調(diào)角器總成激光穿透焊工藝研究

張亨 王云玉 張克梁

摘要：激光焊工藝能量密度高、精度高、熱影響區(qū)和焊接變形小，適用于汽車精密零部件的焊接。針對座椅調(diào)角器與3 mm厚連接板的連接，采用激光穿透焊替代電弧焊，結(jié)構(gòu)上無需預(yù)留工藝開口，產(chǎn)品設(shè)計更加柔性化;調(diào)整激光焊接的工藝參數(shù)，分析各工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，當(dāng)激光功率為2 200 W、焊接速度為20 mm/s、負離焦量為5 mm時，可獲得較好的焊縫外觀質(zhì)量，在滿足多條焊縫緊密布置的同時，其焊接熔深達到3.9 mm以上。

關(guān)鍵詞：激光穿透焊;調(diào)角器;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.19

0? ? 前言

激光穿透焊的原理是當(dāng)光束集中在工件表面上時，功率密度可達1×107 W/cm2以上，在極短時間內(nèi)使金屬汽化，從而在液態(tài)熔池中形成小孔，稱為匙孔[1]。光束穿透到匙孔內(nèi)部，通過傳熱獲得較大的焊接熔深，當(dāng)激光束和工件發(fā)生相對運動時，液態(tài)金屬在小孔后方流動，逐漸凝固，形成焊縫[2-4]。焊接時，激光在遠離工件表面的一定位置進行輸出，避免干涉，工裝設(shè)計也更加靈活。

汽車座椅調(diào)角器為精密安全零部件，用其將座椅靠背骨架與座墊骨架連接，實現(xiàn)座椅靠背的角度調(diào)節(jié)作用。目前市場上主要采用弧焊及激光焊兩種工藝來實現(xiàn)調(diào)角器與骨架的連接。激光焊可通過功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)焊接能量輸入的精密控制，具有光斑面積小、焊接質(zhì)量佳、工作熱影響區(qū)小、變形小，深寬比大等優(yōu)點[5-6]，故座椅調(diào)角器采用激光焊工藝替代弧焊工藝，在保證功能性、安全性的同時，可使產(chǎn)品設(shè)計、工裝更加柔性化，生產(chǎn)效率明顯提高。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用光纖激光器工作站，現(xiàn)場設(shè)備見圖1。焊接功率200～3 000 W連續(xù)可調(diào)，波長1 070 nm，配備自熔焊接頭，可對光纖激光進行準直括束整形、聚焦。為了滿足不同產(chǎn)品工藝驗證，將焊接頭固定在六軸機器人上，機器人型號為安川GP-25，重復(fù)定位精度±0.06 mm，焊接時靈活移動，精準定位。試驗開始前進行校準，保證焊接時激光聚焦在工件表面，此時零件表面光斑面積最小，能量密度最高。

1.2 試驗產(chǎn)品

座椅調(diào)角器總成件由調(diào)角器及連接板組成，材料及規(guī)格如表1所示，3D數(shù)模如圖2所示。采用激光穿透焊工藝，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靈活優(yōu)化，無需預(yù)留傳統(tǒng)弧焊開口或者搭接面。試驗時采用簡易工裝將產(chǎn)品水平定位夾緊，保證平面間隙小于0.2 mm。激光焊縫示意如圖3所示，由5條焊縫組成（黑色線），焊縫布置緊密，外圈圓焊縫距邊緣距離為4 mm，內(nèi)圈4條弧形焊縫與外圓焊縫距離4 mm。

1.3 工藝參數(shù)設(shè)計與結(jié)果

1.3.1 焊接線能量對焊接質(zhì)量的影響

焊接線能量為焊接功率與焊接速度的比值，在前期一定的實驗數(shù)據(jù)積累下，針對3 mm與3 mm低碳鋼激光穿透焊接，工藝驗證時選擇輸出功率為2 200 W，通過調(diào)整機器手焊接時的移動速度（5～30 mm/s），實現(xiàn)不同梯度的熱輸入量。試驗工藝參數(shù)設(shè)計如表2所示。

離焦量是指工件表面偏離焦點平面的距離，聚焦平面位于工件上方為正離焦，位于工件下方為負離焦，激光光斑在焦點處面積最小，功率密度最大，正負離焦量相等時，平面功率密度相同，但實際產(chǎn)生的熔池效果并不同。負離焦時，材料內(nèi)部功率密度比表面高，容易形成更強的熔化、使光能向材料更深處傳遞[7-8]。

在離焦量為0 mm時，按照不同梯度的焊接線能量進行試驗，焊后觀察表面質(zhì)量，測量焊縫相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

不同焊接速度下的焊縫成形如圖4所示。由圖可知，當(dāng)焊接速度為5～15 mm/時（見圖4a、4b），焊接線能量較大，正面焊縫寬度較寬（見表3），內(nèi)外圓焊縫熔合，內(nèi)圈焊接塌陷;當(dāng)焊接速度為15 mm/s時（見圖4c），焊接質(zhì)量有所改善，但是熱影響區(qū)寬度較大（見表3），內(nèi)外圈焊縫熔接。當(dāng)焊接速度為20～25 mm/s時，焊接表面質(zhì)量較好，焊縫寬度約為1 mm（見表3），內(nèi)外圓焊縫未發(fā)生熔合現(xiàn)象。不同焊接速度下的熔深試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)焊接速度為20～25 mm/s時，上層板材3 mm厚度均穿透，一般激光穿透焊產(chǎn)品熔深要求大于板材厚度的30 %;當(dāng)焊接速度在20 mm/s時，下層零件熔深1.04 mm，滿足激光焊接技術(shù)要求。

1.3.2 離焦量對焊接熔深的影響

功率選擇2 200 W、焊接速度20 mm/s，通過調(diào)整機器手，設(shè)定為負離焦量5 mm焊接，熔深結(jié)果如圖6所示。對比圖4，焊接速度20 mm/s，離焦量為0時，熔深為4.04 mm，與其相比，負離焦量5 mm的兩次熔深均進一步加大，說明在負離焦的條件下，有利于實現(xiàn)深熔效果。另外，還觀察到焊接過程中飛濺更加明顯，主要是由于工件表面的激光密度有所降低，光斑面積大，熔池區(qū)域也較大，飛濺更易發(fā)生。在一般生產(chǎn)過程中，保護鏡片的壽命可能會受到一定影響，建議在滿足熔深技術(shù)要求的前提下，盡量保持較小的負離焦量焊接。

2 結(jié)論

調(diào)角器傳統(tǒng)弧焊，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要考慮預(yù)留開口，保證弧焊搭接位置。采用激光穿透焊接，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，針對精密運動零部件，可參考本論文的穿透焊工藝研究，根據(jù)不同的材料及壁厚要求進行正交試驗設(shè)計，在不影響內(nèi)部傳動的前提下，確保零件滿足強度要求。

（1）針對本試驗產(chǎn)品，在2 200 W功率下，焊接速度由5 mm/s提高到25 mm/s，導(dǎo)致熱輸入量減小，熱影響區(qū)隨之減小，焊接表面質(zhì)量逐步提高，但是材料熔深會有所降低;熱輸入量在110 J/mm時，焊縫表面質(zhì)量較高，可保證內(nèi)外圓焊縫緊密布置，下層熔深大于厚度的30%。

（2）采用負離焦焊接時，激光束會聚于小孔內(nèi)部，在自身重力作用下，熔融金屬向下流動并在底部聚集，焊接匙孔穩(wěn)定延伸，獲得了穩(wěn)定的深熔焊過程與較好的焊縫成形效果，在本試驗中功率2 200 W、焊接速度20 mm/s，負離焦量5 mm，熔深可達4.42 mm，高于激光焊接標準要求。

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