頂蓋激光釬焊主要缺陷及關(guān)鍵影響因素的研究

王曉兵 岳智 鄧大偉 李學(xué)梅

摘 要：為了提高車體使用壽命和增強(qiáng)車體材料的抗腐蝕性能，表面帶鍍層的低碳鋼板被大量應(yīng)用于汽車工業(yè)中，由于鋅的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)溫度較低，在焊接加熱過程中極易揮發(fā)，從而導(dǎo)致氣孔、飛濺等缺陷。激光釬焊以其光束能量密度高、熱影響區(qū)域小、焊接速度快、變形小等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決鍍鋅板焊接的上述問題，因而在白車身制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，激光釬焊已逐漸成為汽車頂蓋制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。本文重點(diǎn)論述了汽車頂蓋激光釬焊的基本原理和特點(diǎn)，系統(tǒng)基本組成和焊接參數(shù)規(guī)范的選擇，分析了激光釬焊主要質(zhì)量缺陷的種類及影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，介紹了長安福特激光釬焊質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：激光;釬焊;鍍鋅板;汽車頂蓋

1 前言

激光釬焊是利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在焊絲表面，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(dāng)?shù)耐獠織l件下，使之與工件間形成良好的冶金結(jié)合，完成零件的連接[1]。該方法的獨(dú)特性在于，在釬焊過程中冶金結(jié)合的形成只通過熔化填充金屬而不是熔化母材。激光釬焊焊接光束能量密度高、熱影響區(qū)域小、焊接速度快、變形小、噪聲小;可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，且熱輸入低，鍍鋅層燒損更少，可減小焊件的變形;焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理;能夠釬焊復(fù)雜幾何形狀的焊件和特殊結(jié)構(gòu);精確控制加熱光斑尺寸及焊絲的熔化;使用光纖激光器可以方便地與機(jī)器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在汽車制造的過程中[2-3]。隨著激光技術(shù)的成熟及成本的下降，激光焊接被認(rèn)為是白車身車頂與側(cè)圍的最佳連接方式。在銳界上應(yīng)用的激光釬焊是填絲硬釬焊，主要用于頂蓋激光釬焊。頂蓋激光器釬焊接頭形式為截面卷對(duì)接，填充釬料為SG-CuSi3。白車身車頂與側(cè)圍的連接強(qiáng)度對(duì)于整車的安全性至關(guān)重要，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞顛覆時(shí)，車頂強(qiáng)度不足會(huì)危及車內(nèi)乘務(wù)人員的安全[4-5]。由于頂蓋激光釬焊在產(chǎn)品車上是無任何飾條覆蓋的，涂裝車間直接在激光釬焊焊縫上進(jìn)行涂裝，這對(duì)激光釬焊焊縫質(zhì)量要求非常高。激光釬焊對(duì)于焊接工藝參數(shù)的敏感度很高，激光束入射角度、位置、焊接速度、功率都會(huì)影響到最終的焊縫質(zhì)量[6]。由于制造過程的復(fù)雜性以及影響因子眾多，為了滿足質(zhì)量要求，穩(wěn)定生產(chǎn)過程，必須對(duì)影響焊接質(zhì)量的各種因素做深入的研究，同時(shí)為全新車型投產(chǎn)提供工藝調(diào)試和質(zhì)量優(yōu)化的依據(jù)。

2 激光釬焊系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

激光釬焊系統(tǒng)由激光源、激光加工頭、工業(yè)機(jī)器人、送絲機(jī)構(gòu)等部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成見圖1所示。杭州工廠使用激光源為IPG YAG激光源，型號(hào)是YLS-4000-S4-TR，最大輸出功率4000w，發(fā)射波長1065nm。激光頭型號(hào)為HIGHYAG PDT-B最大輸出功率6Kw，波長范圍1025-1080nm，激光焦點(diǎn)直徑3.2mm。填充釬料為SG-CuSi3，焊絲直徑1.6mm。

2.2 焊接過程

頂蓋自動(dòng)裝配后，先進(jìn)行定位點(diǎn)焊，然后頂蓋胎模下壓保證側(cè)圍與頂蓋搭接間隙小于0.2mm。機(jī)器人控制器獲得程序號(hào)發(fā)射給激光控制器，激光控制器得到程序號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的激光器通道，激光功率，送絲機(jī)參數(shù)開始工作，機(jī)器人開始移動(dòng)，當(dāng)垂直焦距位置和Y向隨動(dòng)分別達(dá)到設(shè)定值時(shí)，激光器運(yùn)行，發(fā)出激光，并沿頂蓋與側(cè)圍搭接的焊縫開始焊接，激光焊接路徑如圖2所示。到達(dá)結(jié)束點(diǎn)后激光關(guān)閉，機(jī)器人沿示教軌跡返回，直至回歸原位，至此整條焊縫焊接完成。

3 激光釬焊主要缺陷

激光釬焊有著很高的表面質(zhì)量要求，故其焊接質(zhì)量的控制難度很大，下面介紹幾種主要的激光釬焊缺陷類型和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1 表面氣孔和針孔

如圖3中所示的在接縫表面的孔隙，典型地是由氣體（如鋅蒸氣或氣態(tài)雜質(zhì)）在凝固完成前逃出了熔融金屬填料熔池造成的。評(píng)價(jià)目標(biāo)是上表面的氣孔和針孔都不存在。上表面氣孔和針孔的公差上限為：單個(gè)直徑最大為0.4*tmin，50毫米釬焊長度中允許最大數(shù)量為10。

3.2 飛濺

如圖4中所示飛濺被定義為在激光釬焊操作期間被驅(qū)逐的金屬顆粒。評(píng)價(jià)目標(biāo)是在任何情況下都不出現(xiàn)。

3.3 咬邊

如圖5中所咬邊是指在焊接路徑方向上，釬料熔融后與鈑金形成鋸齒形鋪展不良的質(zhì)量缺陷類型。它們通常是由于釬料及母材的受熱不均勻或光斑的居中性偏差導(dǎo)致的釬料融化后不能均勻的覆蓋在母材表面而產(chǎn)生的，釬焊整條路徑上不允許有連續(xù)的咬邊缺陷。

3.4 釬焊中斷

如圖6展示了釬焊中斷的例子。釬焊中斷的公差上限為任何50毫米釬焊段中累計(jì)發(fā)生10mm。更嚴(yán)格的要求，對(duì)于搭接帶有特殊表面完成、防腐、密封和靜態(tài)/動(dòng)態(tài)強(qiáng)度要求的，可以在裝配圖或CAD的系統(tǒng)中指定。

4 影響激光釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素

激光釬焊外觀質(zhì)量良好、焊縫均勻、平整光滑，且這種焊接工藝鋼板不熔化，熱變形小，大大增強(qiáng)了車身整體的剛性，要實(shí)現(xiàn)完美的焊接質(zhì)量，不僅需要先進(jìn)的設(shè)備，高質(zhì)量的車身尺寸，更需要與之匹配的工藝參數(shù)，由于制造過程的復(fù)雜性以及眾多的影響因素，為了滿足質(zhì)量要求，穩(wěn)定正常生產(chǎn)，下面對(duì)其主要因素做詳細(xì)研究。

4.1 激光功率

激光功率作為釬料融化的重要衡量指標(biāo)，若激光功率設(shè)置偏小，能量密度會(huì)相應(yīng)降低，能量輸出將不能有效融化單位時(shí)間內(nèi)輸出的釬料，對(duì)于形成的熔池不能提供持續(xù)的能量，會(huì)造成熔融的釬料的流動(dòng)性不佳，釬料在兩個(gè)片件聯(lián)接處的鋪展不均勻，不能形成平滑的，填充均勻飽滿的有效連接，雖然可以通過降低焊接速度以保證釬料對(duì)能量的輸入，但因?yàn)闊彷斎氲脑黾訉?dǎo)致的熔池冷卻時(shí)間會(huì)相應(yīng)變長，釬料表面也會(huì)因?yàn)闊崃康某掷m(xù)輸入而導(dǎo)致表面過燒而造成發(fā)黑，釬料的鋪展性也會(huì)收到不利影響，焊縫外觀較差且零件鍍鋅層破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重者造成母材燒穿而報(bào)廢。通過試驗(yàn)，在激光輸出功率低于1500W時(shí)，無法形成良好的焊縫; 當(dāng)激光功率升至在2200-2500W區(qū)間時(shí)，釬料融化后的鋪展及潤濕效果會(huì)得到很大改善，焊縫的外觀及填充率滿足工藝要求; 若輸出功率過高，則光斑能力密度增加，容易使釬料過熱造成釬料的氣化及焊縫周邊母材的燒損，即使通過提高焊接速度，可以降低釬料單位時(shí)間的熱輸入，但是由于激光加熱速度快，釬料的局部溫度仍然偏高，而造成釬料有向外噴射的跡象，同時(shí)兩側(cè)的母材并沒有得到提前預(yù)熱，熔池快速冷卻也會(huì)造成焊接飛濺等缺陷，圖7 為激光功率過大時(shí)焊縫金相照片。

4.2 激光焦點(diǎn)及形狀

激光源產(chǎn)生的光斑的直徑大小和形狀與本身的光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)，焊接能量通過光學(xué)聚焦系統(tǒng)形成光斑，將能量集中于一點(diǎn)，光斑照射在釬料表面上，被釬料吸收，另一部分照射在母材表面可以作為母材的預(yù)熱提升焊接質(zhì)量。推薦的光斑聚焦直徑一般是焊絲直徑的2倍，如果光斑過小，激光全部被焊絲遮住，導(dǎo)致母材得不到預(yù)熱，釬料熔化不均不能有效潤濕鋪展，且會(huì)因?yàn)槿鄢刂車臏囟鹊投斐珊附语w濺;若光斑直徑過大，能量密度隨之降低，雖然可以通過增加激光輸出功率來提升能量輸出，但會(huì)造成母材表面的損傷，釬料的潤濕鋪展效果依然很差。經(jīng)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，在激光頭對(duì)母材施加的壓力相同情況下，激光在垂直入射時(shí)由于離焦量較小，即形成的激光光斑較小，釬料不能良好潤濕鋪展。在相同的離焦量下，將激光沿焊接方向傾斜45-60°，垂直沿頂蓋方向保持10°傾角入射，光斑由圓形變?yōu)闄E圓形光斑，此時(shí)獲得的焊縫外觀質(zhì)量最佳。

4.3 焊接速度和送絲速度

激光釬焊焊接表面質(zhì)量受機(jī)器人的移動(dòng)速度以及送絲速度的共同制約，激光釬焊焊縫的釬料充量由焊縫截面積與焊縫長度來決定，而焊絲單位時(shí)間的輸出量由送絲速度與焊絲的截面積來確定。這些工藝參數(shù)須與焊接機(jī)器人的焊接運(yùn)行速度相協(xié)調(diào)才能保證所需的釬料填充量，從而得到飽滿勻稱的焊縫。焊機(jī)送絲速度和機(jī)器人焊接速度的匹配，決定了焊縫釬料的填充量，填充量對(duì)焊縫的外觀質(zhì)量及強(qiáng)度將產(chǎn)生直接影響。圖8為焊絲填充量過少造成的焊縫塌陷缺陷，該缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)橄鄬?duì)于焊接速度來講送絲速度較低，不能滿足單位時(shí)間單位截面積的填充需求。

在汽車白車身頂蓋與側(cè)圍釬焊的實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)采用較低的焊接運(yùn)行速度和較高的送絲速度配合適當(dāng)?shù)募す夤β省＝?jīng)過試驗(yàn)表明，在較低的焊接速度下，機(jī)器人的運(yùn)行精度保持性更佳，同時(shí)較高的送絲速度能夠使單位截面積的焊縫填充的更加飽滿，焊接強(qiáng)度更好，同時(shí)能夠避免產(chǎn)生氣孔、針孔，咬邊等缺陷產(chǎn)生。若送絲速度過大，會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)釬料未及時(shí)熔化，導(dǎo)致未熔焊絲在焊縫表面堆積而形成焊瘤，如圖9所示。

5 結(jié)束語

汽車頂蓋側(cè)圍制造采用的激光釬焊不僅擁有傳統(tǒng)點(diǎn)焊、MIG/MAG 焊難以比擬的焊縫強(qiáng)度和良好的焊縫外觀，而且焊接效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，柔性化。本文從激光釬焊缺陷類型和評(píng)價(jià)指標(biāo)入手，結(jié)合工藝參數(shù)研究了影響焊縫成型質(zhì)量的因素，提出了保證焊縫質(zhì)量的方法，研究為全新車型投產(chǎn)提供工藝調(diào)試和質(zhì)量優(yōu)化的依據(jù)，極大縮短了調(diào)試及質(zhì)量提升周期。

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