文 | 来源·盖世汽车

2021年3月23日-24日，由盖世汽车主办的“2021年中国车身大会”隆重召开。本次大会重点围绕整车轻量化、汽车安全法规、车身结构设计、车身先进材料、仿真技术、模块化架构车身等行业焦点话题展开探讨，为产业发展出谋划策。会议期间，中国科学院上海光学精密机械研究所 陶武发表了精彩演讲，内容如下。

中国科学院上海光学精密机械研究所 陶武

大家好，上海光机所激光智能制造技术研发中心主要有四个方向：高功率激光焊接工艺和装备；超快激光精密制造；激光冲击强化；激光增减材一体化制造装备。当前已形成1+X的协同创新模式，上海光机所为技术创新源泉，分支机构（南京先进激光技术研究院，杭州光机所，芜湖激光技术应用示范中心，九江激光技术应用示范中心）为技术转移转化基地。此外我们也在先进焊接及连接领域开展相关研究，包括电阻点焊，胶接，铆接等。

我们实验室已有不同的科研仪器设备。在高功率焊接方向上我们有：10千瓦光纤激光器、15千瓦光纤激光器、6千瓦半导体激光器。在激光精密加工方向上，我们有皮秒激光器、飞秒激光器，1.5千瓦单模激光器，QCW激光器。此外还包括不同的弧焊设备：CMT冷弧焊机、等离子弧焊机、TPS 500i弧焊机。电阻点焊方向上有基于WTC/OBARA/BOSCH/商科等控制器的点焊系统。此外分析检测设备包括：拉伸机、高速相机、电流压监测仪等等。

研发中心主要围绕轻质、难加工、高性能材料的激光智能制造展开研究，同时也包括材料的认证测试，高端装备的开发。

下面就我们在汽车轻量化材料焊接方向上的工作给大家汇报一下：

第一个要介绍的是第三代高强度钢激光点焊。第三代高强钢与第一代和第二代汽车钢相比，其合金元素丰富和热处理工序较复杂。在使用常规电阻点焊第三代高强钢时候，接头性能极易弱化，通常出现界面断裂。我们从2012年开始研究激光点焊，当前激光点焊方法在实际应用中还面临着不同挑战。我们开发了不同的激光点焊方法。首先我们采用常规激光点焊工艺对第三代高强钢可焊性展开研究，发现无论是增大焊接输入或者增大激光功率密度只能在一定程度上使焊点尺寸增大，同时会出现中心的凹陷，这对性能损伤是非常大的。所以我们开发了不同的激光点焊的方法，用高速相机在焊接过程中实时拍摄上下表面等离子体的变化。等离子体在一定程度上是反映激光能量的位置或者及吸收的变化。左图显示的是常规激光点焊，等离子体主要出现在下板的，这意味着激光能量穿透下板之后，大部分板料损失了，所以激光焊点尺寸难以长大。右图表明采用新方法激光能量基本上被完全吸收。

这个方法的优势，首先使焊点尺寸增大之后力学性能有所提升，和常规激光点焊相比提升60%以上，即使和电阻点焊相比也有大概20%的提升。另外一个优势是在焊接镀锌钢板时无需设置间隙就能获得非常好质量的焊点。

此外，我们在激光拼焊第三代高强度钢上也取得新突破。采用常规激光拼焊工艺，拼焊接头易沿着焊缝处开裂。当前处理方法是，激光拼焊之后先放置一段时间，通常需要2~3天或采用热处理的方法。采用传统的方法，需要增加仓储，降低了制造效率，有潜在的安全风险。我们开发了新的激光拼焊新工艺，实现焊接之后无需人工或自然时效，接头直接断裂在母材，新方法可以很好地降低成本并提高制造质量。

在铝硅镀层热成形钢激光拼焊上我们也实现了新的突破。过去铝硅涂层热成型钢主要受阿米两个专利的垄断，一个是铝硅涂层方法及热成形工艺，一个是部分去除铝硅土层+激光焊接。如果不做预处理直接焊接，铝会进到焊缝里面生成软化delta铁素体相，造成接头性能急剧下降。我们提出的方法是采用激光填丝方法，这个工艺和焊丝成份是我们特殊设计的，新方法在杯突测试性能良好，热冲压之后接头性能与母材相当，当前该技术正在跟汽车零部件供应商进行中试。

后面介绍一些我们在铝合金激光焊接方面的工作。铝合金被广泛地应用在汽车、航空航天等领域。由于铝合金特殊的材料物理性质，熔化焊铝合金非常困难。当前汽车和航空航天上主要采用铆接的技术。但铆接的方法在新一代铝合金上也面临着巨大的挑战，比如铆接7xxx铝合金时候，在连接接头通常出现裂纹。为实现不同铝合金之间的连接，我们发明了牛顿环电极及相关铝合金焊接新工艺。不同于传统的电阻点焊，牛顿环电阻点焊技术从外向内定向形核，而普通电阻点焊是从内向外形核，而且形核是随机的。牛顿环电阻点焊新技术在控制飞溅的生成及变形上有着良好的效果，此外牛顿环电阻点焊新方法可以实现不同系列铝合金的焊接，包括2xxx,5xxx, 6xxx,7xxx，型材，铸铝等的连接。

我们做了不同电阻点焊方法电极寿命的测试。 选用6系铝合金进行电极寿命测试。从开始一直焊到210个点，然后做截面分析，看焊点尺寸的变化，以及接头力学性能。可以明显的看到，常规的大球面电极基本上焊完60个点之后，焊点尺寸就非常不稳定了，向着一头大一头小方向发展，但是我们牛顿环电极焊完120个点之后，同样可以保持很好的圆度，同时焊点吸能也是比大球面电极高出10%。牛顿环电极从60点开始在环周围出现轻微粘黏，在210点之后依然仅在环周围，而大球面电极30点之后即严重粘黏。我们采用牛顿环电阻点焊焊接7xxx铝合金门槛。同时也在汽车厂商那里测试了电阻点焊+胶接铝合金车门的中试实验，焊点质量均满足实际需求。

在铝合金激光焊接方面我们也开展了很多工作，这些是一些案例。这是薄板1-1.5毫米，对产品有一个密封的要求以及承受保压要求，对焊接要求非常高。一个是要求没有气孔，一个是整个焊缝非常长。我们已完成相关产品测试，密封性能够满足需求。

在铝合金填丝焊和激光电弧复合焊，包括型材背壁不焊透，以及搭接各种类型的接头形式。

我们的工作还包括汽车材料的认证。材料主要包括各类钢种、铝合金和镁合金，方法主要包括电阻点焊，激光含，弧焊，胶接的各种方法。可以按照不同主机厂标准，行业标准，国标，ISO/AWS/SEP等开展相关测试工作，当前客户包括国内外不同的钢厂和铝厂。

在电阻点焊的测试上，我们提供材料的焊接窗口、接头性能、裂纹倾向、金相硬度、电极寿命等相关测试。在弧焊方面，我们给客户提供参数范围、接头性能、气孔扫描、裂纹检测等相关的测试。胶接方面包括胶接制样，常规固化、高低温固化，盐雾/高温高湿测试等等。

以上就是今天我们主要介绍的内容，这是杨老师和我的联系方式，如果大家有什么疑问或者需求可以后面再交流，谢谢大家。