激光釬焊焊接工藝影響因素分析

李興陽 周 麗

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000；2.長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130607）

車身頂蓋和側(cè)圍激光釬焊以光束傳輸熱源，熔化釬料，連接兩基材，此種焊接方式較傳統(tǒng)激光釬焊需要更為嚴格的工裝夾具，以保證車身拼配，達到穩(wěn)定的接頭間隙，以利于形成穩(wěn)定的焊接接頭。與此同時，對涉及焊接系統(tǒng)內(nèi)的激光焊機、焊接鏡頭、送絲系統(tǒng)和保護氣體等設(shè)備的穩(wěn)定性要求甚高。因此，激光釬焊焊接工藝影響因素和此系統(tǒng)內(nèi)的各個設(shè)備息息相關(guān)，只有匹配好各個設(shè)備間的運行參數(shù)和焊接工藝要求，并保證逐個環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，才能得到合格并穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量。

1 工裝夾具和板材匹配

頂蓋和側(cè)圍的搭接屬于卷接方式，且在X、Y、Z 直線系內(nèi)均需保證一定的功能尺寸定位和車身匹配。側(cè)圍和頂蓋的車身定位在Y 向需要采用電機帶動直線和回轉(zhuǎn)類工裝夾具進行定位和夾持固定，機械化的傳動方式涉及氣動傳動、液壓傳動和電力傳動等；在Z 向需要對頂蓋進行下壓，以保證和側(cè)圍的貼合度，采用了真空閥傳動方式。激光釬焊的完成借助于SEF 機器人，其重復(fù)定位達到0.02mm，機器人焊接任務(wù)的完成相對于夾具屬于變位置焊接，因此，對變位機械夾具應(yīng)具備如下性能：變位機械需要有較寬的調(diào)速范圍，穩(wěn)定的運行速度以及良好的結(jié)構(gòu)剛度；直線傳動過程中需要穩(wěn)定的滑道系統(tǒng)，并有自鎖和軟性緩沖功能；與焊接機器人和精密焊接作業(yè)配合的傳動機構(gòu)的重復(fù)定位精度控制在0.02 至0.05mm 之間；良好的水、電、氣連接和防護措施；整個結(jié)構(gòu)要有良好的密閉性，以免焊接飛濺物對滑道和汽缸拉桿造成損傷；頂蓋和側(cè)圍焊接區(qū)域干凈整潔無異物，防止因灰塵造成熔池污染或損傷焊接鏡頭鏡組和真空吸盤；夾具夾頭（夾爪）在X、Y、Z方向可調(diào)，便于增減墊片，針對弧形薄板接觸夾頭采用硬樹脂材質(zhì)，減少接觸沖擊力，防止零件變形；應(yīng)滿足導(dǎo)線接地、隔磁和絕緣等方面的特殊要求。

除上述要求外，焊接夾具的設(shè)計原則和其他機械設(shè)計原則一樣，首先必須使焊接機械裝備滿足工作職能的要求，在這個前提下還應(yīng)該滿足操作、安全、外觀、經(jīng)濟上的要求。

2 激光功率和送絲設(shè)備

固體激光器光束可以通過光纜進行遠距離傳輸，將激光焊機和焊接工位分開以保證焊接工位封閉對操作人員的安全，這一優(yōu)點正是該類型激光器得以廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)的原因。焊接過程中金屬對激光的吸收與激光波長、材料性質(zhì)、溫度、表面狀況、偏振特性等一系列因素有關(guān)。

激光被加工材料吸收后將光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能。在不同的激光輻射照度下，材料表面狀態(tài)將發(fā)生不同的變化，這些變化包括溫度的升高、熔化、汽化并形成小孔、產(chǎn)生等離子體等，材料表面物態(tài)的變化反過來又極大地影響材料對激光的吸收。綜合熱鍍鋅、釬料Cusi3 和基材碳鋼的材料性質(zhì)，在保證離焦量和焊絲位置不便的情況下，激光釬焊對功率的需求在2500-3500W 之間，但這個功率需要同焊接速度和送絲速度做匹配。

激光束照射到焊絲上時，對焊絲將發(fā)生三方面的作用：一部分激光被焊絲吸收，使焊絲升溫、熔化，成為熔池的一部分；一部分被焊絲反射掉；余下的一部分則加熱焊絲熔化形成熔池后的兩側(cè)基材并通過焊絲中形成的小孔，穿透焊絲對下面的工件加熱。焊絲對激光的吸收、反射和被透射的具體形式以及三部分能量的分配比例，隨著焊接參數(shù)的變化而變化。研究表明，當送絲速度超過5m/min 后，被反射的光束能量達到一個飽和值，為光束能量的35%，而50%的光束能量被吸收，余下的15%則是透過焊絲和被金屬蒸氣等離子體帶走能量的總和。除送絲速度外，焊絲和光束位置、送絲方向、焊接速度都有交叉影響，因此，互相制約的參數(shù)選擇必須嚴格控制和匹配。

與此同時，功率的匹配需要和焊接鏡頭發(fā)射的光束同焊接區(qū)域的夾角做考慮，不同的夾角，對板材的吸收和發(fā)射率不同。該夾角對于送絲設(shè)備而言，即送絲角度，送絲角度是焊絲和板材表面的夾角，為激光釬焊的一個重要的參數(shù)。依據(jù)經(jīng)驗，夾角通常選在35-45°，角度過大或過小對送絲的穩(wěn)定性和準確性都是不利的。因為，為避免工件或管束的干涉，焊絲導(dǎo)向嘴需要安裝在距離焦點較遠的位置，使焊絲從導(dǎo)向嘴外伸的非導(dǎo)向段過長，影響Cusi3 焊絲對熔池的指向性。

焊絲同光束的相對位置是激光釬焊的一個重要參數(shù)，它不僅影響焊絲的熔化速度，而且對焊縫的成型質(zhì)量也有很大的影響。理想的要求是光束焦點位于工件表面，而焊絲位于光斑的中心，此時焊縫成型最好，焊絲熔化量最大；焊絲如偏離焦點位置，無論在高度（Z 向）或橫向（Y 向，與焊接方向垂直）偏離焦點，熔化量都會下降。為確保每件焊縫起始端焊絲位于焦點中心，常采用激光切絲或切絲機切絲。

關(guān)于焊絲對激光的反射和送絲速度的關(guān)系，幾乎所有的研究均表明，隨著送絲速度的增加，焊絲對激光的反射增強。不同激光功率時送絲速度與焊絲對激光束反射比的關(guān)系，在一定激光功率下，送絲速度越高，被焊絲反射的激光功率越高，反射比也越大；而送絲速度一致時，激光功率越大，則反射比越小。例如，當入射激光功率為1kW 時，送絲速度由1m/min 增加到5m/min 時，焊絲對激光的反射比從12%增加到47%；當激光功率為5kW 時，相應(yīng)的反射比曾由4%增加到9%。

3 激光焊接鏡頭和保護氣體

自適應(yīng)性焊接鏡頭將激光光纜傳輸?shù)墓馐M行準直聚焦后，得到所需要的的光斑和相應(yīng)的功率密度，其準直和聚焦透鏡需要進行水冷，以防止鏡組漫反射造成灼燒。為了彌補焊縫在高度（Z 向）和寬度（Y 向）位置的變化，鏡頭廠家提供的焊接鏡頭在Z 向增加了壓力彈簧和直線位移傳感器；在Y 向采用電機驅(qū)動，使送絲頭部一直沿著焊縫區(qū)域?qū)蛳氯?。Z 向和Y 向的偏離量將通過鏡頭控制軟件反饋，以便操作者對軌跡進行修正和試教。為了保證焊接鏡頭的運行穩(wěn)定性，在機器人程序編制過程中需要依據(jù)鏡頭焊接模式進行切換，尤其在鏡頭探測模式，需要較寬裕的空間并避免夾具干涉，防止鏡頭報警。在焊縫模式下，匹配合適的導(dǎo)向力，以適應(yīng)頂蓋和側(cè)圍的搭接Y 向偏差，但需要注意，一旦±Y≧0.2mm，鏡頭Y 向電機將出現(xiàn)過載報警，鏡頭導(dǎo)向模式已超出最大工作范圍，導(dǎo)向功能消失并使鏡頭產(chǎn)生報警，此時需要人為調(diào)整頂蓋和側(cè)圍的匹配。

［1］胡倫驥.汽車板激光焊工藝研究[J].鋼鐵研究，1995（5）.

［2］陳俐.YAG/MAG 激光電弧復(fù)合焊工藝研究[J].工藝與新技術(shù).2004（4），33（4）：21-23.

［3］Kazutoshi NISHIMOTO，and Hiroaki MORJ，Effect of Nitrogen and Solidification Mode on Hot Cracking Susceptibility in Laser Weldsof Austenitic Stainless Steels[J]，Proc.of SPIE Vol.4831：214-222.