激光釬焊及激光填絲熔焊在北京奔馳焊接中的應用

張 妍，韓 鵬，潘曉鋼

（北京奔馳汽車有限公司，北京100176）

激光釬焊及激光填絲熔焊在北京奔馳焊接中的應用

張 妍，韓 鵬，潘曉鋼

（北京奔馳汽車有限公司，北京100176）

從設備應用及質(zhì)量調(diào)整等方面介紹了激光釬焊及激光填絲熔焊在北京奔馳白車身上的應用。開發(fā)了一套完善的激光釬焊及填絲熔焊接系統(tǒng)，激光源選擇TRUMPF公司開發(fā)的TruDisk系列激光源，激光工作頭選用SCANSONIC公司開發(fā)的ALO3系列，并選配Weldeye系統(tǒng)對焊接過程進行監(jiān)控記錄；設計了一套基于ALO3激光工作頭的工藝調(diào)試辦法和參數(shù)設計，介紹焊接姿態(tài)、焊接參數(shù)以及焊接軌跡的設計；總結(jié)裸眼判斷焊縫質(zhì)量的方法，列舉了單邊連接不良、熔深以及氣孔等幾種常見的焊接缺陷以及優(yōu)化方法。結(jié)果表明，激光釬焊及激光填絲熔焊焊接質(zhì)量良好且長期穩(wěn)定，廢品率低。

激光釬焊；激光填絲熔焊；白車身；焊接質(zhì)量控制

0 前言

20世紀80年代中期，激光焊接作為新技術在歐洲、美國、日本得到了廣泛的關注[1]，經(jīng)歷使用改進，現(xiàn)已成為一種成熟的焊接技術。因其具有焊接速度快、焊接質(zhì)量高等優(yōu)點而被廣泛應用于整車廠焊接、管道焊接及其他焊接質(zhì)量要求較高的零部件加工。在此從設備使用及質(zhì)量控制等方面，介紹激光釬焊及激光填絲熔焊在北京奔馳的應用。

1 設備系統(tǒng)選型

激光釬焊/填絲熔焊接系統(tǒng)主要由激光源、激光工作頭、送絲系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、激光房、機器人、PLC、送絲系統(tǒng)、激光焊接質(zhì)量檢測單元及激光功率檢測等組成。

1.1 激光源選型

激光源是產(chǎn)生激光的設備，本研究選用TRUMPF公司研發(fā)的碟式激光器TruDisk 4C系列激光源。激光源及相關設備選型如表1所示。

表1 激光源及相關設備選型

1.2 工作頭選型

北京奔馳選用Scansonic公司開發(fā)的ALO3系列激光釬焊/熔焊工作頭，且選配基本一致。唯一不同的是光學比，激光釬焊為保證對母材的良好潤濕性，光學比選為2.1，激光填絲熔焊光學比選為1.0。ALO3激光頭選配：自動調(diào)焦模塊、擺臂模塊、力平衡及重力平衡模塊、伸縮臂模塊、絲嘴位置調(diào)節(jié)模塊，如圖1所示。ALO3上還安裝了Lessmuller公司開發(fā)的Weldeye模塊來記錄焊接過程信息。

圖1 ALO3示意

（1）伸縮臂模塊。伸縮臂內(nèi)置直線電機，可以隨著板件的上下浮動而浮動，并對板件施加一個相對恒定的壓力。

（2）自動調(diào)焦模塊。調(diào)節(jié)焦點位置，從而調(diào)節(jié)打在板件上的光斑大小。此模塊可設置模式為隨伸縮臂上下浮動，保證打在板件上的光斑不會隨ALO3相對于板件上下浮動而改變，從而保證焊接過程穩(wěn)定。

（3）擺臂模塊。擺臂模塊為焊縫追蹤功能提供了自由度，可以隨焊縫擺動而擺動。

（4）力平衡及重力平衡模塊。ALO3的伸縮臂上安裝有力傳感器和傾斜傳感器，用于測量擺臂所受到的外力（重力和機械結(jié)構施加的力）。擺臂模塊上安裝有電機來平衡此外力，從而保證擺臂不受外力影響，只受參數(shù)操控。

（5）絲嘴位置調(diào)節(jié)模塊。為保證絲嘴絲末段和激光點重合，選用絲嘴調(diào)節(jié)模塊，可以從x、y、z方向調(diào)節(jié)絲嘴位置去適應光斑位置。激光斑點位置不做調(diào)整。絲嘴位置調(diào)節(jié)模塊如圖2所示。

（6）Weldeye系統(tǒng)。ALO3激光工作頭上選裝有Weldeye攝像機，方便調(diào)整絲嘴位置（見圖3a），精度0.1 mm，并記錄焊接過程。Weldeye系統(tǒng)收集激光功率、絲速及ALO3工作過程中各參數(shù)值的變化，為焊接中出現(xiàn)的問題分析提供依據(jù)（見圖3b）。

1.3 送絲系統(tǒng)選型

要求選擇送絲精度高、可控性強的送絲系統(tǒng)。北京奔馳激光釬焊及激光填絲熔焊選用ABICOR

BINZEL公司開發(fā)的送絲機構，該送絲系統(tǒng)出絲端安裝有拉絲馬達機構，相比只安裝推絲馬達機構的送絲系統(tǒng)反應更加迅速，絲速控制更加精確。

圖3 Weldeye功能簡介

2 焊接過程方法及參數(shù)設計

2.1 焊接姿態(tài)設計

（1）絲嘴在光路方向投影與焊縫夾角為零，如圖4a所示。此設計是準確施加焊縫追蹤側(cè)向力及伸縮臂壓緊力的前提，確保了焊縫跟蹤的準確、穩(wěn)定和可控。

（2）ALO3在焊接方向上傾角大于7°，如圖4b所示。此設計防止大量反射光返回ALO3激光頭光路。

（3）ALO3激光頭式與焊接平面呈適當角度，使激光斑點均勻地分布于兩板之間。此設計保證兩板上的焊縫均勻，熔深相似，如圖4c～圖4e所示。ALO3對于搭接焊縫，傾角為45°～60°；對于等高對接焊縫，傾角為0°；對于不等高對接，根據(jù)高度差選擇傾角為20°～45°。

2.2 焊接參數(shù)設計

激光釬焊及激光填絲熔焊主要的工藝參數(shù)有焊接速度、激光功率大小、送絲速度、離焦量、伸縮臂給焊縫的壓力（TA力）、側(cè)向焊縫追蹤力（SA力）等。北京奔馳正在使用的一套參數(shù)如表2所示。

（1）焊接速度。

焊接速度除了受到激光功率的制約，還受機器人及激光工作頭的性能影響（信號傳輸及其反應速度是否滿足高速焊接的需求）。為保證焊接質(zhì)量及其穩(wěn)定性，焊接速度設定為0.6～0.7 m/s。

（2）激光功率。

激光功率選取主要基于焊接速度、焊接工藝、焊接板厚、送絲速度及離焦量。激光釬焊所需激光功率相對激光填絲熔焊較??；焊接板厚越厚，為獲得合適的熔深，所需激光功率也就越大；送絲速度增大或離焦量增大，所需的激光功率也隨之增大。北京奔馳一般使用釬焊焊接的板件厚度為0.7～1.6 mm，激光功率設置為1 800～3 000 W，填絲熔焊焊接板件厚度為1.2～1.8 mm，激光功率設置為4 500～6 000W。

（3）送絲速度。

送絲速度主要根據(jù)板厚和焊接速度決定。板越厚，所需填充的焊絲也就越多，焊接速度一定時，所需的送絲速度就越大。

（4）離焦量。

離焦量調(diào)整的目的在于變化光斑的大小。對于激光釬焊，還影響到對母材的潤濕性。打在焊縫上的光斑應大于焊絲直徑以保證焊接穩(wěn)定性及對母材充分的熔化或加熱。對于激光填絲熔焊，光斑過大會使能量不夠集中，過小則不能很好熔化母材，一般調(diào)整光斑大小約為1.5 mm。查表光學比1.0，光纖直徑0.6 mm，離焦量為6～7 mm。對于激光釬焊，可使用較大光斑，中心能量高用于熔化焊絲，邊緣能量低用于加熱母材，保證良好潤濕性，一般將光斑調(diào)整為2 mm。查表光學比為2.1，光纖直徑0.6，離焦量15～18 mm。

（5）伸縮臂對焊縫壓力（TA力）。

為了保證焊接過程中伸縮臂良好的仿形功能，

需要有一個沿伸縮臂方向作用于工件表面的TA力。過小的TA力會使焊接過程不穩(wěn)定，甚至發(fā)生絲嘴跳出焊縫的現(xiàn)象；過大的TA力會使焊絲彎曲變形，影響焊接效果。對于碳鋼焊絲，TA力設為2～ 3 N；對于釬焊焊絲，由于焊絲較軟，TA力一般設為1.5 N。

圖4 焊接姿態(tài)示意

表2 工藝參數(shù)

（6）側(cè)向焊縫追蹤力（SA力）。

為了保證焊縫追蹤功能的準確有效，除了TA力外，還需要有側(cè)向焊縫追蹤力，尤其對于搭接焊縫效果顯著。一般SA力設為0～0.7 N。SA力和SA力方向如圖5所示。

圖5 SA力和TA力方向示意

2.3 焊接軌跡設計

焊接軌跡設計為每段焊縫最少由8個點組成，每個點的焊接策略如表3所示，焊接軌跡設計如圖6所示。

表3 焊接軌跡方案

圖6 焊接軌跡設計示意

3 激光釬焊焊接缺陷控制

激光釬焊在北京奔馳用于焊接外觀件，因此對焊縫外觀要求較高。

3.1 良好焊縫特點

（1）釬焊搭接焊縫。

a.焊縫均勻平滑的連接上下兩板件；b.足夠的熔深：焊縫背面能看到焊縫區(qū)域均勻的淺棕色燒痕；c.焊縫飽滿且呈凸起圓弧狀，平滑過渡連接上下兩板件；d.焊縫高度等于上板件高度，焊縫寬度約為板件厚度的2倍；e.焊縫顏色為光亮的金黃色；f.母材無燒蝕痕跡。

良好的釬焊搭接焊縫如圖7所示。

圖7 良好的搭接釬焊焊縫

（2）對接釬焊縫。

a.兩板件上的焊縫寬度大致相同且大于板厚；b.兩板件焊縫形貌呈凹陷圓弧，均勻連接兩板件；c.足夠的熔深：兩板背面焊縫處能看到焊縫區(qū)域均勻的淺棕色燒痕，且兩板燒痕顏色相近；d.整條焊縫均勻平滑；e.焊縫顏色為光亮的金黃色；f.母材無燒蝕痕跡。

良好的對接釬焊焊縫如圖8所示。

圖8 良好的對接釬焊焊縫

3.2 焊縫缺陷

以搭接釬焊焊縫為例，例舉幾個常見焊縫缺陷及其成因。

（1）單邊焊接不良缺陷。

單邊焊焊接不良缺陷是指焊縫中出現(xiàn)了只連接了一側(cè)工件，而對另一側(cè)無連接或連接不良的焊

縫段。表現(xiàn)為焊縫單側(cè)無連接、單側(cè)孔缺陷，如圖9所示。

圖9 單側(cè)孔缺陷示意

形成原因是側(cè)板件加熱不足，產(chǎn)生因素為激光光斑位置不佳、光斑過小等，使焊縫連接不良一側(cè)板件加熱不足，導致熔化的焊絲無法良好潤濕母材。

解決方法是保證焊絲末端與激光半點重合，調(diào)整激光工作頭ALO3與工件夾角，增加激光斑點在缺陷板件端的分布。必要時適當調(diào)大離焦量，即增大光斑，增加受熱區(qū)域。

（2）紅斑缺陷。

紅斑缺陷表現(xiàn)為焊縫表面有紅色斑塊；焊縫對上板連接不均勻；下板焊縫邊緣燒蝕；焊縫表面不均勻；焊縫背面深褐色甚至黑色。紅斑缺陷示意如圖10所示。

圖10 紅斑缺陷

形成原因是打在板件上能量過高，產(chǎn)生因素為光斑過小、焊接功率過大等。

（3）熔深缺陷。

熔深缺陷表現(xiàn)為焊縫表面粗糙，焊縫凸起弧度大且高度略高于上板，焊縫背面燒痕淺，如圖11所示。

圖11 熔深缺陷

形成原因是打在板材上能量過小，產(chǎn)生因素有焊接功率小、送絲速度快、光斑過大等。

（4）氣孔缺陷。

氣孔缺陷指焊縫表面出現(xiàn)針眼大的小孔，如圖12所示。

圖12 氣孔缺陷

形成原因是板件上鍍鋅層受熱成氣態(tài)揮發(fā)后從焊縫表面逸出。產(chǎn)生因素有兩板間距過窄、焊接功率過高，上下兩板間隙保持0.2 mm最佳。

（5）焊縫不飽滿缺陷。

焊縫不飽滿缺陷主要表現(xiàn)為上下兩板焊縫連接呈凹陷的圓弧，甚至焊縫無法覆蓋上板邊緣，如圖13所示。

圖13 焊縫不飽滿缺陷

形成原因是送絲速度過低或兩板件間隙過大。解決方法是提高送絲速度或減小兩板之間的距離。

4 結(jié)論

從系統(tǒng)設計選型、工藝參數(shù)設計以及質(zhì)量缺陷控制等方面闡述了激光釬焊及激光填絲熔焊在北京奔馳的應用。北京奔馳激光釬焊及激光填絲熔焊技術在長期的生產(chǎn)實踐中保證生產(chǎn)高質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

[1]陸斌鋒，蘆鳳桂，唐新華，等.激光焊接工藝的現(xiàn)狀與進展[J].焊接，2008（4）：53-57.

Application of laser brazing and laser fillet welding in BBAC

ZHANG Yan，HAN Peng，PAN Xiaogang
（Beijing Benz Automotive Co.Ltd.，Beijing 100176，China）

With the background of the body shop in Beijing Benz Automotive Co.Ltd.，the application of laser brazing and laser fillet welding is described in this paper.The system of laser brazing and laser fillet welding was developed，which based on TruDisk laser source designed by TRUMPF and ALO3 optic designed by SCANSONIC.The Weldeye system amounted on the optic was used to monitor welding process.A method of process optimization and parameter setting was designed，including welding posture of the ALO3，welding parameter setting and robot path of the welding process.A method of checking quality of the welding seams using human eyes was concluded.Some kinds of defects and the ways to optimize them were illustrated like jointing fault and pores.The result shows that with the equipment choosing,welding technology，parameter design and quality control，laser brazing system and laser fillet welding system are stable,and the quality of the seams can meet the requirement.

laser brazing；laser fillet welding；BIW；welding quality control

TG456.7

B

1001－2303（2016）09－0048-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.12

2016-02-13；

2016-04-16

張妍（1989—），女，內(nèi)蒙古人，工程師，碩士，主要從事激光焊接、點焊、電弧焊等設備的運營與維修工作。