前言

随着全球对节能减排及可持续发展的日益关 注 ， 汽车工业正面临轻量化和绿色制造双重挑 战[1] 。在这一背景下 ，激光拼焊技术通过将不同材 质 、不同厚度的板坯拼焊在一起 ，提高了材料利用 率及车身刚性 ， 降低了生产成本 ， 同时对环境友 好 ，提高了产品设计的灵活性 。这些显著优势为汽 车制造领域提供了关键支持 。但激光拼焊过程中的 操作精度要求高 、焊接气孔问题以及焊缝不一致性 等技术问题仍需解决 。激光拼焊过程中的操作精度 要求高 、焊接气孔问题以及焊缝不一致性等技术问 题仍需解决。

本文将详细探讨激光拼焊最新研究进展 ，分析 其在汽车轻量化中的应用潜力 、面临的技术挑战及 未来发展方向 ， 旨在为汽车制造业提供科学 、高效 的技术参考 ，助力汽车工业实际现绿色转型 ，促进 行业的技术进步及可持续发展。

01 激光拼焊概述

激光拼焊（Tailored Welded Blank， TWB）是  将不同材质 、不同厚度 、不同冲压性能 、不同表面  处理状况和不同强度的板坯拼焊在一起 ，而形成一  块整体板材 、型材和夹芯板等 。尚庆慧等[2]综述了  双相钢激光拼焊技术的研究进展 ，讨论了其研究方  向：同质等厚双相钢激光拼焊 、异质等厚双相钢激  光拼焊及异质不等厚双相钢激光拼焊 。在同质等厚  双相钢激光拼焊领域 ，研究主要集中于焊接接头宏  观形貌 、微观组织 、显微硬度 、拉伸失效机制及冲  压成形失效机制 ；在异质等厚双相钢激光拼焊领  域 ，研究集中于焊缝区的力学性能 、显微组织变化  及断裂行为 ；在异质不等厚双相钢激光拼焊领域， 研究集中在优化工艺参数及冲压成形性能上。

02 激光拼焊的特点

激光拼焊具有以下特点：（ 1）材料利用率高。可根据零件具体需求选择材料进行焊接 ，优化材料选择。（2）减小车身质量 。在车身安全性能不变的  前提下 ， 采用厚度不同的材料可减小车身质量 。（3）提高车身刚性 。增强车身结构刚性 ，提升安全  性。（4）降低生产成本 。外围加强件数量减少 ，装  配步骤及工艺简化。（5）环境友好 。产品设计灵活  度高 。XU T等[3]探索在激光焊接铝合金过程中添加  微量碳纳米管（CNTs）， 其双重效应提高了焊接接  头强度 ， 降低了能耗 。基于高强度 2A12 铝合金， 针对焊接表面进行预处理 ，在焊接填充材料中引入  纯 CNTs，通过激光焊接试验对比添加 CNTs 的激光  焊接（LC） 过程和传统激光焊接（ LW）过程 。结  果显示 ，相较于 LW过程 ，LC过程焊接效率提高了  33%，能耗降低了 33%。LC在减少材料消耗方面具  有显著优势 。添加微量 CNTs 能在不牺牲焊接接头  性能的前提下 ，实现铝合金低碳、高质量焊接。

激光拼焊需高精度装配定位技术 ，对操作人员 技术水平要求较高 。其焊接气孔问题 ，需用精细工 艺控制及质量检测来解决 。BANG H S等[4]针对激光 焊接过程中预处理步骤控制镀锌钢板孔洞生成 ，提 升焊接质量 。他们对 SGARC340镀锌钢板利用部分 穿透模式下锌层去除 、反向激光照射释放残留锌及 预热焊缝方式进行预处理 ，然后在全穿透模式下采 用主焊接过程三步激光焊缝工艺对其进行焊接 。焊 接过程中以氮气作保护气体 ，采用连续波光纤激光 器 。结果表明 ，与传统激光焊接相比 ，其减少了焊 接缺陷及飞溅 ，剪切-拉伸载荷增加了约 37% ，控 制了孔洞生成 ，提高了焊接接头质量。

激光拼焊板质量影响因素包括：（ 1）焊接速  度 。其影响热输入量 ，进而影响熔深及焊接质量。（2）激光功率密度 。其过低或过高均影响焊接质  量。（3）保护气体 。惰性气体 、O2 、CO2 等保护气  体体积分数影响焊接质量。（4）工件表面与焦点位  置关系 。其影响焊缝成形。（5）材料特性 。材料的  电阻系数 、表面状态及激光吸收率影响焊接效果。（6）接头间隙 。装配间隙大小与焊缝宽度 、焊接工  件熔深有关。（7）板材表面状况 。水汽 、油污或杂  质影响焊接质量 ，需清洁板材焊缝表面。

激光拼焊板制造过程中 ，焊缝不一致会导致焊 缝强度不均匀分布及冲压成形时变形失稳 。陈东等[5]针对此问题展开研究 。基于对焊前对接间隙实  时跟踪测量 ，他们提出了动态偏移量补偿方法 。研  究表明 ， 间隙大小影响焊缝截面形状 、熔化金属体  积 ，通过分析偏移量 、间隙 、熔化宽度及板厚等参  数间关系 ，他们建立了动态偏移量补偿数学模型。他们在全自动激光拼焊设备上进行焊接试验 ，验证  了该方法可解决焊缝不一致的问题 ，提高了激光拼  焊板焊缝质量 。FROSTEVARG J 等[6]致力于通过激  光重熔技术提升焊接质量 。他们针对焊缝底部熔蚀  及焊缝根部轮廓进行改善 ，采用 15 kW 的 Yb 光纤  激光器 ，通过300 mm焦距光学器件聚焦 ，将输出功  率设为9 kW。焊接时 ，焊接速度为 1.5 m/min，焊接  材料为 12 mm厚钢制 Domex，保护气体为 Mison18 （Ar体积分数为 82% ，CO2 体积分数为 18%）， 气体  流速为 20 L/min。重熔过程用相同激光器及功率， 将焦点调至板材表面以上 45mm处 ，形成直径为 5 mm 的激光斑点 ，实现重熔 。研究结果显示 ，激光  重熔显著降低了焊缝顶部的熔蚀和根部的过度穿  透 ，改善了焊缝的表面轮廓 ，提升了焊接接头的机  械性能和疲劳寿命 。靳阳等[7]对异强度双相钢激光  拼焊板冲压开裂问题进行分析 ，提出了相应改进措  施 。他们基于 AutoForm 软件对前大梁零件冲压成  形过程进行模拟 ，探析了不同位置应力和应变的变  化规律及材料厚度减薄率情况 ，并在生产实践中验  证了模拟结果的准确性 。研究发现 ，焊缝处材料在  成形初期受成形力及压边力作用 ，在后期主要受到  双相钢位移产生的拉应力作用 ，这导致焊缝处材料厚  度减薄率及塑性应变增大 ，材料发生开裂；优化压边  力至 1 500 kN，可避免零件开裂 。魏敬丹等[8]针对高  斯热源模型进行有限元分析 ，运用 APDL语言编程  实现移动热源加载 ，对铝合金激光拼焊过程中的应  力场变化进行数值模拟 。在焊接过程中 ，焊缝区域  主要承受拉应力 ，远离焊缝区域则逐渐过渡到压应  力状态 。他们分析了激光功率和焊接速度对应力场  的影响 。在激光功率为 3 000～4 500 W、焊接速度  为 2～4 m/min 的条件下 ，随着激光功率的增加和焊  接速度的降低 ，焊缝附近的拉应力峰值及其分布范  围均有所增大 。王大伟[9]探讨了汽车覆盖板用铝锰  合金薄板的激光焊接技术 ，包括焊接工艺 、焊接接头的组织结构及其性能 ，分析了铝合金的种类 、焊接性能和用途 ， 以及铝合金焊接过程中常见的问题 和缺陷 。他们进行了铝锰合金薄板的激光焊接工艺 试验 ，确定了激光功率密度和焊接速度等关键工艺 参数 ，成功实现了铝锰合金薄板的激光焊接 。他们 对焊接接头的微观组织进行了观察 ，分析了焊接接 头的力学性能 。结果表明 ，焊接接头的抗拉强度达 到母材的一定比例 ，但焊接接头存在晶粒粗大 、气 孔和热影响区软化等问题 。他们研究了轧制处理对 焊接接头组织和性能的影响 。结果表明 ，轧制后焊 接接头的抗拉强度得到提高 ，且接头组织变得更致 密 ，气孔缺陷减少。

03 激光拼焊的应用

激光拼焊技术在汽车轻量化中应用广泛 ，主要  用于车身结构件的制造 ，如车身纵梁 、地板 、车门  内板 、风挡玻璃框架 、骨架 、车身侧框架 、轮罩  板 、 中间支柱（ B 柱）、 侧围和保险杠等 。激光拼  焊板使用量大约占钢制车身结构总质量的 50%。激  光拼焊车门和内板如图 1所示。陈嘉玥等[10]针对新能  源汽车轻量化需求 ，开发了新型一体式激光拼焊热  成形门环。该门环采用 1 000、1 500和2 000 MPa三  种强度热成形钢板 ，通过激光拼焊技术将不同强度  板料及补丁板集成 ，提升碰撞变形及吸能性能 。分  别对一体式激光拼焊热成形门环及传统冲压焊接门  环进行变形壁障及 25%偏置碰撞数值仿真分析 。结  果表明 ，相较于传统门环 ，一体式门环在 25%偏置  碰撞中侧面变形侵入量减少了 14.4% ，在变形壁障  碰撞中的变形侵入量也优于传统门环 。在机械性能  测试中 ， B 柱上板 Patch 板抗拉强度达 1 878 MPa， 门槛加强板抗拉强度达 1 041 MPa， 同时韧性均较  优 。在轻量化效果方面 ，整车质量减小 10.146 kg， 材料利用率从 66.7%提至71.19%。沈怡等[11]对一体  式热成形激光拼焊门环技术展开研究 ，结合热成形  技术及激光拼焊 ，实现汽车门环成本降低 、结构轻  量化及安全性能提升 。优化后单侧门环质量减轻  2.82 kg，整车质量减轻比例超过 18.6%。对比性能  显示 ，一体式热成形激光拼焊门环在模拟碰撞中钣  金变形和侵入量更小 。A柱上铰链及上仪表板位置侵入量分别下降 32.8 mm 和 15.6 mm，达到碰撞性 能目标值。

双相钢激光拼焊技术面临焊缝区的粗大 、过饱 和铸态组织生成 、接头软化以及热影响区软化等问 题 ，这可能导致接头性能降低 ，影响冲压成形过程 中焊缝完整性及塑性成形性能 。未来应改善双相钢 激光拼焊板接头组织 、提高接头强韧性以及深入研 究防止热影响区软化的方法。

04 结束语

本文分析了激光拼焊技术在提高材料利用率、 降低生产成本 、提升产品性能及促进环境友好型生  产方面的优势 。深入探讨了激光拼焊的最新研究进  展及其在汽车轻量化中的应用潜力和面临的技术挑  战 。激光拼焊技术具有材料利用率高 、减轻车身质  量等优势 ，这使其在汽车制造中得到广泛应用 。但  焊接过程中的气孔问题 、焊缝不一致性及对操作人  员技术水平要求高等问题仍需解决 。针对气孔问  题 ，可优化焊接参数 ，如激光功率 、速度和焦点位  置及使用高质量的保护气体 。针对焊缝不一致性的  问题 ，可采用实时监控和自适应控制系统 ，确保焊  接过程中的一致性 ，提高焊缝质量 。针对对操作人  员技术水平要求高的问题 ， 可通过培训和技能提  升 ， 以及开发更自动化的焊接系统 ，降低对操作人  员技术水平的依赖 。未来将致力于开发更精细的工  艺控制方法并提升质量检测技术 ， 同时探索新的焊  接材料及方法 ，提升焊接接头性能和生产效率。

转自：热冲压

来源：铝加工

作者：刘帅；李明家；左子豪；石帅磊；田茂松

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