一種新式激光焊接設(shè)備應(yīng)用研究

劉建煥

摘 要：激光焊接具有熱影響區(qū)銷、焊接速度快、變形小，外觀質(zhì)量好的特點(diǎn)，已在白車身側(cè)圍落水槽處焊接，頂蓋焊接中廣泛應(yīng)用[1][2]。近期，隨著新能源汽車戰(zhàn)略趨勢的推進(jìn)，模組busbar焊接、模組采樣線焊接以及模組端板側(cè)縫焊接中，均已采用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更快、更好的生產(chǎn)服務(wù)。長期以來國外幾乎壟斷了激光設(shè)備專利技術(shù)，像通快、IPG等設(shè)備商。國內(nèi)像大族激光、廣大激光、聯(lián)影激光已經(jīng)開始注重這方面業(yè)務(wù)的發(fā)展。

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，我們常聽到工程人員反饋。滿足一定焊縫標(biāo)準(zhǔn)、焊縫質(zhì)量的激光焊接工藝中，激光頭的出光功率并非最大，與此同時，激光頭的焊接速度也未能如設(shè)備所標(biāo)稱的那樣。傳統(tǒng)的側(cè)圍落水槽的激光焊接平均速度為60mm/s，精密轉(zhuǎn)向器的激光焊接平均速度只有45-50mm/s。為此，在自動化集成領(lǐng)域與項(xiàng)目前期規(guī)劃方面，需要進(jìn)行試驗(yàn)，以得到對應(yīng)焊接標(biāo)準(zhǔn)、焊接質(zhì)量下的激光焊接工藝參數(shù)。

基于此，本文依托生產(chǎn)實(shí)際項(xiàng)目案列，以白車身B柱激光焊為研究對象，采用IPG C型激光槍對過程中各參數(shù)數(shù)據(jù)（板材厚度、板材材料、焊接速度、焊接功率、焦距、熔寬、熔深）進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，板材的焊縫特性，并非隨著激光焊接功率和焊接速度的增加，而呈線性增加關(guān)系，隨著激光功率的增加和焊接速度的提高，熔深增加明顯，甚至焊透。

熔寬增大到一定程度后，變化不明顯，這對我們規(guī)劃生產(chǎn)節(jié)拍與質(zhì)量管控方面，影響深遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：激光熔焊；生產(chǎn)節(jié)拍；焊接速度；激光功率

1 引言

激光是利用輻射激發(fā)發(fā)光放大原理產(chǎn)生的一種單色型、方向性強(qiáng)、光亮度大的高能比的光速，作為焊接、切割、材料表面處理的熱源。激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法。按照激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度不同，可以分為傳熱焊和深熔焊。傳統(tǒng)的車身工藝，如CMT或點(diǎn)焊，均需要保證工件焊點(diǎn)周圍無夾頭或其他與焊槍干涉問題，激光焊由于焦距較大，適用于焊接微型零件、難以接近的部位或者遠(yuǎn)距離的焊接。

相對于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊、弧焊工藝，激光焊接由于焊接熱影響區(qū)小、焊接速度快、變形小，在汽車行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。

激光穿透焊接，是指將激光工藝應(yīng)用于多層板材中，使板材熔化，冷卻后形成焊縫，實(shí)現(xiàn)多層板的連接技術(shù)。激光穿透焊接中，由于焊縫熔寬比較小，焊縫結(jié)構(gòu)采用W型 或C型，以增大焊接點(diǎn)的面積區(qū)域，增加兩層或三層板的連接強(qiáng)度和剛度。實(shí)際應(yīng)用中，由于工件厚度漸變，工件之間存在間隙，工件表面鍍層以及激光參數(shù)（離焦量、出光功率、焊接速度）等影響，焊縫強(qiáng)度及表面外觀質(zhì)量受到很大的影響。本文基于生產(chǎn)應(yīng)用過程中實(shí)際產(chǎn)生的問題，對汽車B柱激光深熔焊工藝進(jìn)行了研究，以期得到熔深、熔寬與焊接速度、焊接功率之間的對應(yīng)關(guān)系。

2 焊接系統(tǒng)搭建

2.1 研究對象

本次實(shí)驗(yàn)針對B pillar內(nèi)外板進(jìn)行焊接特性研究。材料特性：外板板厚1.5-1.85mm；內(nèi)板板厚2.2mm.為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度Rp0.2=1000～1250MPa，Rm=1300～1650MPa。由于實(shí)際應(yīng)用中，采用了復(fù)合焊接工藝，即激光焊作為前道工序，后道工序采用傳統(tǒng)點(diǎn)焊方式，強(qiáng)度方面能夠滿足車身需求，本次實(shí)驗(yàn)為針對焊縫強(qiáng)度進(jìn)行評價。評價焊縫標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)客戶對于熔深、熔寬的定義。

2.2 板材搭接焊縫特性

本次板材搭接焊縫共計(jì)10道，其中6道為兩層板焊縫，4道為三層板焊縫。焊縫如圖1。

2.3 焊接設(shè)備

在傳統(tǒng)白車身頂蓋焊接或者側(cè)圍落水槽焊接中，常采用激光頭進(jìn)行焊接，該處焊縫較長，激光輸入角度一定下，可以進(jìn)行高速焊接（圖2）。在零件焊接位置多處或者多個角度下，使用激光頭會產(chǎn)生多余的機(jī)器人示教點(diǎn)跳轉(zhuǎn)問題，引起節(jié)拍浪費(fèi)[3]。在新能源模組BUSBAR焊接中，多采用振鏡系統(tǒng)進(jìn)行焊接。這是利用了大平面場鏡，光路跳轉(zhuǎn)快速，無需機(jī)器人示教點(diǎn)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，提高激光的利用率（圖3）。無論是激光頭焊接還是振鏡焊接，均是工件被工裝夾緊，光路進(jìn)行遠(yuǎn)距離焊接實(shí)現(xiàn)的。工件的裝夾精度和工件的自身精度，往往對焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響[5]。本次采用新式激光焊接設(shè)備IPG LSS5M-3KW_C-Gun。

這種激光焊槍，類似于傳統(tǒng)意義上的點(diǎn)焊設(shè)備，如夾爪處存在3KN壓力，可以進(jìn)行準(zhǔn)確持續(xù)的夾緊作業(yè)。不同之處在于傳統(tǒng)點(diǎn)焊原理上是電阻焊，而該激光槍能力輸入是來自激光發(fā)生器。該設(shè)備參數(shù)：輸出激光波長為1070nm，最大輸出功率為3KW，最大焊接長度為60mm/s，最大焊接長度為40mm，聚焦焦距為250mm。Lss-5M焊接系統(tǒng)集成有激光頭冷卻系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)（圖4）。

2.4 測試標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)激光焊接標(biāo)準(zhǔn)，本次搭接焊縫的最低熔深要求為0.45mm，熔寬為1mm[6]。

2.5 最終測試系統(tǒng)的搭建

測試系統(tǒng)包括機(jī)器人、電氣柜、圍欄、C型激光槍、機(jī)器人底座、光柵、B柱工件、夾具等設(shè)備，見下圖5。

3 理論基礎(chǔ)

激光將金屬高速加熱產(chǎn)生金屬蒸汽，蒸汽將熔融的金屬積壓下去，產(chǎn)生蒸汽空洞。同時激光在這個空洞中發(fā)生多次反射，并且在孔底部能量急劇增加，產(chǎn)生鉆孔效應(yīng)。當(dāng)熔融的金屬將能量傳遞走后，金屬蒸汽最終停止鉆孔[4]。

4 激光熔焊試驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取中，從每條焊道起弧處開始10mm，20mm，30mm各切割1道焊縫，共計(jì)3條焊縫。

采用C型焊槍進(jìn)行焊接，過程數(shù)據(jù)記錄如下表。焊縫通過砂輪機(jī)切割粗磨，使用金相打磨機(jī)金相細(xì)磨，使用稀硝酸+乙醇金相浸泡，相關(guān)數(shù)據(jù)通過金相顯微鏡金相刻線測距取得（圖6）。

4.2 激光功率為2.5kw，焊接速度100（相當(dāng)于20mm/s）下，焊縫參數(shù)記錄表格如下，（圖7）。

初步結(jié)果分析：數(shù)據(jù)中紅色表示與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對照超差，目前主要為熔寬不足，這跟激光深熔焊現(xiàn)象一致。內(nèi)板厚度一定，焊接速度一定的情況下，外板厚度由1.5mm變成1.85mm，對應(yīng)的焊接功率由2.35kw提高到2.5kw.

4.3 焊接速度為100-130（相當(dāng)于20-26mm/s）下，不同激光功率下，不同離焦下，一定程度上，熔寬隨著功率輸出增大而增大，但是更大的功率并非帶來更大的熔寬。一定焊接速度下，無離焦產(chǎn)生的熔寬比正離焦產(chǎn)生的熔寬更大。一定焊接功率下，焊接速度減小，有利于熔寬的增大。

5 結(jié)語

本次測試采用了IPG激光C型焊槍 完成了對B柱內(nèi)外板參數(shù)的應(yīng)用研究。由于樣本數(shù)據(jù)的相對稀少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和真實(shí)性有一定影響，后續(xù)會通過更多的試件及更換振鏡焊接系統(tǒng)增加對樣件過程參數(shù)的采集。形成的初步結(jié)論有以下4點(diǎn)。

①并非焊接出光功率最大、焊接速度最快，則可獲得最好的激光焊縫質(zhì)量。滿足要求的焊縫質(zhì)量，往往意味著焊接出光功率和焊接速度之間存在一定的這種平衡。這一點(diǎn)對于節(jié)拍分析和產(chǎn)能規(guī)劃有至關(guān)重要的影響。在本例中，激光設(shè)備焊接速度最大為60mm/s，然則通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)驗(yàn)證，平均一處焊縫的作業(yè)時間與傳統(tǒng)點(diǎn)焊4s時間基本相同。

②采用較大的出光功率、負(fù)離焦、較低的焊接速度，能夠獲得較大的熔深和熔寬。

③熔寬不足，在方案前期設(shè)備采購中，可以通過更換光纖芯徑，例如150更換為300實(shí)現(xiàn)?；蛘咄ㄟ^選取不同的準(zhǔn)直鏡焦距來實(shí)現(xiàn)。設(shè)備后期調(diào)試中可以通過提高激光輸出功率或者降低焊接速度來實(shí)現(xiàn)。

④在方案先期產(chǎn)能規(guī)劃中，應(yīng)該先對產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)，以得到合理的工藝參數(shù)，從而使得方案更加合理預(yù)期。

參考文獻(xiàn)：

[1]程發(fā)龍.激光焊接技術(shù)及其應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2017，（1）：164-165.

[2]程艷艷.激光焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化探究[J].冶金叢刊，2016，（4）.

[3]李鵬.汽車白車身激光焊接生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018，（23）.

[4]李時春等.激光深熔焊304不銹鋼焊縫成型工藝與控制[J].材料科學(xué)，2017，（08）.

[5]方俊飛.薄板激光深熔焊熔透模式的機(jī)理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[6]《EVW01141-1.60401 laser welding ，welded joints on steels》.