我們可以看到，汽車行業(yè)輕量化理念的推廣日益壯大。輕量化，是在保證汽車強(qiáng)度和安全性的前提下，盡可能地降低汽車整備質(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，輕量化后汽車加速性能也得到提高，而且在碰撞時(shí)由于慣性小，制動距離也減少。此外，車輛每減輕100公斤，二氧化碳排放可減少約5克/公里。因此，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的潮流。正如某汽車品牌所提出的觀點(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制造行業(yè)所有應(yīng)用領(lǐng)域。我們先來看看下面這篇在以通用汽車為代表的美國汽車工業(yè)中，鋁車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豪華品牌舞臺，使其成為同級別各品牌中最輕的轎車，通用汽車全力以赴，將13種材料使用于轎車車身上。而且，就像一位行業(yè)觀察家所說，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，通用汽車采用了汽車行業(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)器人焊接汽車的內(nèi)外部車架。

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

將光滑、輕量化的車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，也可能是未來美國汽車工業(yè)的連接技術(shù)策略（圖2）。通過這種材料工藝組合，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） 圖片來自：通用汽車

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)邦乘用車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的影響。

除了鋁合金車頂采用了激光焊接，據(jù)通用汽車先進(jìn)技術(shù)與焊接工程部經(jīng)理Elaine Garcia介紹，通用汽車還使用激光焊接轎車車門與行李箱蓋。“我們用激光焊接鋁合金車頂和行李箱蓋是因?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門是因?yàn)樗试S更短的焊接法蘭和更寬敞的車窗，”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底特律工廠中CT6鋁合金頂棚與車身連接及后備廂蓋總成連接激光焊。 

就像許多對于哪種工藝將被競爭者采用的爭議一樣，汽車制造商用哪種焊接工藝來制造更輕巧結(jié)實(shí)的汽車也要經(jīng)過再三考慮。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.通用汽車對凱迪拉克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車身。圖片來自：通用汽車

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)美國鋁業(yè)協(xié)會的鋁運(yùn)輸部估計(jì)，用鋁合金替代碳鋼每減重10%，車輛油耗最高可節(jié)省7%。

盡管現(xiàn)在社會趨勢特別強(qiáng)調(diào)輕量化，“在汽車行業(yè)鋁合金不算新材料”，位于密歇根安阿伯的汽車研究中心總裁及CEO杰巴倫說到。他指出，1923年福特推出了一輛鋁合金轎車，在60年代，汽車廠進(jìn)行了復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。到了70年代中期，汽車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，美國汽車工業(yè)剛剛開始趕上歐洲同行。

與以前不同的是，巴倫說，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，例如IPG Photonics的 CEO Valentin Gapontsev在季度電話會議中提到“汽車工業(yè)采用高強(qiáng)鋼和鋁合金生產(chǎn)輕量化汽車的趨勢推動了光纖激光器的應(yīng)用。”

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

圖4. 凱迪拉克CT6后備箱蓋上的激光鋁焊接焊縫 圖片來自：汽車之家

通常，汽車廠激光焊接主要用于懸架結(jié)構(gòu)，例如將車門和后蓋與白車身焊接在一起。凱迪拉克CT6的鋁合金頂棚與車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需經(jīng)過打磨等處理就能夠進(jìn)行后續(xù)的涂裝作業(yè)，足見該焊縫表面的平滑程度。而頂棚與車身之間的鋁合金焊縫也無需打磨，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，整車廠最近開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，以及電動汽車電池的鋁合金外殼、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身線焊/釬焊應(yīng)用。實(shí)際上，IPG在2015年5月投資者會議上闡述，他們相信光纖激光器焊接的市場機(jī)遇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切割市場的市場機(jī)遇。

IPGPhotonics對采用激光線焊機(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）取代幾種汽車應(yīng)用中的電阻點(diǎn)焊工藝充滿信心。在某次季度電話會議上，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)激光器開始用來替代電阻點(diǎn)焊機(jī)的時(shí)候，“激光器的使用并沒有因鋁合金使用量的波動而有大規(guī)模的波動”，林肯電氣全球汽車事業(yè)部經(jīng)理蒂姆赫爾利表示。相反，“激光焊接開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，激光工藝成為汽車工業(yè)過去二十年中的關(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工藝時(shí)，巴倫說他期待整車廠大幅減少對這些機(jī)械固定件的依賴。例如通用汽車就在CT6上成功的少用了約1800個(gè)鉚接點(diǎn)，通過焊點(diǎn)強(qiáng)度更高的激光焊接減少了4磅（1.81 kg）的重量。

“鉚焊會增加重量。激光焊不會增加重量，”巴倫說道。

巴倫補(bǔ)充到，對激光焊接構(gòu)成最大威脅的鋁合金非激光焊接工藝，可能是越來越復(fù)雜、比點(diǎn)焊更好的粘接工藝。然而，加西亞說到通用汽車更加信賴激光焊接，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于焊接更薄的板材來說太高。激光焊接的其他機(jī)遇還來自于整車廠采用沒有法蘭或者使用更小法蘭的部件設(shè)計(jì)。 

 

“激”（機(jī)）遇開放

“有些車廠在開發(fā)激光焊接的潛力，以降低或消除車門，發(fā)動機(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，這可能會是未來激光焊接運(yùn)用中有更多潛力的應(yīng)用，”里奇曼說到。

汽車零部件，例如車門，通常在對多層金屬板通電焊接的點(diǎn)焊工藝中對焊接法蘭加壓。采用激光焊接，例如CT6的車窗法蘭厚度為6 mm，而傳統(tǒng)的點(diǎn)焊車窗法蘭厚度為10-15 mm。當(dāng)全車身焊接法蘭都減小時(shí)，就會顯著降低車體的重量。加西亞說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

鋁合金和激光器的成本影響了激光焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。過去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，隨著汽車業(yè)務(wù)模式趨向于采用更多技術(shù)，“激光器注定會有更多機(jī)遇。”加西亞補(bǔ)充說，通用汽車對激光器的使用率“取得增長因?yàn)槲覀儗@種技術(shù)更加自信。”考慮到汽車及航空航天行業(yè)通常引領(lǐng)工藝趨勢，激光器廠商期待著制造商們加入輕量化技術(shù)的行列。而其他像汽車和航空航天這兩個(gè)對重量敏感的行業(yè)，許多企業(yè)則可以從鋁合金可帶來的減重中獲益。

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