激光釬焊質量影響因素及對策分析

張旭東 貝松偉

（浙江吉利汽車有限公司梅山工廠，寧波315832）

1 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術引入到汽車制造的領域中，激光釬焊就是其中之一。在保證強度的同時，相比較傳統(tǒng)的點焊工藝，激光釬焊的優(yōu)勢如下。

a.可實現不同材質、不同厚度板材的連接；

b.能夠實現難以焊接的材料連接[1～2]；

c.焊接速度快、焊接熱影響區(qū)小、變形量小[3]；

d.焊接后外觀質量好；

e.連續(xù)焊接，焊縫密封性好；

f.所需搭接邊較小。

2 激光釬焊的焊接機理

焊接時，激光束從激光頭發(fā)射出來，并將光束能量傳遞給釬焊絲，釬焊絲受熱熔化形成液滴附著在母材表面，并在焊縫中通過表面張力進行延展（圖1）。

圖1 焊絲熔化形成焊縫

為了形成填充性能良好的焊縫，意味著液滴需要在母材表面盡可能地延展、擴大接觸面積（增大圖2中的h）。熔化材料的延展取決于以下因素。

圖2 激光釬焊的橫截面

a.釬料的表面張力；

b.釬料的潤濕性能；

c.母材的表面特性；

d.釬料與母材所處的外界環(huán)境；

e.釬料與母材的反應。

將金屬母材表面設為1，釬料熔滴為2，外部環(huán)境為3，熔滴的浸潤角度為α，母材與熔滴之間的表面張力為γ12，母材與外部環(huán)境的表面張力為γ13，熔滴與外部環(huán)境之間的表面張力為γ23(圖3)。

圖3 熔滴的浸潤橫截面

釬料熔化時，浸潤結合面。熔滴的延展主要取決于熔化的焊絲與周圍環(huán)境(空氣、惰性氣體或者真空等）之間的表面張力γ23。提高浸潤條件，浸潤角度α減少。當α=0°(cosα=1)時，浸潤效果最好（圖4）。

圖4 理想狀態(tài)的浸潤截面

為了得到良好的浸潤效果，可以從以下幾個方面著手。

a.選擇表面張力小的釬料；

b.選擇合適的保護氣體，改善外部環(huán)境；

c.適當的溫度有助于表面張力γ23的降低；

d.鍍鋅層有助于釬料在母材表面的拓展[4]，母材表面的潔凈度。

3 激光釬焊質量影響因素

根據上述釬焊原理分析，并結合實際現場焊接經驗，影響激光釬焊的質量因素有如下方面（圖5）。

圖5 激光釬焊質量影響因素

3.1 激光源的選擇

a.激光類型。激光器的種類有很多，不同種類的激光器產生的激光能量形式是不一樣的。二氧化碳激光器、碟片式激光器和光纖式激光器產生的能量形式為高斯型（圖6）。高斯能量激光器能量不均勻，過于集中，加工過程材料受熱不均勻。

圖6 高斯型能量分布

半導體激光器產生的能量分布為平頂型（圖7），平頂能量使加工過程中材料受熱更均勻。因此半導體激光器其均勻的能量分布更適合釬焊工藝，焊接時焊絲融化均勻，沒有過熱區(qū)域，減少飛濺風險，且焊接時能夠加熱兩側鋼板，使熔融的焊絲具有更好的流動性，改善浸潤效果。

圖7 平頂型能量分布

b.激光功率。激光功率為焊縫提供能量，因此是關鍵的因素。

功率較低時，材料溫升不足，焊料不能充分熔化，流動性差，因此焊縫融合不好。隨著功率的增加，焊絲加熱更充分，焊絲熔化并且有足夠的時間進入到焊縫中。但是功率過高時會導致母材變化，并且出現飛濺、氣孔等其他缺陷[5]。

3.2 激光頭的選擇

a.光斑直徑。激光器工作時，全部能量聚焦到加工點上。一部分激光能量被釬焊絲吸收，一部分能量被加工件吸收。當焦點直徑過小時，能量過于集中，焊料變得過熱，有強烈的飛濺傾向，同時加工件的側邊沒有得到足夠加熱，這樣焊料不容易浸潤母材。當焦點直徑過大時，能量密度小，影響焊接速度，且熱影響區(qū)大，母材鍍鋅層燒蝕區(qū)域大，降低抗腐蝕性。

光斑直徑一般與焊縫寬度保持一致，通常為焊絲直徑的2倍。此外，設置時要使光斑焦點與焊絲的位置同心。

b.離焦量。離焦量是激光焦點離實際焊接工作面間的距離。激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發(fā)成孔。當離焦量過大，作用在工件上的功率密度過低達不到加工工件的目的；當離焦量過小，作用在工件上的功率密度過高，焊縫甚至母材均受到影響。

離焦方式按焦平面與工件的位置關系，可分為正離焦與負離焦，焦平面位于工件上方為正離焦（圖9），反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。

圖8 光斑直徑與焊絲直徑

圖9 正離焦離焦量示意

當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當想要獲得較大熔深時，采用負離焦（激光熔焊應用于厚板連接時）；焊接薄板材料時宜用正離焦（車頂蓋激光釬焊、尾門外板激光釬焊）。

c.焊接角度。激光頭的角度對于母材的熱量輸入是重要的參數。根據焊接部位的不同，需要隨時調整。

拖曳角為焊絲與焊接方向形成的平面內，焊絲與工件的夾角。焊絲向前進方向傾斜焊接時，稱為前傾焊法（拖角）；焊絲向前進相反方向傾斜焊接時，稱為后傾焊法（推角）。

激光入射角為焊絲與焊接方向形成的平面內，激光與工件的夾角。有資料顯示，降低拖曳角或者激光入射角，對焊縫質量提升有利[6]。但實際生產中，過低的拖曳角或者激光入射角會造成激光頭與夾具或者工件干涉。此外，過低的激光入射角會降低作用在工件上的能量密度。

外傾角為在焊縫橫截平面內，焊絲與焊縫法向的夾角。

一般情況下，拖曳角選擇30°～45°，激光入射角選擇45°～90°，外傾角選擇0°～30°。

圖10 拖曳角和激光入射角

圖11 外傾角

d.輔助功能。常見的輔助功能包括焊縫跟蹤功能、鏡頭防護功能、雙光斑技術、三光斑技術。

焊縫跟蹤功能可以實現鈑金尺寸不穩(wěn)定時，焊縫位置的及時修正。鏡頭防護功能可以實現鏡頭的自清潔，同時減輕焊接時的離子云對焊縫的影響。雙光斑技術是為了避免高斯型激光束由于能量分布不均勻，中間能量高，引起熔池沸騰，兩側能量低，潤濕性差而開發(fā)的。其將激光束分開，形成雙駝峰型，改善焊接質量[7]。三光斑技術是針對鍍鋅板在焊接時產生的鋅蒸汽影響焊縫質量，在焊接時提前將鍍鋅層激發(fā)掉，避免鋅蒸汽進入到焊縫，產生氣孔[8]。

3.3 送絲機

a.送絲速度。送絲速度和激光焊接速度關系密切，一般情況下給定適當的激光功率，焊絲直徑選擇1.6 mm時，焊接速度/送絲速度=60%～120%，比例越小，釬料填充量越大。過大時，焊縫出現凸起、波浪等現象。比例過小時，焊縫塌陷、焊縫寬度小，接頭強度下降[9]。

b.熱絲電流。為了促進焊絲融化，需使用電流對焊絲預熱。通過熱絲，可以提升焊縫的質量和焊接效率。如果在激光釬焊加工過程中出現飛濺物，那就說明加熱電流已經到了最高上限。如果焊縫表面越來越粗糙，說明加熱電流在下限范圍。熱絲電流通常取在50～160 A之間。

c.送絲電壓。電壓保持在低于5 V，避免起弧，影響焊縫的美觀和焊接的穩(wěn)定性。

3.4 板材要求

a.搭接間隙。常見的搭接形式有法蘭對接焊縫、角接焊縫、T型焊縫。

焊接前，要求板件之間的縫隙s≤0.3 mm，必須穩(wěn)定并且重復性高（需要定期進行監(jiān)控）。一旦板材搭接間隙過大（≥0.5 mm），焊絲將不能有效填滿焊縫，導致焊縫塌陷甚至缺失。

圖12 對接焊縫

圖13 角接焊縫

圖14 T型焊縫

b.鍍鋅層。頂蓋激光釬焊部位的常見板材組合為頂蓋采用冷軋板，側圍外板采用鍍鋅板。由于鋅的氣化溫度為906℃[10]，釬焊焊絲的熔化溫度為＞910℃，因此焊絲熔化時，鍍鋅板的鋅層會被蒸發(fā)汽化。所以，需要控制激光釬焊焊縫位置的鋅涂層厚度。

相比較電解鍍鋅板（鍍層厚度約5～15μm），熱浸鍍鋅板鍍鋅層厚度不均且較厚（35±15μm），此外，有研究表明熱鍍鋅板對激光的吸收系數低于電鍍鋅板[11]，因此建議側圍外板采用電鍍鋅板，有助于提升焊接后的焊縫外觀質量[12]。

c.表面質量。需要控制焊縫區(qū)域的表面質量，避免銹蝕和臟污。

3.5 釬料及保護氣

a.焊材類型。為了保證良好的浸潤性及對激光的吸收率，填絲一般選用CuSi3，熔化溫度范圍為910～1025℃，Cu含量不低于94%，硅含量不超過4%。

b.釬料直徑。焊絲直徑可選擇1.0 mm、1.2 mm和1.6 mm。為了保證填絲速度，常見選用1.6 mm。

c.干伸長度。干伸長度是指沒有暴露在激光束中的長度，一般干伸長度為5～10 mm（圖15），通過剪絲設備保證長度。

圖15 干伸長度

d.保護氣體。在激光釬焊中，穩(wěn)定的且成分合適的保護氣是獲得更好的焊絲浸潤和焊縫質量的關鍵參數。常見的保護氣體有氦氣、氬氣、氮氣、CO2等。

除了改善浸潤性，保護氣體的第二個作用是使工件在焊接過程中免受氧化，同時還可以清除母材表面的氧化物。保護氣體的第三個作用是保護鏡頭免受金屬蒸氣污染和釬料熔滴的濺射。第四個作用是對驅散激光焊接時產生的等離子屏蔽很有效。激光焊接時會產生金屬蒸氣，其會被激光束電離成等離子云。金屬蒸氣周圍的保護氣體也會因受熱而電離。如果等離子體存在過多，激光束能量在某種程度上被等離子體消耗（圖16）。

圖16 焊接時形成等離子云

相比較而言，氦氣不易電離（電離能較高，見表1），可讓激光順利通過，是激光焊接時使用最有效的保護氣體，但價格比較貴。氬氣相比氦氣易被電離，但密度較大，保護效果較好。氮氣在作為保護氣體時有被熔池吸收的傾向，會在搭接區(qū)產生氣孔。CO2作為保護氣體最便宜，但更易被電離，屏蔽了部分光束射向工件，減少了焊接的有效激光功率，影響焊接速度與熔深。

表1 常見氣體和金屬原子/分子量和電離能

因此在實際生產中，激光釬焊常見的保護氣體選用99.9%純度氬氣，氣體流量控制在10～15 L/min。

3.6 夾具

a.工件定位及夾緊力。夾具需要保證工件有效定位，配合適當的夾緊力（每個壓頭設置為浮動形式，可單獨調整壓力），使得板件搭接縫隙≤0.3 mm。

b.夾頭位置。夾頭分布要合理，在盡可能的靠近焊縫的同時，為散熱及焊槍運行軌跡預留空間。

3.7 其他

a.焊接時序。激光釬焊的起弧及收弧處是質量控制的難點。起點端，需要提前送絲和打開激光。送絲結束后，延遲關光。

b.打磨。打磨是激光加工過程中很重要的一步，其改善焊縫表面質量，提升防腐性能。

4 缺陷類型及控制措施

激光釬焊常見的質量問題有氣孔、焊縫塌陷、焊縫偏移、飛濺等。針對不同類型的缺陷，其產生的原因及解決措施如下。

a.氣孔（圖17）。產生的原因為激光功率與焊接速度不匹配（功率過大）、焊縫表面不潔凈、鍍鋅層過厚（熱鍍鋅板容易出現），加熱后在熔化的金屬中未溢出、保護氣體類型或流量選擇不合理、離焦量設置不合理。解決措施適當減小激光功率、來件表面保持清潔、控制鍍鋅層厚度，或者采用電鍍鋅板、采用三光斑技術、調整氣體成分或流量、增大離焦量。

圖17 氣孔

b.焊縫塌陷（圖18）。產生的原因為焊縫處板材搭接間隙過大、送絲機出絲不穩(wěn)、焊絲直徑選擇過細。解決措施有調整板材配合間隙在0.3 mm內、檢查送絲機工作狀態(tài)、適當增加焊絲直徑（一般不超過1.6 mm）。

圖18 焊縫塌陷

c.焊縫偏移（圖19）。產生的原因為激光頭位置偏離、外傾角選擇不良、焊絲與激光光斑不同心。解決措施選擇具有側向跟蹤力或焊縫跟蹤功能的激光頭、調整外傾角、調整光斑位置及尺寸。

圖19 焊縫偏移

d.飛濺（圖20）。產生的原因為、激光功率過大、熱絲電流過大。解決措施將激光功率適當調小、降低熱絲電流。

圖20 飛濺

e.焊縫表面不平整（圖21）。產生的原因為送絲機出絲不穩(wěn)（馬達電流過高等）、送絲量過大，與功率不匹配、拖曳角度過大、保護鏡片污損，導致能量分布不均。解決措施有、檢查送絲機工作狀態(tài)、適當降低送絲速度、減少拖曳角度、更換保護鏡片。

圖21 焊縫表面不平整

f.鋸齒邊（圖22）。產生的原因為光斑與焊絲不對中、光斑直徑過小，母材沒有充分加熱，潤濕性差、激光功率不足，導致融池流動性不夠。解決措施有調整光斑與焊絲對中、增加光斑直徑、采用雙光斑技術、增加激光功率。

圖22 鋸齒邊

g.起弧、收弧填充不足或多絲（圖23）。產生的原因為激光、送絲的開啟與關閉配合不合理、焊接前未進行剪絲操作。解決措施為優(yōu)化焊接時序，一般起弧時，提前4 ms送絲，提前2 ms打開激光；收弧時，一般延遲2 ms停止送絲，延遲5 ms關閉激光[13]；焊接前剪絲。

圖23 焊縫首尾端多絲

h.焊縫中斷/漏焊（圖24）。產生的原因為頂蓋搭接間隙過大（夾具原因或者工件原因），導致焊接不良、設備故障。解決措施為調整夾具，確保工件定位精度及夾緊到位、從模具、器具角度解決工件變形問題、解決設備故障。

圖24 漏焊

i.焊穿（圖25）。產生的原因為激光功率過大、采用了負離焦。解決措施為采用合適的激光功率，調整為正離焦、定期進行TCP校準。

圖25 焊穿

j.未熔合（圖26）。產生的原因為激光功率不足、離焦量過大、激光入射角過小、保護鏡片污損。解決的措施為適當增加激光功率、減少離焦量、減少激光入射角、定期檢查并更換保護鏡片，或采用具有鏡頭自清潔功能的設備。

圖26 未熔合

k.咬邊（圖27）。產生的原因為咬邊處能量密度過大、光斑兩側能量不均勻。解決措施為適當減小能量密度，調整光斑位置及尺寸。

圖27 咬邊

l.燒蝕痕（圖28）。產生的原因為焊縫處有臟污。解決的措施在焊接前清理焊縫。

圖28 燒蝕痕

5 結束語

激光焊接系統(tǒng)精密且復雜，因此對焊縫質量造成影響的因素眾多。從激光系統(tǒng)、送絲機構、板材、釬料、保護氣及夾具六大方面進行系統(tǒng)分析，這些方案經過了焊接質量、焊接速度、投入成本、焊接可達性四個維度的綜合考量。此外，結合長期的現場經驗，對十二種常見缺陷類型及相應的控制措施進行了詳細描述。希望能夠為汽車及相關行業(yè)激光釬焊的應用及質量提升提供有效的解決思路。