我們可以看到，汽車(chē)行業(yè)輕量化理念的推廣日益壯大。輕量化，是在保證汽車(chē)強(qiáng)度和安全性的前提下，盡可能地降低汽車(chē)整備質(zhì)量，減少油耗，降低污染的一種理念和方法。

除了節(jié)能環(huán)保，在駕駛體驗(yàn)方面，輕量化后汽車(chē)加速性能也得到提高，而且在碰撞時(shí)由于慣性小，制動(dòng)距離也減少。此外，車(chē)輛每減輕100公斤，二氧化碳排放可減少約5克/公里。因此，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的潮流。正如某汽車(chē)品牌所提出的觀點(diǎn)，“每一克，都意義重大”。

由于光纖激光器在高度自動(dòng)化、高度靈活化的生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要性逐步凸顯，激光方案覆蓋了汽車(chē)制造行業(yè)所有應(yīng)用領(lǐng)域。我們先來(lái)看看下面這篇在以通用汽車(chē)為代表的美國(guó)汽車(chē)工業(yè)中，鋁車(chē)身制造中的激光焊接應(yīng)用介紹。

凱迪拉克

為了使凱迪拉克重返世界頂級(jí)豪華品牌舞臺(tái)，使其成為同級(jí)別各品牌中最輕的轎車(chē)，通用汽車(chē)全力以赴，將13種材料使用于轎車(chē)車(chē)身上。而且，就像一位行業(yè)觀察家所說(shuō)，他們?yōu)榱藢X、碳鋼、鎂和塑料等不同材料一塊塊的拼接在一起，通用汽車(chē)采用了汽車(chē)行業(yè)最復(fù)雜、最先進(jìn)的復(fù)合材料制造工藝，使用28個(gè)機(jī)器人焊接汽車(chē)的內(nèi)外部車(chē)架。

圖1. 通用汽車(chē)2016款凱迪拉克CT6鋁合金車(chē)頂與車(chē)身采用激光器進(jìn)行焊接圖片來(lái)自：通用汽車(chē)

將光滑、輕量化的車(chē)身連在一起所采用的包括熱融自攻絲、自鉆鉚接、首次使用的鋁合金電阻點(diǎn)焊以及鋁合金激光焊在內(nèi)的工藝，也可能是未來(lái)美國(guó)汽車(chē)工業(yè)的連接技術(shù)策略（圖2）。通過(guò)這種材料工藝組合，與采用全鋼結(jié)構(gòu)的重量相比，通用汽車(chē)成功地將凱迪拉克CT6的重量減少了198磅（89.81 kg）。

 

圖2. 通用汽車(chē)采用鋼鋁合金、錳鋼等多種材料和特有的鋁合金電阻點(diǎn)焊和激光焊等多種工藝，將凱迪拉克CT6的重量減少了198磅（89.81kg） 圖片來(lái)自：通用汽車(chē)

2015年1月在底特律漢姆川克工廠投產(chǎn)的CT6，是迄今為止最受矚目的、加入輕量化潮流的車(chē)型。輕量化特別強(qiáng)調(diào)使用鋁合金取代碳鋼，并在很大程度上受到要求更為嚴(yán)格的、到2025年要達(dá)到油耗為54.5公里/加侖的聯(lián)邦乘用車(chē)碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的影響。

除了鋁合金車(chē)頂采用了激光焊接，據(jù)通用汽車(chē)先進(jìn)技術(shù)與焊接工程部經(jīng)理Elaine Garcia介紹，通用汽車(chē)還使用激光焊接轎車(chē)車(chē)門(mén)與行李箱蓋。“我們用激光焊接鋁合金車(chē)頂和行李箱蓋是因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的某種外觀，而且用激光焊接鋁合金車(chē)門(mén)是因?yàn)樗试S更短的焊接法蘭和更寬敞的車(chē)窗，”Garcia表示。阿帕小奇找到的下面的這個(gè)視頻，就展示了凱迪拉克在美國(guó)底特律工廠中CT6鋁合金頂棚與車(chē)身連接及后備廂蓋總成連接激光焊。 

就像許多對(duì)于哪種工藝將被競(jìng)爭(zhēng)者采用的爭(zhēng)議一樣，汽車(chē)制造商用哪種焊接工藝來(lái)制造更輕巧結(jié)實(shí)的汽車(chē)也要經(jīng)過(guò)再三考慮。這是工業(yè)激光器所面臨的要么捷足先登，要么被其他工藝，例如粘接或者點(diǎn)焊取代的重要時(shí)機(jī)。

 

圖3.通用汽車(chē)對(duì)凱迪拉克CT6采用了混合材料工藝，即用碳鋼、鋁合金和其他材料等多種材料組成轎車(chē)車(chē)身。圖片來(lái)自：通用汽車(chē)

鋁合金的使用——已經(jīng)在路上

鋁合金的重量大概是碳鋼的三分之一，然而它們的強(qiáng)度卻相似。據(jù)美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)的鋁運(yùn)輸部估計(jì)，用鋁合金替代碳鋼每減重10%，車(chē)輛油耗最高可節(jié)省7%。

盡管現(xiàn)在社會(huì)趨勢(shì)特別強(qiáng)調(diào)輕量化，“在汽車(chē)行業(yè)鋁合金不算新材料”，位于密歇根安阿伯的汽車(chē)研究中心總裁及CEO杰巴倫說(shuō)到。他指出，1923年福特推出了一輛鋁合金轎車(chē)，在60年代，汽車(chē)廠進(jìn)行了復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。到了70年代中期，汽車(chē)上鋁合金部件的重量還低于100磅（45.36 kg），而到了2013年該重量增加到350磅（158.76kg）。據(jù)2014年位于密歇根州特洛伊的德魯克全球的一項(xiàng)研究，到2025年汽車(chē)上的鋁合金重量被期望達(dá)到500磅（226.8 kg）。在很多領(lǐng)域，美國(guó)汽車(chē)工業(yè)剛剛開(kāi)始趕上歐洲同行。

與以前不同的是，巴倫說(shuō)，現(xiàn)在已經(jīng)加快使用鋁合金替代碳鋼了。這為激光器提供了機(jī)遇。近2年來(lái)，例如IPG Photonics的 CEO Valentin Gapontsev在季度電話(huà)會(huì)議中提到“汽車(chē)工業(yè)采用高強(qiáng)鋼和鋁合金生產(chǎn)輕量化汽車(chē)的趨勢(shì)推動(dòng)了光纖激光器的應(yīng)用。”

主要使用光纖激光器焊接CT6車(chē)身鋁合金的通用汽車(chē)，2013年才開(kāi)始在車(chē)身鋁合金上使用激光焊接。到現(xiàn)在，通用汽車(chē)已經(jīng)在多款車(chē)型，例如Cadillac Escalade（攀登者），Chevrolet Suburban（雪佛蘭巨無(wú)霸），Tahoe（太浩）,以及GMC Yukon（育空）也是用激光焊接鋁合金的，加西亞說(shuō)到。

圖4. 凱迪拉克CT6后備箱蓋上的激光鋁焊接焊縫 圖片來(lái)自：汽車(chē)之家

通常，汽車(chē)廠激光焊接主要用于懸架結(jié)構(gòu)，例如將車(chē)門(mén)和后蓋與白車(chē)身焊接在一起。凱迪拉克CT6的鋁合金頂棚與車(chē)身的連接以及后備廂蓋總成的連接就是采用了激光焊接工藝。

利用激光融化鋁材質(zhì)的釬料實(shí)現(xiàn)鋁板之間的連接。其中后備廂蓋的鋁激光焊接焊縫無(wú)需經(jīng)過(guò)打磨等處理就能夠進(jìn)行后續(xù)的涂裝作業(yè)，足見(jiàn)該焊縫表面的平滑程度。而頂棚與車(chē)身之間的鋁合金焊縫也無(wú)需打磨，僅需在涂裝前涂上一層膠液并刮平即可保證后續(xù)漆面涂裝質(zhì)量。

此外，整車(chē)廠最近開(kāi)始采用激光器焊接內(nèi)部構(gòu)件，例如鋁合金濾清器和操舵桿，以及電動(dòng)汽車(chē)電池的鋁合金外殼、銅極片等。

激光工藝 vs. 非激光工藝

有大量IPG Photonics的光纖激光器用于車(chē)身線焊/釬焊應(yīng)用。實(shí)際上，IPG在2015年5月投資者會(huì)議上闡述，他們相信光纖激光器焊接的市場(chǎng)機(jī)遇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切割市場(chǎng)的市場(chǎng)機(jī)遇。

IPGPhotonics對(duì)采用激光線焊機(jī)（LSS，一種集成激光焊接和工件夾持的機(jī)器人焊接工具，可瀏覽下方視頻）取代幾種汽車(chē)應(yīng)用中的電阻點(diǎn)焊工藝充滿(mǎn)信心。在某次季度電話(huà)會(huì)議上，ValentinGapontsev表示LSS能用于加工不同的材料，例如碳鋼、鋁合金、不銹鋼，而且焊點(diǎn)的強(qiáng)度是傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的兩倍。”

當(dāng)激光器開(kāi)始用來(lái)替代電阻點(diǎn)焊機(jī)的時(shí)候，“激光器的使用并沒(méi)有因鋁合金使用量的波動(dòng)而有大規(guī)模的波動(dòng)”，林肯電氣全球汽車(chē)事業(yè)部經(jīng)理蒂姆赫爾利表示。相反，“激光焊接開(kāi)始用于原可使用電阻點(diǎn)焊進(jìn)行的碳鋼部件的焊接。”他表示鋁合金的高導(dǎo)熱率以及電阻點(diǎn)焊會(huì)產(chǎn)生的痕跡給了激光焊接很大的機(jī)遇。然而，有時(shí)激光焊接的優(yōu)勢(shì)取決于被加工的合金，有一部分合金容易產(chǎn)生裂紋并需要填絲。

“憑借高速、低熱輸入和低變形率，以及應(yīng)用的整體靈活性，激光工藝成為汽車(chē)工業(yè)過(guò)去二十年中的關(guān)鍵組裝工藝，”里奇曼表示。“由于激光焊接的卓越焊縫質(zhì)量，它主要用于對(duì)外觀有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。”

當(dāng)鉚焊成為鋁合金部件焊接的熱門(mén)工藝時(shí)，巴倫說(shuō)他期待整車(chē)廠大幅減少對(duì)這些機(jī)械固定件的依賴(lài)。例如通用汽車(chē)就在CT6上成功的少用了約1800個(gè)鉚接點(diǎn)，通過(guò)焊點(diǎn)強(qiáng)度更高的激光焊接減少了4磅（1.81 kg）的重量。

“鉚焊會(huì)增加重量。激光焊不會(huì)增加重量，”巴倫說(shuō)道。

巴倫補(bǔ)充到，對(duì)激光焊接構(gòu)成最大威脅的鋁合金非激光焊接工藝，可能是越來(lái)越復(fù)雜、比點(diǎn)焊更好的粘接工藝。然而，加西亞說(shuō)到通用汽車(chē)更加信賴(lài)激光焊接，這部分減少或替代了粘接工藝或者線焊工藝。

艾瑞克斯泰爾斯，IPG Photonics中西部應(yīng)用經(jīng)理說(shuō)激光焊接還可以取代氣體保護(hù)金屬極弧焊。然而，這種工藝的熱輸入對(duì)于焊接更薄的板材來(lái)說(shuō)太高。激光焊接的其他機(jī)遇還來(lái)自于整車(chē)廠采用沒(méi)有法蘭或者使用更小法蘭的部件設(shè)計(jì)。 

 

“激”（機(jī)）遇開(kāi)放

“有些車(chē)廠在開(kāi)發(fā)激光焊接的潛力，以降低或消除車(chē)門(mén)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和護(hù)甲板設(shè)計(jì)中的鈑金焊接法蘭。在這些應(yīng)用中，激光焊接被用于取代在薄板裝配中內(nèi)外側(cè)板的傳統(tǒng)成型縫焊。如果成功，這可能會(huì)是未來(lái)激光焊接運(yùn)用中有更多潛力的應(yīng)用，”里奇曼說(shuō)到。

汽車(chē)零部件，例如車(chē)門(mén)，通常在對(duì)多層金屬板通電焊接的點(diǎn)焊工藝中對(duì)焊接法蘭加壓。采用激光焊接，例如CT6的車(chē)窗法蘭厚度為6 mm，而傳統(tǒng)的點(diǎn)焊車(chē)窗法蘭厚度為10-15 mm。當(dāng)全車(chē)身焊接法蘭都減小時(shí)，就會(huì)顯著降低車(chē)體的重量。加西亞說(shuō)激光焊接的線性焊縫允許更小的法蘭，而點(diǎn)焊的環(huán)形法蘭卻有5-7 mm大小 。

巨大的成本優(yōu)勢(shì)

鋁合金和激光器的成本影響了激光焊接在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用。過(guò)去10年4 kW激光器的價(jià)格下降了66.7%，而碳鋼的價(jià)格卻比鋁合金便宜1/3。而且鋁合金價(jià)格下降沒(méi)有激光器價(jià)格下降的多，從2006到2015年，鋁合金每噸的年度平均價(jià)格僅下降了12%。

巴倫說(shuō)，隨著汽車(chē)業(yè)務(wù)模式趨向于采用更多技術(shù)，“激光器注定會(huì)有更多機(jī)遇。”加西亞補(bǔ)充說(shuō)，通用汽車(chē)對(duì)激光器的使用率“取得增長(zhǎng)因?yàn)槲覀儗?duì)這種技術(shù)更加自信。”考慮到汽車(chē)及航空航天行業(yè)通常引領(lǐng)工藝趨勢(shì)，激光器廠商期待著制造商們加入輕量化技術(shù)的行列。而其他像汽車(chē)和航空航天這兩個(gè)對(duì)重量敏感的行業(yè)，許多企業(yè)則可以從鋁合金可帶來(lái)的減重中獲益。

“鋁合金有許多優(yōu)勢(shì)，從輕量化到防腐蝕，所以當(dāng)汽車(chē)行業(yè)中鋁合金的使用增加時(shí)，必然會(huì)給其他工業(yè)帶來(lái)機(jī)遇。”IPG Photonics的斯泰爾斯說(shuō)到。
（IPGB基于James Schlett 撰寫(xiě)文章綜合整理）