(shù) ，成功實(shí)現(xiàn)了鋁錳合金薄板的激光焊接 。他們 對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了觀察 ，分析了焊接接 頭的力學(xué)性能 。結(jié)果表明 ，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá) 到母材的一定比例 ，但焊接接頭存在晶粒粗大 、氣 孔和熱影響區(qū)軟化等問題 。他們研究了軋制處理對(duì) 焊接接頭組織和性能的影響 。結(jié)果表明 ，軋制后焊 接接頭的抗拉強(qiáng)度得到提高 ，且接頭組織變得更致 密 ，氣孔缺陷減少。

03 激光拼焊的應(yīng)用

激光拼焊技術(shù)在汽車輕量化中應(yīng)用廣泛 ，主要  用于車身結(jié)構(gòu)件的制造 ，如車身縱梁 、地板 、車門  內(nèi)板 、風(fēng)擋玻璃框架 、骨架 、車身側(cè)框架 、輪罩  板 、 中間支柱（ B 柱）、 側(cè)圍和保險(xiǎn)杠等 。激光拼  焊板使用量大約占鋼制車身結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的 50%。激  光拼焊車門和內(nèi)板如圖 1所示。陳嘉玥等[10]針對(duì)新能  源汽車輕量化需求 ，開發(fā)了新型一體式激光拼焊熱  成形門環(huán)。該門環(huán)采用 1 000、1 500和2 000 MPa三  種強(qiáng)度熱成形鋼板 ，通過激光拼焊技術(shù)將不同強(qiáng)度  板料及補(bǔ)丁板集成 ，提升碰撞變形及吸能性能 。分  別對(duì)一體式激光拼焊熱成形門環(huán)及傳統(tǒng)沖壓焊接門  環(huán)進(jìn)行變形壁障及 25%偏置碰撞數(shù)值仿真分析 。結(jié)  果表明 ，相較于傳統(tǒng)門環(huán) ，一體式門環(huán)在 25%偏置  碰撞中側(cè)面變形侵入量減少了 14.4% ，在變形壁障  碰撞中的變形侵入量也優(yōu)于傳統(tǒng)門環(huán) 。在機(jī)械性能  測試中 ， B 柱上板 Patch 板抗拉強(qiáng)度達(dá) 1 878 MPa， 門檻加強(qiáng)板抗拉強(qiáng)度達(dá) 1 041 MPa， 同時(shí)韌性均較  優(yōu) 。在輕量化效果方面 ，整車質(zhì)量減小 10.146 kg， 材料利用率從 66.7%提至71.19%。沈怡等[11]對(duì)一體  式熱成形激光拼焊門環(huán)技術(shù)展開研究 ，結(jié)合熱成形  技術(shù)及激光拼焊 ，實(shí)現(xiàn)汽車門環(huán)成本降低 、結(jié)構(gòu)輕  量化及安全性能提升 。優(yōu)化后單側(cè)門環(huán)質(zhì)量減輕  2.82 kg，整車質(zhì)量減輕比例超過 18.6%。對(duì)比性能  顯示 ，一體式熱成形激光拼焊門環(huán)在模擬碰撞中鈑  金變形和侵入量更小 。A柱上鉸鏈及上儀表板位置侵入量分別下降 32.8 mm 和 15.6 mm，達(dá)到碰撞性 能目標(biāo)值。

雙相鋼激光拼焊技術(shù)面臨焊縫區(qū)的粗大 、過飽 和鑄態(tài)組織生成 、接頭軟化以及熱影響區(qū)軟化等問 題 ，這可能導(dǎo)致接頭性能降低 ，影響沖壓成形過程 中焊縫完整性及塑性成形性能 。未來應(yīng)改善雙相鋼 激光拼焊板接頭組織 、提高接頭強(qiáng)韌性以及深入研 究防止熱影響區(qū)軟化的方法。

04 結(jié)束語

本文分析了激光拼焊技術(shù)在提高材料利用率、 降低生產(chǎn)成本 、提升產(chǎn)品性能及促進(jìn)環(huán)境友好型生  產(chǎn)方面的優(yōu)勢 。深入探討了激光拼焊的最新研究進(jìn)  展及其在汽車輕量化中的應(yīng)用潛力和面臨的技術(shù)挑  戰(zhàn) 。激光拼焊技術(shù)具有材料利用率高 、減輕車身質(zhì)  量等優(yōu)勢 ，這使其在汽車制造中得到廣泛應(yīng)用 。但  焊接過程中的氣孔問題 、焊縫不一致性及對(duì)操作人  員技術(shù)水平要求高等問題仍需解決 。針對(duì)氣孔問  題 ，可優(yōu)化焊接參數(shù) ，如激光功率 、速度和焦點(diǎn)位  置及使用高質(zhì)量的保護(hù)氣體 。針對(duì)焊縫不一致性的  問題 ，可采用實(shí)時(shí)監(jiān)控和自適應(yīng)控制系統(tǒng) ，確保焊  接過程中的一致性 ，提高焊縫質(zhì)量 。針對(duì)對(duì)操作人  員技術(shù)水平要求高的問題 ， 可通過培訓(xùn)和技能提  升 ， 以及開發(fā)更自動(dòng)化的焊接系統(tǒng) ，降低對(duì)操作人  員技術(shù)水平的依賴 。未來將致力于開發(fā)更精細(xì)的工  藝控制方法并提升質(zhì)量檢測技術(shù) ， 同時(shí)探索新的焊  接材料及方法 ，提升焊接接頭性能和生產(chǎn)效率。

轉(zhuǎn)自：熱沖壓

來源：鋁加工

作者：劉帥；李明家；左子豪；石帥磊；田茂松

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