激光相比其他工藝，優勢在于能量集中，穿透能力強，加工效率高，但對前道工序要求高。激光焊對翻邊尺寸的減重，在車門中的應用可減重8%。激光焊對產品結構設計方面的優化，可極大減少加工制造環節，減小冗余設計。目前，激光技術主要涉及汽車車身激光焊、熱成形板切割、鋁合金激光焊、塑料激光焊等。

圖1 車身輕量化的設計思路歷程

一、激光加工工藝

汽車板的激光焊接具有高能、高速、熱影響區小和焊縫質量高等優點，且焊接精度高，零件變形小，并能顯著提高車身的強度和剛度，已經在白車身的制造中得到廣泛應用。

比如一汽大眾所生產的奧迪、速騰、邁騰車型共采用激光焊縫1600余條，焊縫累計長度近70m，速騰白車身采用21臺激光焊機，焊縫長度為9m，整車強度提高了30%。

1. 熱成形技術及激光切割

隨著汽車輕量化的發展，熱成形工藝在汽車工業中的應用越來越廣泛。

表1 普通熱成形B柱與冷成形力學性能對比

如表1所示，熱成形工藝將鋼板的成形和熱處理相結合，先奧氏體化然后再馬氏體化，成形淬火后的零件，其強度和硬度大幅提高，屈服強度可達950MPa以上，抗拉強度可達1500MPa，是加熱前的2~3倍。

硬度可達420HV，至少是加熱前的2倍，但其伸長率大幅下降。由于熱成形板的強度和硬度特別高，最高可達1 500MPa，所以普通的沖壓設備難以加工，或者嚴重影響設備的使用壽命，對零件的產出效率也受到影響。

采用普通熱切割或者線切割，要么熱影響區比較大，切割質量無法達到要求，要么不適合加工復雜路徑且效率低下。

而采用激光切割是一種高能束加工，本身是一種非接觸式加工，不需要考慮材料的硬度，只需要保證材料有足夠的吸光能力，通過對熱成形板表面孔和周邊輪廓的切割，很好的保證了產品的結構和尺寸，同時加工效率也特別高。

對于普通的平面結構，可以采用三維平面切割設備。對于結構復雜的設備，可以采用機器人激光切割；單機器人切割，切小圓的圓度難以保證，需要配置專業的三軸輔助切割；對于結構復雜，精度要求較高的零件，需要用到三維五軸激光切割設備。

圖2 汽車熱成形板應用結構說明

汽車上用于熱成形加工的結構如圖2所示，包括橫向支撐梁、懸置固定架、門板加強筋、車頂側梁、車窗加強筋、后保險杠、中立柱（B柱）、門檻、前立柱（A柱）、縱向承載梁、前保險杠以及地板通道等。

熱成形工藝后，板材的強度顯著提高，采用普通沖壓工藝，難以達到傳統沖壓工藝的效果。通過三維切割，能夠實現結構件外輪廓和內部孔的切割，非接觸式加工，效率高、精度好、切面光滑且切割工藝穩定。熱成形和配套的激光切割工藝，是一種只需改變材料工藝，就能達到減重的解決方案。

三維激光切割機切割B柱系統

法利萊解決B柱熱成形件切割的方案如圖3所示，一套完整的B柱切割，包括外輪廓和內部孔洞，50s內完成，精度可以控制在0.01mm。

2. 激光拼板焊

激光拼板焊（見圖4）能夠將不同強度等級、不同厚度、不同鍍層的材料拼焊在一起（見表2），并進行整體沖壓成形，可以優化選材，減少零件及模具，節約制造成本，同時還能提高零件整體剛度，提供更好的安全性能，是當前汽車輕量化的主要技術之一。

B柱激光拼焊系統

表2 激光拼焊汽車用鋼的材料組合

激光拼焊板的特點（見圖5）是焊接熱輸入高、無填料、無搭接、速度快、熔深大、變形小、熱影響區小以及焊縫熱影響區晶粒細化等。

圖5 轎車前縱梁激光拼板改進說明

1）焊縫區的體積降低，不增加焊縫高度、接縫平整、幾何形狀熱應力集中小。

2）焊縫熱影響區狹窄，晶粒細小、焊縫強度高、對沖壓成形特性影響較小。

3）焊接自動化，生產率高、生產工件整齊、質量一致。

4）采用在線檢測，可保證焊縫的質量和幾何尺寸的精確性，對每一片拼焊板可精確進行跟蹤控制。

影響激光拼焊板質量的因素，主要包括對接間隙、激光光斑模式、激光功率、焊接速度以及氣體保護等。

由于激光光斑直徑一般小于0.5mm，如果對接間隙過大，則激光會直接穿透，不能對板料進行有效加熱而導致焊接失??；同時，由于工裝、夾具的影響，兩片板料對接時會存在間隙。

以板厚t為參考，通過對DP600雙相鋼的等厚拼焊研究表明，當對接間隙<0.18t時，得到的焊縫無明顯缺陷，當對接間隙<0.16t時，焊縫強度高于母材。在工程應用中，當t為0.5~3mm時，對接間隙應低于0.1t；當t為3~10mm時，對接間隙應低于0.05t。對于2mm厚的低碳鋼，對接間隙應低于0.12mm。

3. 車門激光焊應用

車門激光焊結構如圖6a所示，為窗框和內板的焊接，焊縫為紅色線段示意，實物如右圖6b所示。

6a 車門激光焊結構

 6b 車門激光焊實物

圖6c點焊和激光焊關于翻邊結構對應的翻邊結構寬度要求，激光焊翻邊尺寸要求為6~8mm，點焊翻邊尺寸要求為15~18mm。

圖6 車門結構翻邊尺寸設計對比（點焊與激光焊）

 c）翻邊結構寬度要求

采用激光焊代替點焊，就翻邊尺寸，可以減少8~10mm，按車門，側圍總長度計算如下。

圖7 側圍翻邊尺寸的計算

單就計算側圍翻邊尺寸縮短疊焊金屬板焊接對輕量化的影響效果。計算結果：左右前后14 200mm 翻邊長度×6mm 翻邊減少量×2mm板厚，即總質量減少1.86kg，約減重4%。

圖8 車門激光焊縫結構翻邊對比（搭接和疊焊，結構和實物）

如圖8所示，入口增大，以A柱為例，若由搭接改成疊焊，估算翻邊尺寸減少12 mm 寬度和高度，最終減重約8%。

4. 鋁合金激光焊

鋁合金是目前輕量化的熱門材料。研究表明，采用鋁合金材料適當減輕汽車的質量可以把油耗降低37%，懸掛裝置的負荷降低18%，振動強度降低5%。

以下分別比較凱迪拉克CT6、奧迪A8、捷豹XFL、蔚來ES8及特斯拉Model S等車型材料占比、白車身質量以及相應車身連接工藝。

圖9 凱迪拉克CT6車身結構

圖10 奧迪A8車身材料應用情況

圖11 特斯拉Model S鋼車身和鋁車身質量對比

另外，就特斯拉Model S鋁合金占比達61%提升到90%時，車身質量由原來的450kg下降到338kg，減重112kg，減重比例達到25%。

德國大眾全鋁結構Audi A2轎車上，激光焊縫的長度30m；其多功能轎車車身上更是大量使用激光焊接技術，總長度達到41m。

車身結構采用鋁合金激光焊，主要集中在頂蓋與側圍，后蓋外板上下板之間的連接，另外也包括一些車門內板和加強筋，側圍內外板等。

主要應用的材料為鋁合金5系（即5000，簡稱“5系”，下同）、6系，其力學性能優，焊接性能好；鋁合金激光焊容易出現的缺陷，主要為氣孔和裂紋，對于5系和6系，不填絲時采用擺動激光焊，填絲焊采用穩定光絲配合的激光頭，并填充4系的絲能很好的解決焊縫成形和缺陷問題。

鋼鋁混合是一種可行的解決方案，鋼鋁的連接性，在輕量化推進過程中，也將越來越多地被應用到實際車身結構中。

表3 幾種典型輕量化車型鋁合金應用對比和連接工藝說明