淺談白車身頂蓋激光釬焊產(chǎn)品工藝設(shè)計及焊接缺陷調(diào)試方法

余友松 王勇 邢家坤 程成 葉壘 張瑾

摘要：結(jié)合白車身頂蓋激光釬焊在東風(fēng)本田汽車有限公司的工業(yè)化實際應(yīng)用，探討了頂蓋激光釬焊產(chǎn)品工藝設(shè)計及焊接缺陷調(diào)試方法，重點介紹了頂蓋激光釬焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件尺寸精度控制、頂蓋激光釬焊生產(chǎn)線工藝規(guī)劃和平面布置、焊接缺陷調(diào)試方法，以及激光釬焊人工檢查及返修工藝。通過全面地介紹頂蓋激光釬焊產(chǎn)品工藝設(shè)計和缺陷調(diào)試方法，為后續(xù)新車型頂蓋激光釬焊產(chǎn)品設(shè)計和工藝規(guī)劃提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：激光釬焊?產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計 尺寸精度控制 工藝規(guī)劃 缺陷調(diào)試

中圖分類號：U466 ??????文獻標識碼：B ???DOI： 10.19710/J.cnki.1003–8817.20220298

Discussion on the Product Process Design and Welding Defects Debugging Method of Laser Brazing ofBIWRoof

Yu Yousong， Wang Yong， Xing Jiakun， Cheng Cheng， Ye Lei， Zhang Jin

（Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056）

Abstract： This paper discussed?the product process design and welding defects debugging method of the laser brazing of BIW roof based?on the industrial practice and application of the laser brazing of the BIW?roof in Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， and focused?on product structural?design of the laser brazing of roof，?component dimension?accuracy control， production line process planning and plane layout of roof laser brazing， welding defects debugging?method，?manual?inspection and repair process. By comprehensive introduction of process design and defect debugging method of laser brazing for BIW roof， the paper provided technical reference of laser brazing product?design and process planning for subsequent new vehicle roof.

Keywords：Laser brazing， Product structural design， Dimensional accuracy control， process planning， Defect debugging

1前言

傳統(tǒng)的點焊工藝在白車身頂蓋焊接技術(shù)中已不能滿足顧客對汽車的外觀品質(zhì)需求^[1]，而頂蓋激光釬焊具有焊縫美觀、速度快、熱影響區(qū)小、強度高、成本低、密封效果好等優(yōu)點，因此汽車企業(yè)在白車身制造中，積極引進和采用頂蓋激光釬焊接技術(shù)來適應(yīng)市場需求，汽車制造業(yè)領(lǐng)域這種需求為激光焊技術(shù)應(yīng)用提供的廣闊的發(fā)展前景^[2-5]。目前頂蓋激光釬焊產(chǎn)品工藝設(shè)計研究已日趨成熟，頂蓋搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計^[6]、截面尺寸設(shè)計對頂蓋激光釬焊質(zhì)量至關(guān)重要^[7]，另外激光焊接工藝參數(shù)設(shè)置也很重要，激光功率、激光頭偏轉(zhuǎn)角設(shè)置、出光和出絲延遲設(shè)置、送絲速度以及機器人焊接速度和焊接軌跡都會影響到激光焊縫的質(zhì)量^[8]。頂蓋激光焊接系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備選型和工裝夾具設(shè)計已有成熟應(yīng)用方案^[9]，激光焊縫接缺陷識別和定義，對激光焊接后品質(zhì)確認和人工返修提供了依據(jù)，而對焊縫缺陷的原因分析也為激光焊接缺陷的改善提供了方法^[10]。

東風(fēng)本田汽車有限公司在英斯派、十一代思域車型上引入白車身頂蓋激光釬焊工藝，本文結(jié)合英斯派、十一代思域項目頂蓋激光釬焊工業(yè)化實例，詳細介紹了頂蓋激光釬焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊裝工藝方案設(shè)計、焊縫的尺寸監(jiān)控、焊接缺陷調(diào)試方法、自動打磨返修和自動檢查外觀等。

2 白車身頂蓋激光釬焊介紹

激光釬焊（圖1）是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，焊絲在光束能量持續(xù)加熱下熔化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤到被焊零件連接處，在適當?shù)耐獠織l件下，使之與工件形成良好的結(jié)合，工件間的連接是通過釬料熔融金屬實現(xiàn)，母材本身不能被激光嚴重熔蝕損傷。

頂蓋激光釬焊應(yīng)用對汽車整車外觀品質(zhì)提升和成本消減有很大貢獻（圖2），側(cè)圍與頂棚搭接連續(xù)一體化，顏色統(tǒng)一化，使整車外觀更美觀；整車采用頂蓋激光焊技術(shù)后，可消減裝飾條及涂膠密封工序，整車成本可減少約90元/輛，大大節(jié)省成本；

3 頂蓋激光釬焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

頂蓋激光釬焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)點焊設(shè)計完全不同，所以在進行頂蓋激光焊產(chǎn)品設(shè)計和工藝審查時，需要注意以下幾點：

本章節(jié)主要羅列了一些產(chǎn)品設(shè)計和工藝審查要點：頂蓋與側(cè)圍產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計形式選擇、頂蓋與側(cè)圍搭接形式、頂蓋外板翻邊止口、頂蓋與側(cè)圍裝配后的間隙、起弧和收弧特殊位置止口設(shè)計等。

a. 頂蓋與側(cè)圍產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計形式選擇：白車身頂蓋與側(cè)圍常見結(jié)構(gòu)形式有：搭接式、角接式、直角卷邊對接、卷邊對接等四種形式（圖3），根據(jù)實際經(jīng)驗推薦采用d形式（卷邊對接）；

b. 頂蓋與側(cè)圍對接設(shè)計，宜采用圓角對接形式，有利于激光焊縫裝配間隙的精度控制（圖4）。

c. 創(chuàng)建翻邊止口邊緣來增加頂蓋剛性（圖5）。

增加頂蓋剛性目的是避免以下幾點問題：

1）頂蓋在自身的重量下變形，尤其對于長而平的頂蓋；

2）沖壓出來后變形；

3）人工操作時變形；

4）因物流引起的變形；

5）工裝夾具定位壓緊時造成的變形；

d. 頂蓋與側(cè)圍裝配后，頂蓋翻邊止口與側(cè)圍Y向和Z向要求如下：

頂蓋翻邊止口與側(cè)圍激光焊搭接面夾角12°區(qū)域不能發(fā)生干涉（圖6）；

頂蓋翻邊止口與側(cè)圍Z向止口間隙≥3 mm（圖6）；

e. 頂蓋激光焊起弧和收弧位置，頂蓋邊緣與側(cè)圍Z向止口間隙≥2.5 mm，保證頂蓋Z向浮動（見下圖7）；

f. 側(cè)圍激光焊搭接面要保持光順，禁止有過渡型面或臺階面（圖8）；

4 頂蓋激光釬焊工藝流程

頂蓋激光釬焊工藝分兩大部分，第一部分成型工藝：車身合拼成型→頂蓋預(yù)成型→頂蓋激光釬焊（圖9）；第二部分返修檢查工藝：焊縫自動打磨→焊縫質(zhì)量自動檢查→激光焊縫人工檢查及返修，其中焊縫自動打磨、焊縫自動檢查為可選工藝，不強制要求。

5 頂蓋激光釬焊工藝規(guī)劃

頂蓋激光釬焊生產(chǎn)線規(guī)劃有以下幾個工程：頂蓋預(yù)成型、頂蓋激光焊、焊縫自動打磨、焊縫品質(zhì)自動檢查、人工檢查及返修等5個工位，其中焊縫自動打磨、焊縫自動檢查屬于可選工位，是頂蓋激光釬焊品質(zhì)提升輔助工藝。本文詳細介紹了頂蓋激光焊接線體各工位設(shè)備類型、數(shù)量，為后續(xù)激光焊線體規(guī)劃或改造作為參考。

東風(fēng)本田汽車有限公司英斯派車型頂蓋激光焊線體規(guī)劃4個自動化工位和1個人工在線檢查/返修工位（圖10）。

1ST頂蓋預(yù)成型采用1臺搬運機器人和2臺點焊機器人以及車身下部定位夾具組成，主要作用是將頂蓋與車身進行預(yù)定位，打點位置見下圖11，頂蓋前部和后部分別打2/2個定位焊點，確定頂蓋與車身X向和Y向位置。

頂蓋成型夾具及定位設(shè)計（圖12）。

2ST頂蓋激光焊接采用1臺工裝機器人和2臺激光焊機器人以及車身定位工裝，頂蓋在1ST進行預(yù)點定后，由輸送臺車傳至2ST激光焊工位，首先工裝機器人對頂蓋進行壓緊，然后由21A/B激光焊機器人對頂蓋進行激光焊接（圖13）。

本工位還需要建激光安全防護房，它的作用在于給激光焊接提供密閉的空間，保護人員不受激光輻射的傷害（圖14）。

激光安全防護房由鋼結(jié)構(gòu)主體和鋁型材扣板組成；激光安全防護房防護的激光波長范圍為900～1 080 nm；配備排煙系統(tǒng)，應(yīng)保證激光房內(nèi)20～25次/h的排放次數(shù)。激光房內(nèi)裝有監(jiān)控器（含液晶監(jiān)視器和攝像頭）。內(nèi)部照明要求不小于400LUX。激光房安裝完畢后必須由國家認證的第三方機構(gòu)出具安全合格證。

3ST激光焊縫自動打磨由32A/B機器人分別抓取1套打磨設(shè)備對激光焊縫進行打磨，保證激光焊縫表面質(zhì)量（圖15）。主要設(shè)備有自動打磨頭、自動更換打磨片設(shè)備，打磨軌跡長度為1?520 mm，每道激光焊縫打磨2次，自動打磨片厚度選用3.5 mm（激光焊縫理論寬度：2±0.5 mm）。另外該站位還配有除塵設(shè)備和封閉作業(yè)間。

激光焊縫打磨前后質(zhì)量對比（圖16）。

打磨后焊縫表面粗糙度要求如下：

整條激光焊縫平均粗糙度R_a≤1.0 μm，每50 mm測量1個點；

整條激光焊縫C級缺陷（粗糙度＞1.6 μm）所占百分比不超過10%。

4ST激光焊縫品質(zhì)自動檢查由2臺機器人攜帶2套焊縫品質(zhì)檢測設(shè)備，包含3D激光相機、激光檢測分析控制系統(tǒng)，記錄并反饋激光焊縫品質(zhì)缺陷（圖17）。

5ST激光焊縫人工檢查返修工位，由2名操作工分別負責(zé)左右焊縫質(zhì)量檢查和返修，使用的設(shè)備有打磨盤、打磨針、TIG焊機，以及AB膠槍（圖18）。

6 頂蓋激光釬焊主要工藝參數(shù)設(shè)置

頂蓋激光釬焊主要工藝參數(shù)有：激光功率、機器人焊接速度、送絲速度、激光頭偏轉(zhuǎn)力SA/TA、激光延時、送絲延時等，具體參數(shù)的設(shè)置以滿足焊接質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍的實際需求。

6.1 激光焊接設(shè)備工藝參數(shù)。

激光焊接設(shè)備工藝參數(shù)如表1所示。

SA為控制激光頭繞車身坐標系X軸方向旋轉(zhuǎn)偏執(zhí)力（圖19），參數(shù)設(shè)置為“0”時，激光頭焊接時被抱死，此時對白車身激光焊縫位置精度要求很高，不允許白車身激光焊縫Y向超過1.5 mm波動，一般僅在起弧點和收弧點位置使用，正常焊接軌跡該參數(shù)設(shè)置為“1”，此時焊絲進入激光焊縫焊接過程中，即便車身Y向尺寸有波動，激光頭可以橫向擺動，引導(dǎo)光頭正常焊接。當激光焊縫Y向偏差過大，SA軸偏出了設(shè)定的SA_range范圍時，激光焊自動焊接系統(tǒng)會立即停止機器人工作。