當前，盡管激光焊接已經深入汽車制造領域，比如在車身、車門、副車架、電機殼體、動力電池模組和電池包上都有應用，但焊縫質量一直是實際應用中的難點。如何保證激光焊縫質量，就需要根據激光焊接的關鍵特性，在產品開發設計、工藝規劃、裝備設計及檢測過程，進行全過程管控。在本文中，筆者將以車身頂蓋與側圍機器人激光填絲焊接為例，總結了從設計、規劃、調試、測量、統計和批量生產階段的全過程系統解決方案。

焊接工藝問題的提出

國產汽車上很少有激光焊接的應用，究其原因是汽車工程師對薄板件激光焊接沒有正確理解，設計的關鍵特性無法滿足工藝要求，并且在沖壓工序、焊接工序、關鍵型面檢測等環節上都缺乏有針對性的控制。比如當焊接裝配車身骨架時，側圍焊接總成與頂蓋總成的匹配間隙無法保證，造成燒穿、漏焊等重大缺陷，此時由于缺乏有效對策，焊縫質量不能滿足整車強度、密封淋雨的要求，屬于嚴重質量缺陷。

圖 1：汽車產品項目開發流程圖及應用工具

對此，筆者總結了目前車身激光焊接存在的問題，提出了車身機器人激光焊接全過程及系統性的解決方案，通過幾何尺寸公差（GeometricDimensioningandTolerancing）規范產品技術文件，明確關鍵特性要求，并將關鍵特性要求準確傳遞給產品車身沖壓及焊接工藝工程師、測量工程師，從而規劃有效的工藝路線和工藝裝備，配置適宜的測量設備及檢具，確保激光焊接焊縫的質量符合工藝要求。

圖 2：頂蓋與側圍結構圖

汽車產品的開發過程是一個綜合復雜的項目，就車身激光焊接而言就涉及到產品、模具、檢具、焊接夾具、測量系統等。IATF16949（原IS0/TF16949）質量體系文件，將汽車從項目啟動、開發設計、過程規劃、生產調試及批量生產、市場反饋及改進的五大階段進行了定義闡述。

圖 3：側圍工序圖

先期產品質量策劃（AdvancedProductQualityPlanning）、失效模式及影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis）、測量系統分析（MeasurementSystemsAnalysis）、統計過程控制（StatisticalProcessControl）、生產件批準程序（ProductionPartApprovalProcess），以此作為汽車產品開發流程指南。其中先期產品質量策劃作為項目管理（PM）總綱，定義了各階段的具體要求，筆者結合車身激光焊接的具體案例進行分析總結。

車身激光焊接關鍵控制點

決定車身激光焊接質量的硬性因素包括：在產品開發設計階段是依據產品功能需求及關鍵特性，確定頂蓋、側圍、內板及關鍵的側圍總成，車身骨架總成的幾何尺寸公差；在產品工藝規劃階段是規劃激光焊接設備、車身鈑金件沖壓模具、檢具及測量設備；在沖壓工藝分析階段是結合“幾何尺寸公差”和“參考基準點系統”（ReferencePointSystem），規劃側圍總成、車身骨架總成專用焊接夾具、檢具及測量儀器和設備。

圖 4：側圍總成焊接關鍵工序圖

另外，工程師還需要理解焊接位置的工藝補償，克服沖壓件自身的面輪廓度公差和位置度公差，從而實現模具精度、成本和焊接質量之間的最優平衡。

幾何尺寸公差在產品設計的應用

針對頂蓋、側圍兩大車身外覆蓋件，關鍵點是如何在三維或二維數據中定義形位公差，通過參考基準點系統定義合適的產品公差，并統一前后工序的定位基準。筆者在試驗時，結合了設計失效模式及后果分析（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），梳理了關鍵技術和質量特性，并結合測量系統分析，提出產品試驗驗證及測量檢測要求。其中，最重要的是設計型面公差，并將其準確傳遞給工藝和測量工程師。接下來，筆者以側圍為例說明。

現在有工程師會采用標注線性尺寸公差的方式，這樣做無法滿足車身激光焊接的匹配精度要求。對于型面公差要求為±0.5mm，以Y方向坐標為例，側圍Ysb=620±0.5mm、頂蓋Yroof=620±0.5mm，最大間隙誤差Tmax=(YsbmaxYroofmin)=(620.5-519.5)=1mm>0.35mm。因此，激光填絲焊接只會偏向一側，無法形成完整焊縫，另一側因為沒有焊絲填充，會形成空腔。最大干涉誤差Tmin=(Ysbmin-Yroofmin)=(519.5-620.5)=-1mm<0.00mm，側圍與頂蓋在裝配過程就會發生擠壓干涉，激光光斑有可能直接擊穿頂蓋或側圍。

理解產品關鍵特性和工藝過程關鍵特性

對于車身X、Y、Z坐標系，依據參考基準點系統側圍基準孔是A、B、C，其中基準孔A是第一基準，基準孔B是第二基準，基準孔C是第三基準。在保證前后窗框、前后門框的基礎上，筆者又增加了側圍與頂蓋搭接面c-d的型面要求，其公差要求也更嚴格。

圖 5：鋁板模組激光焊接

從產品失效模式和失效分析判定（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），±0.5mm的型面公差將無法保證焊縫質量，頂蓋與側圍焊接處會漏水。2004年筆者所在的團隊在對后行李箱蓋做激光填絲焊接時，就因為在沒有定義好公差、模具設計制造、調試、檢測、測量延續電阻焊搭接工藝之前就進行了產品定義和工藝開發，最終只能通過TIG焊彌補焊接缺陷。

為了解決這一問題，筆者在后期的工藝開發過程中結合傳統尺寸公差，延伸了一個補充定義，型面公差在±0.5mm的基礎上增加了極差R的約束，即當公差為±0.5mm時，規定激光焊接搭接型面的極差控制在0.15mm以內。待模具制造完成后，筆者對零件掃描檢查，對型面偏差進行統計分析。結果顯示，例如當型面偏差75%的尺寸偏差集中在+0.4mm，那么偏差在-0.5mm，-0.2mm，+0.2mm之類的離散偏差就對模具進行修正，通過焊裝夾具的定位調整進行位置度補償，從而保證焊縫質量。

如果采用線性尺寸公差控制，雖然型面尺寸公差符合檢具要求，但實際在裝焊匹配時，零部件搭接間隙均勻性和一致性的表現不理想，有些間隙甚至超過2mm。以前激光功率偏小，激光焊絲不超過1mm，經常會出現單邊焊不上的嚴重缺陷。

2010年左右，筆者在進行高倍聚光模組高強度鋁板的機器人激光焊接時，根據尺寸公差要求，考慮了沖壓單件的搭接面的極差控制，使焊接質量基本得到保證。

隨著對激光焊接應用和研究的深入，我們導入了先期產品質量策劃和幾何尺寸公差規范，優化了項目開發流程，將產品、工藝、裝備、設備、質量和測量工程師組成了緊密的合作團隊。對于產品公差，筆者通過幾何尺寸公差進行了準確定義，根據產品關鍵特性要求制定沖壓檢測、焊裝總成、焊裝匹配檢測的規范，在車身骨架裝配焊接匹配、檢測上引入面輪廓度復合公差。這樣一來，產品要求、制造工藝、測量方法和技術就建立在統一的基準之上。

激光焊接存在的問題

激光填絲時的激光光斑為0.5mm，熱影響區小，易于控制焊接變形，焊接效率高，特別適合頂蓋和側圍焊接。但目前模具、夾具、檢具及測量方法缺乏全過程的系統性解決方案，主要問題有產品設計標準與模具設計規范、制造及調試精度不匹配；模具設計標準、補償與檢具設計及測量關鍵型面不匹配；測量技術及設備沒經過全面測量系統分析；模具、檢具、夾具設計、制造和匹配調試過程中，參考基準點系統缺乏延續和繼承，局部基準和系統基準的包容、約束、邏輯關系及累計補償關系缺乏理解；在后期調試中，沒有充分利用測量數據，進行統計分分析。

導入先期產品質量策劃等五大工具

無論是模組、后行李箱蓋、車門飛行焊接，還是車身激光填絲焊接，一直是困擾自主車企焊接的難題。2015年底，筆者所在的車企開發了一款車型，并決定車身頂蓋與側圍采用激光填絲焊接。為此筆者成立了一個攻關小組，根據先期產品質量策劃要求，運用幾何尺寸公差、車身尺寸工程、產品失效模式和失效分析判、潛在失效模式及影響分析（PotentialFailureModeandEffectsAnalysis）、測量系統分析、統計過程控制等工具，就產品設計標準、模具工藝構件圖及計算機輔助工程分析（ComputerAidedEngineering），利用測量系統分析現有的檢具設計標準能否滿足幾何公差要求，測量設備能否實現“0.01級別”的測量要求。

在試生產和批量生產時，關鍵點是如何利用“統計過程控制”工具，搭接間隙位置度和面輪廓度的一致性和穩定性。在2017年底推出的一款SUV車型上，筆者所在的技術團隊對每個環節進行了有效控制和測量驗證，經過對20輛車身的焊接調試，成功地焊接出完美的激光焊縫。

為了確保焊縫質量，就需要基于產品關鍵特性，保證頂蓋與側圍搭接面（長度2200mm）輪廓度之間匹配間隙（0.1mm-0.35mm）的要求。筆者所在的團隊研究編制了側圍、側圍總成及車身骨架總成失效模式及影響分析文件，作為模具設計、檢具設計、夾具設計、測量儀器配置的指導性文件。

接下來，筆者結合潛在失效模式及影響分析、測量系統分析和統計過程控制，說明事先進行沖壓工序分析對焊接工藝有著重要作用。潛在失效模式及影響分析結果顯示，側圍型面變形導致側圍與頂蓋焊接時超差，焊縫不連續和漏水。

接下來進行的是測量系統分析，掃描結果顯示仿形高強度鋁合金測量塊可移動；用0.01mm塞尺進行常規檢查；在調試階段移動全型測量塊，在檢具上將零件壓緊，用三維掃描設備進行掃描。

最后進行的是測量數據統計分析，統計圖表是把收集的制程巡檢數據依據統計學公式計算控制上、中、下線控制圖表，然后再把巡檢收集來的制程巡檢數據，描點在控制圖表上確認在工藝合格的區間內。

基于統計學的概念得出產品性能指數（PPK）和工序能力指數（CPK），之后在批量生產中綜合“人、機、料、法、環、測”等主因素的數據，用來指導后續的調整和改進工作。

激光焊接設備及參數分析

車身激光填絲焊接，利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲在光束能量持續加熱下融化形成高溫液態金屬，液態金屬浸潤到零件表面連接處，形成良好的冶金結合。需要注意的是，激光填絲焊接工件間的連接是通過釬料融合金屬形成的，母材不應該被激光熔化。

經過研究，筆者發現提升機器人激光焊接質量的條件有：夾具定位滿足焊縫的重復精度在±0.35mm，夾具夾緊后的間隙需穩定并小于0.35mm，送絲速度誤差需要穩定在±0.3m/min，機器人激光焊接軌跡的重復精度在0.1mm。

頂蓋焊縫效果確認及在線實時監測

頂蓋激光焊接質量，在保證搭接面間隙小于0.35mm的前提下，基本保證激光焊接質量，若搭接處縫隙有稍微偏移，也可通過系統糾正焊縫軌跡，從而保證焊接質量。

為預防批量生產時發生質量問題，激光焊接房應配備激光在線實時檢測系統。該系統有以下幾個作用：實時檢測搭接面間隙，判斷搭接面貼合處的坐標位置，實時檢測間隙是否超差，導致焊漏；檢測貼合面與激光焊接軌跡偏移，導致偏焊；檢測送絲系統是否正常送絲，有無卡絲現象。

一旦有異常發生，實時檢測系統會將異常信息及時反饋給可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）控制系統，停止焊接進行糾正。焊接完成后，實時檢測系統可以在20秒內完成激光焊縫的外觀質量檢查，可以檢查0.2mm左右的微小氣孔、0.2mm左右的細小裂紋和其他缺陷，確保激光焊縫在經過涂裝處理后不存在任何漏水現象。

結語

目前，激光焊接在汽車制造業已經得到了廣泛應用，為了讓激光焊接更好地發揮作用，應當對激光焊接有正確認識。筆者結合車身頂蓋焊接、后行李箱蓋焊接、鋁合金副車架焊接、高倍聚光模組焊接的失敗和成功的經驗體會，認為要想保證激光焊接的質量，首先需要保證沖壓件、焊接分總成件及骨架總成件精度，實現激光焊接的高質量焊接搭接縫隙。

其中，確保焊縫間隙質量則需要有高效的團隊協作，團隊中的每個成員需要深刻理解和熟悉產品結構的關鍵特性、幾何公差、關鍵工藝過程特性、測量方法和技術。另外，工程師需要重點關注模具精度、檢具精度、夾具精度、測量系統的重復性和再現性。

只有當項目管理到位，形位公差合理滿足產品功能要求，設計、工藝、測量基準統一傳遞準確，制造工藝裝備可靠、工藝補償有效，零部件精度符合公差要求，再配合實時在線監控，在每一步都做到位的情況下，車身機器人激光焊接焊縫質量才能達到理想效果。