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激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比

                           发表日期:2022-12-16

目前,汽车顶盖与侧围的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。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”等均采购了顶盖激光钎焊设备,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. 技术原理

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1所示)。

激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
图1

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,使接触表面产生热量,温度升高,融化接触点,局部形成焊点(如图2所示)。

激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
图2

2. 优劣对比

2.1 连接结构

全景天窗

激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
图3:全景天窗连接结构
  • 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。
  • 电阻点焊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
  • 激光钎焊的两个腔体紧密相邻,顶盖中部的刚度好且性能更优。
  • 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

非全景天窗

  • 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 外观设计

激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
图4:顶盖与侧围搭接
  • 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4a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
  • 在使用一段时间后,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。
  • 使用激光钎焊时,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4b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
  • 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。

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

  • 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和铝点焊等,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。
  • 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。

2.5 单车成本

电阻点焊激光钎焊
车顶饰条40元/台/
密封胶1.1元/台/
钎焊丝/8.7元/台
能耗0.48 kW/台0.04 kW/台
易损、易耗件电极帽0.48元/台
自来水冷却,无保护气体
导电嘴0.004元/台
过滤后的纯净水冷却,采用氩气作为保护气体,更换保护镜片

2.6 固定投资

  • 电阻点焊一般需4套焊钳
  • 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。

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VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
图6:激光钎焊搭接状态
  • 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。

3.2 行李架安装

激光钎焊VS电阻点焊:汽车顶盖与侧围焊接优劣对比
  • 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7所示)。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。
  • 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。
  • 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

来源:企业科技与发展,刘洋,钟巧波

       
   
 

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