人们对车身设计工程师有着越来越多的要求，希望在降低车体重量和成本的同时，提高安全性和车辆性能。这就促使了激光焊接在车身结构方面的应用不断增长。本文重点讨论了激光焊接钢板和激光焊接结构钢管这两方面应用技术开发的最新进展。这两种应用提供了一种新的手段，成功满足了最近开发的汽车产品在成本、重量和安全性方面的新目标。
对于激光拼焊钢板来说，今年预计在每辆车上将使用六块拼焊板，而2008年目标是每辆车上使用八块拼焊板，这表明了此项技术应用上的增长趋势。在使用非线性焊接上的新进展以及拼焊板所具有的“A”级特性都有助于推动这一增长。
图2：上掀式车门内部的曲线焊接应用
激光拼焊为设计工程师们提供了一种方案来减轻重量，降低零件复杂程度并提高安全性。最近的一项应用是，在过去24个月的大规模生产中，激光拼焊板被用于卡车车门板上。这项技术有许多的优势，我们将在下文逐一说明。对裸露的钢板材料进行加工，其难点在于要保持A级的表面完整度，也就是说不能产生刮痕或者凹痕。这个问题可以通过重新设计加工设备来解决，所有加工设备被重新设计后，大大减少了滑动以及零件和金属之间的碰撞。大量增加机器人的使用，用以进行材料装卸等操作。同时，在加工过程中加入了在线表面检测站，从而确保所有交付的部件都没有瑕疵。到目前为止，采用这项工艺的结果与冲压厂相比，其表面的缺陷比率低于十万分之一（10 ppm）。
由于可使用激光拼焊板，车身设计工程师们能够设计出一种部件，使得每辆汽车使用的钢材比传统设计节约了36.46千克，这主要通过将车身每一侧的钢板用量从五块减为一块。
这项技术使得设计工程师可以降低部件重量和钢材用量，而这正是降低部件成本的关键。使用多个组件来构成拼焊板也促使钢材的使用量大大降低。拉模过程中进行了大量优化钢板的工作，进一步降低了钢材的用量。用于驾驶室钢板的废料被回收，并用于汽车其它部件中，这又进一步降低了这个项目中的钢材需求。
车身设计工程师还可以改善车辆的NVH性能（噪音、 振动、颠簸），他们避免使用增强支架，而只在需要增加强度的地方放置更高规格的钢板。薄规格的激光焊接材料是一种电镀锌的EESK材料，它是由Mittal钢铁公司提供的1.0mm厚的材料焊接到2.0mm抗凹痕210 HD非裸露材料上而构成的。每块材料都是在钣金冲压生产线上加工，该生产线对材料进行了清洗，并且在清洗过程之后对钢板进行了规定的预润滑过程。在系统设计的初期，对材料的要求和钢板冲裁模的设计是同时进行的。
一个多职能的团队包括了以下的成员：来自钢铁公司的人员，钢板供应商，激光拼焊员，成形模的供应商，以及最终用户，他们为这一过程提供参数。他们进行了无数的成形仿真，以优化钢板的构造，这些结果被检验后，将在项目中成形模的试验阶段被进一步优化。
模具试验过程中关键的一点是必须在拉模成形阶段有效控制焊缝的位置。这一位置可以通过改变最后的冲裁模精度，直到实现所要求的运动参数为止。
焊缝的位置在完工的产品上是可见的，这样，焊缝的位置对于车辆的外观来说就极为重要。成形加工好的面板图片如图1所示，图中概括了其优点。
最近开发的曲线焊接技术为成形与产品设计工程师提供了又一种技术，利用此技术可以优化成形的性能，并且可以确定厚度和合金钢的最佳位置，从而更好地提高零件的质量。与常用于线性激光焊接中的传统型单轴或者固定光路焊接系统相比，这项技术由于使用了多轴光束传导和运动系统而增加了复杂性。 nextpage
图4：冲压成形的多直径激光焊接钢管
曲线焊接的好处是巨大的。即使是对于非线性焊接的有害特点（即多个焊缝在一个特定的点相交时会导致应力升高），通过使用曲线半径也能够加以消除。这种修正过的焊接路线所带来的焊接连续性特点，使得焊接过程可以被不断优化以实现更好的成形过程。对上掀式车门设计的一项建议所进行的成形仿真如图2所示，并指出了使用曲线焊接过程的相关优势。
目前，曲线焊接工艺已经成为在激光焊接后车门面板中最常用的技术。厚规格的钢板的弯曲半径的存在消除了焊接过程中应力的升高，它同时也为车身设计师提供了一种方法，使得车门内部面板仅有一块钢板的厚度，这就降低了风噪以及其他有关车门密封的问题。随着车身设计师们继续找寻方案来提高车门密封质量并降低部件整体重量，我们看到现在的趋势开始向多半径厚规格工件的局域焊接方向发展，这一技术趋势可以满足车门密封对于均一厚度的要求，同时满足了车门铰接区域的强度要求。图3表明了在车门内饰件家族中曲线焊接技术的应用呈上升趋势，也指出了未来潜在的应用方向。
激光焊接结构钢管的开发为设计工程师们提供了又一种技术，以改善车辆重量、成本和安全性。钢管可以利用激光拼焊的钢板来焊接得到，利用不同的合金和不同规格厚度的钢材，可以为产品的设计提供额外的能力。
通过使用获专利的冲压成形过程，成形后的钢管能完全优于液压成形所要求的级别，且可免去液压成形这一在生产成形钢管中的必需过程。多重直径的钢管可被用于净成形应用中，或者可以与液压成形相结合来提高直径-厚度的比率，从而使得设计工程师可以扩大结构钢管产品的应用范围。使用激光拼焊板可以利用局部厚度和合金化，从而进一步提供设计的灵活性。
图4突出了冲压成形加工后的激光焊接钢管的应用潜力。它使用激光拼焊板构成，被用于仪表板的横梁。这个应用仅通过冲压成形过程就实现了，免去了使用液压成形的需要。
图5说明了一个结构钢管的安全应用，它被用于冲压成形的前后框架的碰撞端中。这些部件目前是利用液压成形技术生产的，或者生产蛤壳状的组件，并利用MIG焊接连接起来。通过使用激光焊接来连接组件，以及使用已获专利的冲压成形过程，生产的碰撞端在重量，安全性和成本上都具有优势。通过使用不同的合金和不同厚度规格的钢材作为原始的钢板材料，可以进一步优化碰撞过程，实现在各种碰撞速度下冲撞时必须具备的特性。这样，具有通用外形的钢管，使用了不同的合金和不同规格的厚度，可以被用于多种车辆生产线上。
总的来说，由于利用了最近在激光焊接领域的技术发展，车身设计工程师可以有附加的工具来满足对于产品日益增长的需要。通过使用激光拼焊板，或者利用曲线激光焊接钢板，设计工程师们可以进一步降低部件的复杂性，减少重量，提高安全性，并且降低成本。随着这些技术不断发展，越来越多的车辆会利用这些技术。冲压成形激光焊接钢管出现的同时也为设计工程师们提供了一种方法，以便进一步提高车辆安全性，并且可以利用激光焊接钢管技术的结构优势。这些应用还可以与激光拼焊技术领域的其他进展相结合，尤其是可以利用最先进的高强度钢材来进一步提升21世纪车辆的性能。
Jim Degen是Noble金属加工公司（Detroit, MI）工程部副主席，
Steven Jansen是该公司工程项目经理，负责先进管材产品，
Paul McKune是应用工程师。
