頂蓋激光釬焊主要缺陷及影響因素分析

黃尚倫，高建森，牟遴

（1.長安福特汽車有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000；2.杭州吉利汽車有限公司，浙江 杭州 310000）

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，使之與工件形成良好的冶金結(jié)合，完成零件的連接。其一般含義是用于接合材料，這依賴于填充金屬的熔化、流動和凝固以形成密封凝固或一個強大的構(gòu)架。該方法的獨特性在于，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，釬焊接頭的強度依賴于液體填充金屬到母材熱表面的擴散。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器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在汽車制造的過程中。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。在吉利ICON車型上首次采用激光釬焊，方式為填絲硬釬焊，主要應(yīng)用于頂蓋與側(cè)圍搭接處。頂蓋激光器釬焊接頭形式為截面卷對接，填充釬料為SG-CuSi3。但這種接頭對于焊接工藝參數(shù)的敏感度很高，激光束入射角度、位置、焊接速度、功率都會影響到最終的焊縫質(zhì)量。由于采用激光釬焊的產(chǎn)品車上焊縫無任何飾條覆蓋，經(jīng)涂裝車間直接進(jìn)行涂裝，這對焊縫表面質(zhì)量要求非常高。由于制造過程的復(fù)雜性以及影響因素眾多，為了產(chǎn)品高質(zhì)量的有效輸出，必須要對影響焊接質(zhì)量的因素做必要的分析了解，以便在日常生產(chǎn)過程中做到及時響應(yīng)。

1 激光釬焊系統(tǒng)組成及焊接過程

1.1 系統(tǒng)組成

激光釬焊系統(tǒng)主要包括激光源、送絲機構(gòu)、機器人、激光頭組等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成見圖1所示。杭州吉利工廠選用激光源為IPG YAG激光源，型號是Trudisk5002，最大輸出功率5000W，發(fā)射波長1030nm。激光頭采用Scsansonic ALO3最大輸出功率6kW，波長范圍1025～1080nm。填充釬料為SG-CuSi3，焊絲直徑1.6mm，光斑直徑3.2mm。

圖1 激光釬焊系統(tǒng)組成

1.2 焊接過程

頂蓋視覺引導(dǎo)頂蓋自動裝配后，首先進(jìn)行定位點焊，然后進(jìn)入激光工位，抓手頂蓋胎模下壓，使側(cè)圍與頂蓋搭接間隙小于0.3mm。機器人R1、R2控制器獲得程序號發(fā)射給激光控制器，激光控制器得到程序號調(diào)用對應(yīng)的激光器通道，激光功率，送絲機參數(shù)開始工作，2臺機器人同時開始移動，左右兩邊頂蓋當(dāng)垂直焦距位置和Y向位置分別達(dá)到設(shè)定值時，激光器程序開始運行，同時發(fā)出激光，并沿左右頂蓋焊接，激光焊接路徑如圖2所示。焊接完成后激光先關(guān)閉，然后機器人沿相反方向返回至原位，至此整條焊縫焊接完成。

圖2 頂蓋激光焊接路徑

2 激光釬焊主要缺陷

激光釬焊對焊縫表面質(zhì)量有很高的要求，由于車身頂蓋與側(cè)圍搭接尺寸精度的波動性、白車身的潔凈度以及激光釬焊系統(tǒng)的自身屬性，導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，故其焊接過程質(zhì)量的控制難度也隨之加大，以下對激光釬焊的主要質(zhì)量缺陷進(jìn)行介紹。

2.1 焊縫偏移

如圖3中所示的在接縫表面上的偏移，典型地是由焊絲與激光束下相對位置發(fā)生偏移，進(jìn)而熔融的焊絲只和單邊的板件融合，形成焊縫偏移。評價標(biāo)準(zhǔn)是保持焊絲與激光束相對位置一致性。調(diào)整焊縫跟蹤力，向側(cè)圍施加1個0.5～1N的偏向力為最佳，定期檢查釬焊光頭力學(xué)跟蹤部件的平衡力。

圖3 焊縫偏移

2.2 焊縫氣孔

如圖4中所示板件上雜質(zhì)或鍍鋅層受熱氣化而體積腫脹，在熔化的焊絲凝固時未能及時溢出，而形成內(nèi)部或表面氣孔。評價標(biāo)準(zhǔn)是上表面的氣孔不存在。表面氣孔的公差上限為：單個直徑最大為0.4×tmin，50mm釬焊長度中最大數(shù)量為10，通過匹配激光功率、送絲速度、送絲量等參數(shù)，可大大降低氣孔出現(xiàn)機率。

圖4 焊縫氣孔

2.3 焊縫塌陷、不規(guī)則

如圖5中焊絲在熔化填充鋪展過程中，由于頂蓋與側(cè)圍搭接間隙超過0.3mm，出現(xiàn)焊縫與頂蓋或側(cè)圍搭接面出現(xiàn)一些小而長的凹凸不平的坑，焊縫出現(xiàn)下沉，熔池過深，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫塌陷、表面不規(guī)則。評價標(biāo)準(zhǔn)釬焊整條路徑上不允許有塌陷、不規(guī)則質(zhì)量缺陷。頂蓋與側(cè)圍搭接間隙必須小于0.3mm，同時增加光斑直徑，光絲直徑比調(diào)整到3:1，保持光絲對中，增加功率。

圖5 焊縫塌陷、不規(guī)則

2.4 焊縫漏焊

如圖6展示由于焊絲在熔化過程中，未能完全連接母材，出現(xiàn)跳焊的現(xiàn)象。評價標(biāo)準(zhǔn)釬焊路徑連續(xù)，不可出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。校驗光絲對中，改善車身尺寸，調(diào)整側(cè)圍沖壓件誤差下降0.1mm，同時需要夾具的狀態(tài)在車身質(zhì)量穩(wěn)定后過壓理論位置1～2mm，保證焊后夾具與頂蓋貼合。

圖6 釬焊中斷

3 激光釬焊質(zhì)量的主要影響因素

激光釬焊是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝，要實現(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)，其加工過程中的影響因素非常多，要求非?？量?。

3.1 激光功率

若激光功率過小，焊接能量輸入不足，釬焊溫度仍然較低，釬料的流動性不好，焊縫金屬潤濕鋪展效果較差，不能充分填縫，不能形成有效連接，即使降低焊接速度以保證線能量，但釬縫的散熱時間也相應(yīng)增加，釬焊溫度仍然較低，釬料的流動性不好，焊縫成形較差并且鍍鋅層燒損嚴(yán)重。試驗發(fā)現(xiàn)，在激光功率低于800W時，無法獲得良好的釬縫成型；當(dāng)功率激光適中時，焊絲金屬的鋪展?jié)櫇裥Ч麜玫胶艽蟾纳?，焊縫成形好；若激光功率過高，則光斑的功率密度較高，容易使釬料過熱造成焊絲金屬燒損，即使提高釬焊速度，由于激光加熱速度很快，釬料的局部溫度仍然偏高，而且釬料有向外噴射的跡象。圖7為激光功率過大時焊縫和對應(yīng)金相照片。

圖7 激光功率多大時焊縫金相

3.2 激光焦點

激光焊接能量是通過激光頭聚焦集中到焊縫上，一部分激光能量被釬焊絲吸收，另一部分被加金屬板材吸收。如果光斑直徑過小，焊絲將遮住全部激光，導(dǎo)致母材不熱，釬劑不能有效地發(fā)揮去膜作用，釬料不能潤濕鋪展；同時，焊縫很窄，焊縫金屬與兩板的結(jié)合面積較小，抗拉能力減弱。當(dāng)然，光斑直徑過大，能量密度降低，即使在較高的能量下，兩板背面溫度不高，焊絲在背面潤濕鋪展也會較差。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在激光垂直入射情況下，由于離焦量較小，也即激光光斑較小，釬料潤濕效果不佳。在相同的離焦量下，將激光沿釬縫方向傾斜45°入射，激光由圓形光斑變成橢圓光斑，此時釬料潤濕效果最佳，焊縫的外觀成形將會達(dá)到最佳。

3.3 焊接和送絲速度

激光釬焊焊接速度受到送絲速度及激光頭移動速度的影響。一條焊縫的焊絲填充量由所要求的焊縫面積和板件搭接焊縫長度所決定，而焊絲單位時間的填充量由焊絲的截面積和送絲速度所確定。這些參數(shù)值必須與激光頭的移動速度協(xié)調(diào)一致才能保證焊絲的填充量達(dá)到最佳效果，從而達(dá)到高質(zhì)量焊縫。焊接速度與送絲速度的合理匹配，同時影響著焊縫填充量，填充量對接頭強度也存在很大影響。圖8為焊絲填充量過少造成的焊縫缺陷，此缺陷產(chǎn)生的主要原因為相對于焊接速度來說送絲速度過小。

圖8 焊絲填充過少時的焊縫

在ICON車型頂蓋釬焊的實際使用中，一般會使用較大送絲速度。利用產(chǎn)生的少量焊料過剩，減小因由于焊絲速度不均勻而造成毛孔的危險，而且能保證足夠的焊縫截面積。但在速度較高的情況下，相對理論軌跡的機器人運行偏差也會因此而變大；焊接速度越快，加工過程對外界干擾的敏感度也就越大。圖9為送絲速度過大、送絲過多造成未熔化焊絲在焊縫表面堆積。

圖9 未熔化焊絲在焊縫表面堆積

4 結(jié)語

杭州吉利汽車生產(chǎn)ICON車型所采用的TRUMPF激光釬焊不僅擁有傳統(tǒng)弧焊、點焊難以比擬的焊縫強度和良好的焊縫外觀，而且焊接效率高，具備焊縫追蹤功能，采用最新技術(shù)焊接過程監(jiān)控系統(tǒng)，清晰拍攝焊接過程，識別焊接過程中氣孔、漏焊等缺陷，達(dá)到提前預(yù)警效果，記錄、存儲焊接過程參數(shù)，便于缺陷原因分析，實現(xiàn)全過程高度自動化。本文從激光功率、焊接和送絲速度、激光焦點等多方面入手深入研究了影響焊縫質(zhì)量的因素，提出了保證焊縫質(zhì)量方法，為今后更加深入地利用好激光釬焊技術(shù)提供了參考依據(jù)，為吉利汽車激光焊接質(zhì)量控制打下了堅實的基礎(chǔ)。