摘要：論述了先進的激光加工 ( 如激光三維切割、激光焊接、激光拼焊板和激光快速成形等 ) 技術在
國內外車身制造業中的應用情況、存在問題及關鍵技術。分析表明 , 車身制造中采用激光加工技術能大幅度提高生產效率 , 降低生產成本 , 縮短制造周期 , 增強企業的競爭力。

車身作為汽車上三大部件之一 , 已越來越受到重視。這不僅因為從質量上講 , 轎車、客車的車身已占整車的 40% ～ 60% , 貨車車身也達 20% ～ 30%；從制造成本來看 , 車身占整車的百分比還要超過這些數值的上限 。汽車車身的制造工藝相當復雜 ,其主要零部件由鋼板成形、焊接而成。傳統的制造工藝是在沖壓生產線上采用全模具成形 , 包括落料、沖孔、拉深和整形等。然后在車身裝配線上進行焊接等裝配 , 焊接大量采用懸掛式點焊機和焊槍。由于生產汽車車身用的模具結構較為復雜 , 其設計和制造周期較長 , 導致汽車產品的更新換代周期較長。為了能在激烈的市場競爭中把握商機 , 處于領先地位 , 世界各國的汽車制造廠家推出新車型的周期正在變得愈來愈短。為此，各汽車制造商在各自的汽車 ( 車身 ) 制造中 , 都積極引進和采用先進的加工技術。而大功率工業用激光器的出現則為汽車制造業提供了一種全新的裝備和加工工藝 , 大大提高了產品的更新換代速度 , 提高了市場競爭力。

1 　激光加工技術

1. 1 　三維激光切割

三維激光切割技術，由于其本身具有加工靈活和保證質量的特性，在80年代就開始在汽車車身制造中應用。切割時只需用平直的支撐塊來支撐工作。因此，夾具的制作不僅成本低而且快速。由于與CAD/ CAM 技術相結合 , 切割過程易于控制 , 可實現連續生產和并行加工 , 從而實現高效率的切割生產。

切割車身板材，所使用的激光器主要有兩大類，即 CO 2 激光器和 Nd: YAG 激光器，功率為 100 ～
1500W , 因為功率小于 1500W 的激光器其振動模式為單模 , 切縫寬度為 0. 1 ～ 0. 2mm , 切割面也很整
潔 ; 而輸出功率大于 1500W 時激光器的振動模式為多模 , 割縫寬度近 1mm , 切割面質量較差。因 Nd:
YAG 的激光可通過光導纖維輸送 , 比較靈活方便 ,適用于機器人手執激光“噴嘴”配程序控制進行精確操作 , 因此在三維切割時大多采用。

影響激光切割工件質量的主要因素有 : 切割速度 , 焦點位置 , 輔助氣體壓力 , 激光輸出功率及模式。當采用高功率 CO 2 激光器切割時 , 切割速度與材料厚度成反比 , 但在其它工藝參數不變的情況下 , 切割速度可以有一個相對調節范圍而仍能保持較滿意的切割質量。圖 1 示出了由上、下兩條曲線組合相應的切割速度允許的調節范圍。

圖 1 　切割速度 ———材料厚度經驗式示意曲線

美國福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日產等汽車公司，在汽車生產線上普遍采用激光切割技術它不必采用各種規格的金屬模具 , 除了快速方便地切割各種不同形狀的坯料外，還用來大量切割加工因規格不同需要更改的零件安裝孔位置 , 如汽車標志燈 , 車架 , 車身兩側裝飾線等。通用汽車公司生產的卡車 , 僅車門就有直徑為 2. 8 ～ 39mm 的20 種孔。公司采用 Rofin - Sinar 的 500W 激光器通過光纖連接到裝在機械手上的焊頭 , 用以切割這些孔 , 一分鐘就完成一扇門開孔的加工。孔邊緣光滑 ,背面平整 。

2.88mm 孔 的 公 差 在 + 0 . 0 3 mm ～+ 0. 08mm 之間 ;12mm 孔的公差在 - 0. 25mm ～+ 0. 03mm 之間。該公司生產的卡車和客車由 89種孔徑和孔位配置不同的底盤 , 經過優化設計 , 現在只需要沖壓 5 種不同的底盤 , 由激光切割配置不同的孔 , 簡化了工藝 , 提高了效率 , 降低了成本。

三維激光切割在車身裝配后的加工也十分有用 , 例如開行李架固定孔、頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、修改車輪擋泥板形狀等。在新車試制中用于切割輪廓和修正 , 既縮短了試制周期又省了開模具 , 充分體現出采用激光切割加工的優點。

1. 2 激光焊接

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一 , 自 1990 年豐田汽車公司首次將此技術應用于汽車車身制造以來 , 該技術在日本和歐美等汽車制造業中得到了廣泛的應用 , 通用、奔馳、大眾等汽車公司紛紛開發和應用激光焊接技術 , 并取得了顯著的經濟效益。

激光焊接的接頭形式與普通焊接相同 , 有對接、搭接、卷邊、角接、 T 字型等形式并能點焊。在汽車
制造中應用最廣泛的是對接頭形式。汽車車身裝配中激光焊接所用的激光器大多為 YAG 激光器。傳統的點焊是雙邊加工 , 把兩個焊頭夾在工件凸緣上進行焊接 , 凸緣寬度至少需要 16mm , 而激光焊是單邊加工 , 凸緣寬度可減少至 5mm , 從點焊改為激光焊 , 每輛車可節省鋼材 40kg 。不但省材料 , 還提高了工效 , 增加了汽車構件的強度。美國通用汽車公司用 3kW 光纖傳輸的連續 Nd: YAG 激光焊新型的Oldsmobile Aurora 車頂頂部 , 焊縫總長 2. 4mm , 焊速 4. 5m/ min , 每小時可完成 80 件。焊縫質地光滑 ,缺陷率低 , 每件費用僅 4. 1 美元。福特汽車公司用5m 長的光纖將 2kW Nd: YAG 激光傳輸到裝在IR761/ 125 形機器人的焊頭上 , 把車頂和門框焊在一起 , 焊兩層 0. 8mm 厚的鋼板 , 焊速達 2. 8m/ min 。卡迪拉克豪華車生產中用 2. 4kW 連續 Nd: YAG 激光焊車體鍍鋅部件 , 完全滿足生產率、經濟性和強度的要求。通用汽車公司制造工程主管 Frank A. Dip 2ietro 認為 , 如北美汽車制造商都采用激光加工工藝 , 每年可節省 10 億美元。

1. 3 　激光拼焊

激光拼焊是汽車車身制造業中最具潛力的激光加工技術。拼焊板（Tailor Welded Blanks）是汽車車
身設計制造中出現的一個嶄新的概念 , 可將不同厚度、材質、強度、沖壓性能和不同表面處理狀況的數塊板坯拼焊在一起 , 形成沖壓成形前的板料毛坯 , 然后壓制成所需的覆蓋件 , 如側圍、底板、內門板、支柱
等。這種板材的自由組合具有以下特點：

(1)減少零件數量。由于拼焊板可以一體成形 , 提高了車身的精度 , 減少了大量沖壓加工的設備和工序。

(2) 減輕結構件重量。由于采用不同鋼板拼接 , 對于易腐蝕的部位可采用涂鍍層鋼板以提高使用壽命 , 根據不同部位強度的要求 , 采用不同厚度的板料焊在一起 ,然后一次沖壓成形 , 而不再需要焊接加強筋。從而降低鋼材消耗和生產成本 , 減輕車身重量 , 最終降低汽車能耗。

(3) 提高結構件質量和可靠性 , 由于采用連續激光焊代替不連續的點焊、鉚接 , 車身的剛度和緊固性得到提高。

(4) 由于沒有搭焊處 , 可減少許多原來需要采取密封措施的地方 , 使防腐性和防銹性得到改善 , 也使車身結構大大簡化。板坯是在充分分析車身結構的基礎上優化部件設計 , 使之可以有少數幾種典型的坯板拼焊而成。一輛汽車的車身和底盤由 300 多種零件組成 , 采用拼焊板技術可使零件數量減少 66 % , 因此大大減少了模具數量 , 提高了材料的利用率。德國梯森公司的 Nothelfer 公司從 1986 年開始生產拼接板，

1987 年首次將拼焊的汽車底板應用于 Audi ,1988 年將其推入美國市場。目前該公司向歐洲各汽車廠 ，包括奔馳、大眾、菲亞特等提供各種規格的拼焊鋼板 , 占有歐洲 50 % 的市場份額。我國一汽 Audi100 所采用的底板均系該公司產品。日本豐田汽車公司的側圍生產線采用拼焊板后 , 模具由 20 副減少到 4 副 , 材料利用率由 40 %增加到 65 % 。過去內門板用 0. 8mm 的鋼板沖壓而成 , 為了鉸接和安裝反光鏡的需要 ， 必須焊上加強件。現采用 2mm 坯板和 0. 8mm 的坯板激光焊在一起 , 然后一次沖壓成形 , 每扇門重可減少1.35kg 。另外 , 日本本田、韓國大宇等也在為其豪華轎車生產線提供激光拼焊板。據估計 , 采用拼焊
板可使每輛車節省 32 美元 , 為汽車制造商創造了極大的利潤。

據美國權威部門預測 , 僅美國三大汽車公司在未來幾年對激光拼焊板的需求將大幅增加。其主要用于內門、外門、窗軌和加強板、立柱、底板等部件。美國鋼鐵協會在世界范圍內組成了一名為“超輕鋼車身”的國際財團 (Ultralight Steel Auto Body Con 2sortium) , 包括歐洲、美國、日本和韓國的各大鋼鐵
公司 , 提出了超輕鋼車身的設想。內容涉及各種汽車用鋼鐵新材料和設計制造技術等 , 激光拼焊是一項主要的課題。

1. 4 激光成形

金屬板料的激光成形技術是一種利用聚焦光束以一定的速度掃描金屬板料表面 ( 掃描速度應足夠快以防止表面熔化) ,使熱作用區內的材料產生明顯的溫度梯度 , 導致非均勻分布的熱應力 , 從而使板料塑性變形的方法。與常規成形方法相比 , 激光成形具有許多獨特的優點：

（1）屬于無模成形 , 生產周期短 , 柔性大 , 可不受加工環境限制 , 通過優化激光加工工藝參數 , 精確控制熱作用區域及熱應力的分布，將板料無模成形。

（2）因其是一種僅靠熱應力而不用模具使板料變形的塑性加工方法 , 因此屬無外力成形。

（3）為非接觸式成形 , 所以不存在模具制作、磨損和潤滑等問題 , 也不存在貼模、回彈現象 , 成形精度高。

（4）可使板料通過復合成形得到形狀復雜的異形件 ( 如球形件、錐形件和拋物形件等 ) 。

激光成形機理其實質就是彎曲機理。當激光加熱板料時 , 一方面在激光作用區及其周圍產生熱應力, 同時降低了被加熱區域板料的屈服極限 , 從而使熱應力作用區的熱態材料產生非均勻的塑性變形 ,實現板料的變曲成形。試驗表明 , 激光每掃描一道次 , 金屬板料可彎曲 1 °～ 5 °。不同的掃描軌跡和工藝參數組合, 能夠產生不同的成形效果和不同程度的變形量 , 即可得到各種復雜形狀的工件。

板料激光成形技術的研究工作，在國外最早始于1985 年，Y. Namba 以 S45C 碳鋼激光硬化處理為例研究了材料溫度分布和熱變形，最先提出了一種在不加外力的條件下僅利用熱應力使板料塑性變形的新的加工方法 ———激光成形法 , 并用簡單的彎曲實驗證實了板料激光成形的可能性。 90 年代以來，德國愛爾蘭根大學的 F. Vollertsen 領導的激光成形研究組對板料激光成形技術作了較多的研究 , 并在假設起始熱應力完全轉變成塑性流變且輻照板料看成一個雙層彎曲梁料的前提下 , 計算出了激光彎曲成形的彎曲量。

圖 2 所示為一定的工藝參數條件下 , 激光掃描速度與材料彎曲角之間的變化關系。

圖 2 　激光掃描速度對彎曲角的影響

現在世界上許多國家都投入了較大的人力、物力對激光成形技術進行專項研究 , 在某些領域已開始了初步的工業應用 : 波蘭基礎技術研究所的 H.Frackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒形件、球形件、波紋管和金屬管的擴口縮口、彎曲成形等 ; 德國學者 M. Geiger 等將激光成形與其他加工工序復合運用于汽車制造業 , 進行了汽車覆蓋件的柔性校平和其他成形件的成形 , 且對彎曲成形過程進行計算機閉環控制 , 提高了成形精度 ; 德國 Trumpf 公司于 1997 年開發了商品化激光成形多用機床Trumatic L3030 [17] 。相信隨著研究的不斷深入及其他相關技術的發展 , 激光成形技術將漸趨成熟 , 進入實用化階段。不久的將來 , 激光成形技術將和激光切割、激光焊接等技術一樣成為汽車制造業的重要手段。

1. 5 　快速成形制造

快速成形制造技術 (RPM) 是 80 年代后期出現的一項制造技術 , 目前 RPM 技術已發展了十幾種工藝方法 , 其中較成熟和典型的工藝有 : 光固化法（SL）、激光選區燒結法（SLS）、熔積法 （FDM）、疊層法（LOM） 、三維打印法（3DP）等。快速成形技術在車身制造中的應用主要有以下兩個方面；

（1）產品開發中的設計評價、優化和功能試驗。應用大型 CAD軟件建立車身外形的三維實體模型 , 將模型數據轉換成 STL 格式 , 在快速成形機上成形出車身模型 ,在對模型進行評價、論證定型后 , 制造出所需比例的精密鑄造模具 , 從而澆鑄出一定比例的金屬模型 , 利用此金屬模型可進行風洞和碰撞等試驗 , 從而完成對車身設計的最終評價。美國克萊斯勒公司已用SLA 工藝制成了車身模型 , 將其放在高速風洞中進行空氣動力學試驗分析 , 取得了令人滿意的效果 , 大大節約了試驗費用。

（2）快速模具制造。目前 , 基于RPM 技術快速制造模具的方法多為間接制模法 , 即利用 RPM 原型間接地翻制模具。

①軟質簡易汽車覆蓋件模具的制作 : 采用硅橡膠、低熔點合金等將原型準確復制成模具 , 或對原型表面用金屬噴涂法或物理蒸發沉積法鍍上一層熔點極低的合金來制作模具。這些簡易模具的壽命為 50 ～ 5000 件 , 由于其制造成本低和制作周期短 , 特別適用于產品試制階段的小批量生產。

②鋼質模具制作 :RPM 原型 —三維砂輪 —整體石墨電極 —鋼模 , 一個中等大小、較為復雜的電極一般 4 ～ 8h 即可完成。美國福特汽車公司用此技術制造汽車覆蓋件模具取得了滿意的效果。與傳統機械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去了耗時、昂貴的 CNC 加工 , 其加工成本及周期大大降低 , 具有廣闊的應用前景。

2 　我國車身制造業激光技術的應用現狀

早在 1975 年 , 我國一汽轎車廠與長春光機所合作研制成功了一臺 400W CO 2 激光切割機 , 用于紅
旗轎車車身覆蓋件的板坯切割與修邊工序。我國“六五”、 “七五”、 “八五”期間 , 國家都把激光加工技術列為攻關項目。 1988 年 12 月 , 由中國科學院發展局和中汽投資公司共同在上海組織了來自研究院、所和大專院校 , 含一汽、二汽、大眾在內的主要汽車廠的專家對激光加工技術在我國汽車工業中的應用進行了探討 , 并達成了一些合作項目和意向。中國科學院的“八五”計劃中把激光加工列入重中之重的科技發展地位 , 而在這個計劃中又將激光加工的主要應用方向定位于汽車工業。在“八五”期間 , 國家科委、計委、經貿委及教育部等又先后在國內建立了四個國家級激光工程技術研究中心 , 加速了科研成果向商品轉化 , 為我國形成激光產業創造了良好的條件。

在激光切割方面 , 目前基本上集中在平板切割，主要是用于覆蓋件的下料和樣板切割，而在激光三維切割方面的應用研究才開始起步。國家自然科學基金委在1997年把“大功率 CO 2 及 YAG 激光三維焊接和切割理論與技術”作為重點項目進行資助 , 國家產學研激光技術中心的左鐵釧教授及其課題組成員對此進行了系統的研究 , 為在我國汽車車身制造業中應用三維激光立體加工技術做出了很大的貢獻。該中心擁有從德國 Trumpf 公司引進的具有 90年代國際水平的 6000kW Turbo 型 CO 2 激光器及與之相配套的 5 軸聯動激光加工機 , 可實現對零件的5 面體切割和焊接 ; 從 Hass 公司引進的 500W YAG激光器和 6 軸機械手和光纖傳輸系統 , 可實現工件空間任意位置的切割和焊接。該中心為一汽轎車公司、寶山鋼鐵公司等國有大型企業的技術改造 , 開展了重大工程項目的攻關。其中 , 開發“紅旗”加長型轎車覆蓋件的三維激光制造工藝技術 , 在我國轎車生產中是首次采用 ; 在汽車用薄厚鋼板激光大拼板拼接工藝試驗研究中 , 首次采用了激光切割替代精裁的工藝技術 , 取得了較好的技術經濟效果。在企業方面 , 柳州微型汽車廠也已經有了 CO 2 5 軸激光加工機 ; 上海大眾汽車公司新的桑塔納生產線也在引進高功率 YAG 的三維加工系統 ; 濟南鑄鍛研究所為一汽開發的 6 軸 CO 2 激光加工機也進入試運行階段 , 用于轎車車身的切割。

激光拼焊坯板的生產在國內尚處于空白 , 一汽引進的奧迪 C3V6 型轎車上使用原來設計的拼焊底板，目前依然進口。奧迪 C5 型轎車也使用進口的剪裁拼焊坯料 , 其中的門檻加強板采用 1 、 1 . 2 、1. 5mm 三種不同的板坯焊接而成。武鋼技術中心已于 1998 年 2 月通過專家論證 , 投資 5000 萬元興建國內第一條汽車板激光拼焊生產線 , 設計能力110 萬件坯料 , 預計 2000 年投產。北京工業大學等單位對激光焊接機理作了較為深入的研究 , 并對激光大拼板拼接工藝進行了試驗研究 , 取得了一些實質性的進展。

清華大學、華中理工大學和西安交通大學等單位在激光快速成形技術和理論等方面進行了大量的研究，開發研制出了快速成形系統和設備。西北工業大學、燕山大學等單位正在從事激光誘導熱應力成形技術方面的研究 , 但還處于理論和實驗研究階段 , 目前要實現激光成形過程的精密控制還有一定的難度。因此 , 在車身制造工業上的實用化還需要廣大科技工作者的艱苦努力。

總的來說 , 我國的激光技術在工業上的應用起步較早 , 但在車身制造中的應用發展不快 , 遠未達到能夠工業應用的程度 , 與世界先進國家相比 , 落后較多。究其原因 , 主要有以下幾點 :

（1）由于歷史原因 , 我國激光器及零部件生產水平低。激光器是一種集光、機、電等多種學科和技術的高科技產品。在我國現有的工業水平上 , 元器件的生產不過關 , 難以在短期內生產出適合于工業應用的優質而穩定的激光器 , 光學模式不好 , 穩定性和可靠性不高 , 不能滿足工廠條件下長期穩定工作。而進口激光器又價格昂貴。

（2）國內對激光加工工藝的研究重視不夠。由于激光加工是集光、機、電、材料、計算機和控制技術于一體的一門綜合性學科 , 國內缺乏這樣一批多學科結合的高水平的科技力量的協同作戰。對激光加工工藝和與材料相互作用的研究及激光設備的二次開發得不夠深入 , 以及科研與應用相脫節 , 成果轉化率較差。工業界難以看到激光加工的優越性。

（3）我國汽車工業產品設計落后 , 生產規模小 ,用傳統方法也能解決等因素也影響了激光先進工藝技術的應用。除了汽車市場本身的因素外 , 企業對高科技帶來的眼前利益與長遠利益估計不足 , 影響了技術投資 , 因激光加工設備的費用一次性投入較大 , 致使多數單位在使用時較為謹慎。這大大影響了激光技術在汽車車身制造行業中的應用和發展。

3 　結束語

激光材料加工技術是現代高科技的產物，是一種先進的加工工藝，在國外各行業已得到了廣泛的應用。隨著我國加入 WTO 的臨近 , 全球經濟一體化進程的發展 , 汽車市場的競爭愈加激烈 , 我國的汽車工業將面臨更為嚴峻的挑戰。車身的設計與制造技術必將成為世界汽車工業激烈競爭的主戰場。而車身制造中激光切割、焊接、坯料拼焊和激光成形等技術的應用 , 必將為車身制造業帶來重大變革 , 同時也為企業帶來巨大的效益 , 大大提高和增強了企業的競爭力。相信隨著國家政策的扶持以及研究機構和汽車制造部門的共同努力 , 激光加工技術在汽車車身制造業中的廣泛應用已為期不遠。為此 , 必須在以下幾個方面作進一步的深入研究 , 以解決車身制造業中激光應用的關鍵問題。

（1）激光加工機理和工藝方法的進一步研究和完善 , 建立較符合實際的理論加工模型 , 以便用計算機來分析處理和預測加工效果。

（2）激光加工過程中無損檢測和控制手段的研究。做到在激光加工過程中 , 可同時進行無損快速的檢測和判別加工效果 , 并能加以控制 , 從而保證獲得高質量的激光加工零件。

（3）激光加工工藝參數的優化。由于各種參數對激光加工的效果影響較大 , 所以只有進行大量的試驗研究 , 才能獲得應用于實際加工的優化數據庫。此外 , 根據大量的試驗數據 , 利用神經網絡理論把影響激光加工的主要因素和衡量指標作為網絡的輸入、輸出特征 , 對其變化取得規律性的認識 , 從而有效地控制激光加工參數 , 降低生產成本。

（4）積極進行激光加工設備、激光加工系統及激光加工方法的研制、開發 , 特別是國產激光加工設備小型化和實用化的研究 , 以使激光加工過程簡化 ,費用低 , 設備操作和維修方便。