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【关键词】激光钎焊;电阻点焊;顶盖;侧围
【中图分类号】TG407;U466【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0076-03
0 引言
目前，汽车顶盖与侧围主流连接方式有电阻点焊和激光钎焊两种。电阻点焊技术成熟，应用广泛，顶盖连接应用最多的就是这种方式，国内自主品牌汽车、日系车和韩系车大多采用此方式。激光钎焊也称激光填丝钎焊，是在电弧钎焊的基础上发展起来的一种钎焊技术，具有外观好、速度快、结构简单等优点，德系车顶盖连接基本已经标配此技术[1-2]。国内自主品牌汽车主要采用电阻点焊，同时也尝试使用顶盖激光钎焊，据了解，“吉利汽车”“北汽福田”“上汽集团”“江淮汽车”“一汽轿车”“东风柳汽”“东风汽车”“比亚迪”均采购了1～2套顶盖激光钎焊设备，并在部分车型上使用。本文主要介绍顶盖采用电阻点焊和激光钎焊的优势、劣势，为产品设计开发提供参考。
1 工作原理
电阻点焊是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力，使工件稳定接触，然后使利用电流通过焊件，使接觸表面产生热量，温度升高，融化接触点，局部形成焊点（如图1所示）。激光钎焊是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面，焊丝被光束能量加热融化形成高温液态金属，液态金属浸润到被焊零件连接处，在界面层生成均匀的固溶体和共晶组织，使之与工件形成良好的冶金结合（如图2所示）。
2 优劣对比
2.1 连接结构
全景天窗的电阻点焊和激光钎焊结构如图3所示[3]，电阻点焊的侧围腔体与顶盖腔体被隔开，顶盖中部的刚度差。激光钎焊的两个腔体紧密相邻，顶盖中部的刚度好且性能更优。同时，点焊技术由于其焊枪本身体积较大，电极头工作需要一定的机械运动轨迹，在结构设计中需要做结构特征或减小结构尺寸对焊枪进行避让，所以结构设计上存在诸多限制。激光钎焊是单面焊接，肉眼可见的地方均可以焊接，极大地增加了结构设计的灵活性，可以获得更优的结构。
这里需要注意，电阻点焊顶盖边缘采用台阶结构，而激光钎焊则为翻边结构且翻边角度为负角，因此在顶盖冲压工艺中，激光钎焊所用的顶盖必须增加一个翻边工序才能实现此结构，综合顶盖整体工艺设计可能会导致增加一套冲压模具。
在非全景天窗车型中，传统电阻点焊工艺的顶梁是与顶盖焊接成为一个整体再上总拼线，顶梁的焊接集成到分拼工位上，未占用总拼的场地和布置。采用激光钎焊工艺后，顶梁无法与顶盖焊接，顶梁必须先在总拼线上与侧围焊接后，再将顶盖上件并进行激光焊接，这时总拼线上工艺过程增多，占用了紧张的总拼线资源，对生产线布置要求较高，对场地的需求也高。
2.2 外观颜值
从两种技术的连接结构可以看到，电阻点焊结构有一凹槽（即流水槽），流水槽内有电阻点焊，由于点焊外观一般不为客户接受，因此需要在流水槽安装一个饰条，以便遮挡点焊[如图4（a）所示]，但这种方式会导致顶盖与侧围连接处特征线较多，还要考虑饰条与前挡风玻璃的匹配程度，设计复杂，外观较差。而且，客户使用一段时间后，饰条唇边、零件凹槽处会积聚灰尘、落叶、杂物等，唇边、凹槽特征狭小，其中的污垢难以简单清除，进而会使车辆外观显得脏、旧。激光钎焊则不存在上述问题，首先，顶盖与侧围直接搭接，无饰条，没有多余的零件，仅搭接处的一条特征线[如图4（b）所示]，并且此特征线会由前挡风玻璃的下端一直延伸到顶盖末端（即尾门处），整体结构简单、自然、过渡平顺，外观极佳。其次，激光钎焊处外表面平整，不会藏污纳垢，即使落有一些灰尘、杂物，只需简单擦拭即可清除，方便客户进行日常清理，也会让车辆显得光鲜、干净。因此，从产品设计外观到日常使用的外观，使用激光钎焊的车辆外观均远远优于电阻点焊。
2.3 焊接速度
电阻点焊为间歇焊接，焊接速度约1.9 m/min（焊点间距按80 mm，2.5 s焊1个焊点），激光钎焊速度为4.2m/min，相比而言，激光钎焊速度更快，生产工时更短，利于加快生产节拍。
2.4 焊接材料
当前，电阻点焊只能进行钢与钢的焊接，铝与铝的电阻点焊技术尚不成熟，在行业内仅有个别车企使用，铝与铝电阻点焊技术有带极点焊（Delta Spot）和铝点焊（Resistance Spot Welding of Aluminum）等，目前仅有“通用”“特斯拉”使用铝点焊。因此，当前电阻点焊只能用于传统的钢车身。激光钎焊既可以连接钢与钢，还能连接铝与铝，既能用于传统钢车身，还能用于全铝车身，因此采用激光钎焊技术对向全铝车身发展的车企具备一定的兼容性。同时，电阻点焊焊接镀锌板较为困难，对工艺要求较高，而激光钎焊对镀锌板适应良好[4]。
2.5 单车成本
电阻点焊需要增加车顶饰条，约40元/台车，在涂装车间还需涂密封胶，约1.1元/台车。激光钎焊无饰条，但需要消耗钎焊丝，约8.7元/台车，综合来看，采用激光钎焊，单台车可以节约成本32.4元。
电阻点焊与激光钎焊在能耗成本、日常运行成本上也有差异，但总成本小。电阻点焊焊接顶盖，耗电约0.48 kW/台车，使用自来水冷却，无保护气体，激光钎焊耗电约0.04 kW/台车（4 kW×36 s/3 600×2道），使用过滤后的纯净水，采用氩气作为保护气体。电阻点焊会消耗电极帽，平均损失0.48元/台车。激光钎焊导电嘴不时需要更换，平均成本为0.004元/台车，同时需要不时地更换防护镜、光纤等。 2.6 固定投资
激光钎焊设备包含焊接系统、顶盖拾取装件系统、机器人系统、除尘系统、激光隔离房、集成费用、各类控制系统等，一条生产线需配置2套左右的钎焊设备，2套设备总采购价格为1 200万～3 000万元。“宾采尔”采购价约600万元/套，“福尼斯”采购价约1 500万元/套。电阻点焊一般需4套焊钳，成本总共约52万元。
2.7 生产线布置
激光钎焊需要专门的激光房，激光房一般布置在总拼线或者公共补焊线（如图5所示）。布置在总拼线柔性较差，跨平台车型无法兼容，但是距离侧围、顶盖上件工位近，零件尺寸变异少，焊接精度高，产品质量好，布置在公共补焊线情况则相反。
3 技术风险
电阻点焊发展时间长，技术成熟，主机厂完全具备相关能力。激光钎焊作为近几十年发展起来的技术，对主机厂的制造水平要求较高。
3.1 搭接精度
激光钎焊对零件搭接精度要求极高，一般要求搭接间隙为0.1～0.35 mm，间隙过大会导致焊钎熔料下沉，甚至掉落（如图6所示）。由于激光钎焊搭接精度远超电阻点焊的要求，因此原有方式已无法满足激光钎焊的要求。行业内通常是在焊接时增加预紧夹具，把顶盖压向侧围，避免搭接离空，例如某公司采用一种琴键式夹板夹具固定顶盖（如图7所示）。
3.2 行李架安装
电阻点焊结构的行李安装在流水槽，与车内隔离。激光钎焊结构行李架必须安装在顶盖上，顶盖开孔，车内提供行李架的支撑（如图8所示）。首先，这种方式对行李架的密封性能要求高，必须增加防水垫圈，否则外界雨水渗透车内会引起严重的客户抱怨。其次，必须保证支撑加强板与顶盖之间的距离符合设计要求，距离波动不能太大，否则行李架在装配过程中容易将顶盖拉变形，导致外观质量问题。最后，支撑加强板必须保证一定的刚度，其料厚、结构形状需要进行认真设计和仿真分析，满足行李架在使用过程中的承载要求，避免顶盖变形过大或出现明显凹陷的问题。
4 总结
相比电阻点焊方式，顶盖与侧围的连接采用激光钎焊方式，顶盖刚度高、外观好，生产速度快，同时取消了车顶饰条和密封胶，单车成本减少约32.4元。但是，激光钎焊固定投资大，生产柔性差，对零件搭接精度高，生产上必须保证顶盖与侧围间隙，同时要加强行李架防水处理。电阻点焊方式是车身连接传统的生产技术，顶盖采用此技术与已有的生产系统兼容性好，固定投资小，对生产精度要求低，但结构设计复杂，整车成本较高。
参 考 文 献
[1]林平.激光钎焊在汽车行业的焊接应用[J].电焊机，2010，40（5）：39-44.
[2]Klaus LOEFFLER.The Latest Laser Applied Techno-logy of the Auto Industry in Europe on the Example of the Body in White Applications of the Volkswag-en Golf V[J].Journal of the Japan Welding Socie-ty. 2004，73（8）：547-550.
[3]王仁虎，王鏑，姜峻岭.车顶激光钎焊连接结构设计方法研究[J].汽车与配件，2015（45）：80-83.
[4]谷亚飞.镀锌钢板的激光钎焊工艺及缺陷抑制机理研究[D].武汉：华中科技大学，2014.
【中图分类号】TG407;U466【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0076-03
0 引言
目前，汽车顶盖与侧围主流连接方式有电阻点焊和激光钎焊两种。电阻点焊技术成熟，应用广泛，顶盖连接应用最多的就是这种方式，国内自主品牌汽车、日系车和韩系车大多采用此方式。激光钎焊也称激光填丝钎焊，是在电弧钎焊的基础上发展起来的一种钎焊技术，具有外观好、速度快、结构简单等优点，德系车顶盖连接基本已经标配此技术[1-2]。国内自主品牌汽车主要采用电阻点焊，同时也尝试使用顶盖激光钎焊，据了解，“吉利汽车”“北汽福田”“上汽集团”“江淮汽车”“一汽轿车”“东风柳汽”“东风汽车”“比亚迪”均采购了1～2套顶盖激光钎焊设备，并在部分车型上使用。本文主要介绍顶盖采用电阻点焊和激光钎焊的优势、劣势，为产品设计开发提供参考。
1 工作原理
电阻点焊是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力，使工件稳定接触，然后使利用电流通过焊件，使接觸表面产生热量，温度升高，融化接触点，局部形成焊点（如图1所示）。激光钎焊是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面，焊丝被光束能量加热融化形成高温液态金属，液态金属浸润到被焊零件连接处，在界面层生成均匀的固溶体和共晶组织，使之与工件形成良好的冶金结合（如图2所示）。
2 优劣对比
2.1 连接结构
全景天窗的电阻点焊和激光钎焊结构如图3所示[3]，电阻点焊的侧围腔体与顶盖腔体被隔开，顶盖中部的刚度差。激光钎焊的两个腔体紧密相邻，顶盖中部的刚度好且性能更优。同时，点焊技术由于其焊枪本身体积较大，电极头工作需要一定的机械运动轨迹，在结构设计中需要做结构特征或减小结构尺寸对焊枪进行避让，所以结构设计上存在诸多限制。激光钎焊是单面焊接，肉眼可见的地方均可以焊接，极大地增加了结构设计的灵活性，可以获得更优的结构。
这里需要注意，电阻点焊顶盖边缘采用台阶结构，而激光钎焊则为翻边结构且翻边角度为负角，因此在顶盖冲压工艺中，激光钎焊所用的顶盖必须增加一个翻边工序才能实现此结构，综合顶盖整体工艺设计可能会导致增加一套冲压模具。
在非全景天窗车型中，传统电阻点焊工艺的顶梁是与顶盖焊接成为一个整体再上总拼线，顶梁的焊接集成到分拼工位上，未占用总拼的场地和布置。采用激光钎焊工艺后，顶梁无法与顶盖焊接，顶梁必须先在总拼线上与侧围焊接后，再将顶盖上件并进行激光焊接，这时总拼线上工艺过程增多，占用了紧张的总拼线资源，对生产线布置要求较高，对场地的需求也高。
2.2 外观颜值
从两种技术的连接结构可以看到，电阻点焊结构有一凹槽（即流水槽），流水槽内有电阻点焊，由于点焊外观一般不为客户接受，因此需要在流水槽安装一个饰条，以便遮挡点焊[如图4（a）所示]，但这种方式会导致顶盖与侧围连接处特征线较多，还要考虑饰条与前挡风玻璃的匹配程度，设计复杂，外观较差。而且，客户使用一段时间后，饰条唇边、零件凹槽处会积聚灰尘、落叶、杂物等，唇边、凹槽特征狭小，其中的污垢难以简单清除，进而会使车辆外观显得脏、旧。激光钎焊则不存在上述问题，首先，顶盖与侧围直接搭接，无饰条，没有多余的零件，仅搭接处的一条特征线[如图4（b）所示]，并且此特征线会由前挡风玻璃的下端一直延伸到顶盖末端（即尾门处），整体结构简单、自然、过渡平顺，外观极佳。其次，激光钎焊处外表面平整，不会藏污纳垢，即使落有一些灰尘、杂物，只需简单擦拭即可清除，方便客户进行日常清理，也会让车辆显得光鲜、干净。因此，从产品设计外观到日常使用的外观，使用激光钎焊的车辆外观均远远优于电阻点焊。
2.3 焊接速度
电阻点焊为间歇焊接，焊接速度约1.9 m/min（焊点间距按80 mm，2.5 s焊1个焊点），激光钎焊速度为4.2m/min，相比而言，激光钎焊速度更快，生产工时更短，利于加快生产节拍。
2.4 焊接材料
当前，电阻点焊只能进行钢与钢的焊接，铝与铝的电阻点焊技术尚不成熟，在行业内仅有个别车企使用，铝与铝电阻点焊技术有带极点焊（Delta Spot）和铝点焊（Resistance Spot Welding of Aluminum）等，目前仅有“通用”“特斯拉”使用铝点焊。因此，当前电阻点焊只能用于传统的钢车身。激光钎焊既可以连接钢与钢，还能连接铝与铝，既能用于传统钢车身，还能用于全铝车身，因此采用激光钎焊技术对向全铝车身发展的车企具备一定的兼容性。同时，电阻点焊焊接镀锌板较为困难，对工艺要求较高，而激光钎焊对镀锌板适应良好[4]。
2.5 单车成本
电阻点焊需要增加车顶饰条，约40元/台车，在涂装车间还需涂密封胶，约1.1元/台车。激光钎焊无饰条，但需要消耗钎焊丝，约8.7元/台车，综合来看，采用激光钎焊，单台车可以节约成本32.4元。
电阻点焊与激光钎焊在能耗成本、日常运行成本上也有差异，但总成本小。电阻点焊焊接顶盖，耗电约0.48 kW/台车，使用自来水冷却，无保护气体，激光钎焊耗电约0.04 kW/台车（4 kW×36 s/3 600×2道），使用过滤后的纯净水，采用氩气作为保护气体。电阻点焊会消耗电极帽，平均损失0.48元/台车。激光钎焊导电嘴不时需要更换，平均成本为0.004元/台车，同时需要不时地更换防护镜、光纤等。 2.6 固定投资
激光钎焊设备包含焊接系统、顶盖拾取装件系统、机器人系统、除尘系统、激光隔离房、集成费用、各类控制系统等，一条生产线需配置2套左右的钎焊设备，2套设备总采购价格为1 200万～3 000万元。“宾采尔”采购价约600万元/套，“福尼斯”采购价约1 500万元/套。电阻点焊一般需4套焊钳，成本总共约52万元。
2.7 生产线布置
激光钎焊需要专门的激光房，激光房一般布置在总拼线或者公共补焊线（如图5所示）。布置在总拼线柔性较差，跨平台车型无法兼容，但是距离侧围、顶盖上件工位近，零件尺寸变异少，焊接精度高，产品质量好，布置在公共补焊线情况则相反。
3 技术风险
电阻点焊发展时间长，技术成熟，主机厂完全具备相关能力。激光钎焊作为近几十年发展起来的技术，对主机厂的制造水平要求较高。
3.1 搭接精度
激光钎焊对零件搭接精度要求极高，一般要求搭接间隙为0.1～0.35 mm，间隙过大会导致焊钎熔料下沉，甚至掉落（如图6所示）。由于激光钎焊搭接精度远超电阻点焊的要求，因此原有方式已无法满足激光钎焊的要求。行业内通常是在焊接时增加预紧夹具，把顶盖压向侧围，避免搭接离空，例如某公司采用一种琴键式夹板夹具固定顶盖（如图7所示）。
3.2 行李架安装
电阻点焊结构的行李安装在流水槽，与车内隔离。激光钎焊结构行李架必须安装在顶盖上，顶盖开孔，车内提供行李架的支撑（如图8所示）。首先，这种方式对行李架的密封性能要求高，必须增加防水垫圈，否则外界雨水渗透车内会引起严重的客户抱怨。其次，必须保证支撑加强板与顶盖之间的距离符合设计要求，距离波动不能太大，否则行李架在装配过程中容易将顶盖拉变形，导致外观质量问题。最后，支撑加强板必须保证一定的刚度，其料厚、结构形状需要进行认真设计和仿真分析，满足行李架在使用过程中的承载要求，避免顶盖变形过大或出现明显凹陷的问题。
4 总结
相比电阻点焊方式，顶盖与侧围的连接采用激光钎焊方式，顶盖刚度高、外观好，生产速度快，同时取消了车顶饰条和密封胶，单车成本减少约32.4元。但是，激光钎焊固定投资大，生产柔性差，对零件搭接精度高，生产上必须保证顶盖与侧围间隙，同时要加强行李架防水处理。电阻点焊方式是车身连接传统的生产技术，顶盖采用此技术与已有的生产系统兼容性好，固定投资小，对生产精度要求低，但结构设计复杂，整车成本较高。
参 考 文 献
[1]林平.激光钎焊在汽车行业的焊接应用[J].电焊机，2010，40（5）：39-44.
[2]Klaus LOEFFLER.The Latest Laser Applied Techno-logy of the Auto Industry in Europe on the Example of the Body in White Applications of the Volkswag-en Golf V[J].Journal of the Japan Welding Socie-ty. 2004，73（8）：547-550.
[3]王仁虎，王鏑，姜峻岭.车顶激光钎焊连接结构设计方法研究[J].汽车与配件，2015（45）：80-83.
[4]谷亚飞.镀锌钢板的激光钎焊工艺及缺陷抑制机理研究[D].武汉：华中科技大学，2014.