激光焊接技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用及問題探討

劉立波，華治華，趙立富，張祥云

（一汽-大眾汽車有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528225）

激光拼焊、激光切割、激光深熔焊、激光釬焊等工藝目前已廣泛運(yùn)用于包括汽車、航空等各工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域。它具有焊接高效、焊接強(qiáng)度高、焊縫美觀、耐久度高等優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí)，激光焊也存在著一定的局限，例如：對(duì)焊接裝配精度要求較高、工裝精度要求高、整套系統(tǒng)的成本較 高、一次性投資大等。本文主要從焊接工藝及尺寸角度，對(duì)激光焊接產(chǎn)生的問題進(jìn)行探討。

1 激光焊接工藝

1.1 硬件設(shè)備

硬件設(shè)備除激光器之外，還包括控制裝置和配電裝置，控制裝置主要作用為控制和監(jiān)視激光器。配電裝置主要作用是控制單元和設(shè)備供電。

除此之外，還需要配備一定數(shù)量的輔助設(shè)備，包括激光光纜、焊接機(jī)器人及焊接工裝、冷卻裝置等。

1.2 過程控制

在激光器開始工作前，首先應(yīng)通過焊接夾具對(duì)被焊零件進(jìn)行定位，焊接夾具可保證焊接時(shí)零件的精確定位，減小焊接變形。夾具定位后由機(jī)器人控制器發(fā)出信號(hào)給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），再將信號(hào)發(fā)給激光控制器，激光控制器接收到信號(hào)后開始工作，同時(shí)焊接控制系統(tǒng)開始工作。不同激光焊接方式，焊接控制系統(tǒng)的組成略有不同，例如激光熔焊無(wú)需送絲系統(tǒng)，而激光切割需要配備在線檢測(cè)系統(tǒng)等。

1.3 激光參數(shù)

1）功率密度。激光功率密度即單位面積內(nèi)激光的功率，作為激光焊的重要參數(shù)之一，激光功率密度對(duì)焊接熔深有著直接的影響。當(dāng)功率密度達(dá)到一定值（約106W/cm2）時(shí)，可產(chǎn)生小孔效應(yīng)，形成大深寬比的焊點(diǎn)。但過于大的功率密度，會(huì)造成焊接材料劇烈汽化。

2）激光脈沖波形。激光脈沖波形主要影響焊接效果，由于光的反射現(xiàn)象，當(dāng)激光照射到金屬材料表面上時(shí)，很可能一半以上的激光能量會(huì)因反射現(xiàn)象損失掉，同時(shí)反射情況還受到溫度變化的影響。因此，針對(duì)不同的材料和焊接參數(shù)，選擇的激光脈沖波形也不同。

3）激光脈沖寬度。脈沖寬度直接影響焊縫的熔深大小。更寬的脈沖寬度，可以得到更大的焊縫熔深，但是單純?cè)黾用}沖寬度，會(huì)引起焊縫附近金屬氧化，甚至變形。

4）離焦量。在激光焊接中，焦平面的激光功率密度一般會(huì)大于正常所需。因此，以焦點(diǎn)位置作為焊接面，可能會(huì)因功率密度過大造成焊接缺陷。所以，一般將焦平面離開工件表面一段距離，該距離稱為離焦量。如圖1所示，以焊接工作面為基準(zhǔn)，焦平面遠(yuǎn)離工件稱為正離焦，反之，則稱為負(fù)離焦。負(fù)離焦可以獲得更大的熔深，正離焦可以獲得更美觀的焊縫。

圖1 焦平面示意圖

2 激光拼焊工藝及問題探討

2.1 工藝描述

激光拼焊即激光輻射加熱工件表面，從而形成熔池。因此，激光拼焊可將2種或2種以上不同材質(zhì)、厚度及涂層的鋼材或鋁材等進(jìn)行自動(dòng)拼合和焊接，然后直接沖壓成型，可以在保證零部件使用性能的前提下大幅降低車身重量，同時(shí)減少了加工環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)線成本。

激光拼焊是在汽車制造中應(yīng)用最為成功且效益較為明顯的一種激光焊接技術(shù)。所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、門蓋鈑金、輪罩板、底板、中間支柱等。

2.2 存在問題及改進(jìn)建議

盡管激光拼焊有著諸多優(yōu)勢(shì)，但仍舊存在著一定的問題，例如對(duì)匹配精度要求較高，若匹配尺寸偏差較大，會(huì)產(chǎn)生漏焊、虛焊及尺寸波浪的缺陷。針對(duì)該問題，可以從夾具設(shè)計(jì)及焊接過程入手優(yōu)化。

首先在夾具設(shè)計(jì)方面，應(yīng)在焊縫位置附近布置有足夠定位及輔助夾緊，用以保證焊接前被焊零件的定位及焊接過程中的尺寸穩(wěn)定；且所有夾緊塊都必須實(shí)現(xiàn)三向可調(diào)，用于焊接時(shí)進(jìn)行微調(diào)。其次是焊接過程，可引入焊縫跟蹤及質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是利用激光視覺傳感器，對(duì)焊縫形態(tài)進(jìn)行成像，利用算法判斷焊縫狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)激光焦點(diǎn)與焊接位置不重合時(shí)，及時(shí)報(bào)警，防止不合格品的流出。

3 激光切割工藝及問題探討

3.1 工藝描述

激光切割是用聚焦鏡將激光束聚焦在材料表面使材料熔化，當(dāng)激光束沿預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)材料的切割。

現(xiàn)代汽車制造中，激光切割技術(shù)主要用于切割金屬?zèng)_壓件，以取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊和沖孔模具。

3.2 存在問題及改進(jìn)建議

激光切割在汽車生產(chǎn)制造過程，一個(gè)主要的問題是由于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的零件尺寸偏差及穩(wěn)定性問題。

如某汽車車身大量采用高強(qiáng)度鋼板，零件的所有孔位均需要熱壓成型后由激光切割完成。在激光切割過程中僅有零件的型面參與定位，切割的尺寸穩(wěn)定性較傳統(tǒng)定位低很多。針對(duì)該問題，可以從定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)角度考慮優(yōu)化。

首先是定位基準(zhǔn)的位置，定位基準(zhǔn)應(yīng)均勻分布在零件中，確保零件重心距定位基準(zhǔn)距離較為平均，且定位基準(zhǔn)盡可能布置在寬大、穩(wěn)定的平面上。其次，零件切割的定位點(diǎn)最好與模具基準(zhǔn)點(diǎn)保持一致。大部分激光切割?yuàn)A具并未設(shè)計(jì)夾緊功能，雖然提高了生產(chǎn)節(jié)拍，但是考慮到尺寸的穩(wěn)定性，在定位基準(zhǔn)不宜布置或穩(wěn)定性差的區(qū)域應(yīng)設(shè)計(jì)夾緊，必要時(shí)可考慮利用光學(xué)設(shè)備進(jìn)行型面檢測(cè)，在激光切割時(shí)作一定的公差補(bǔ)償。

4 激光深熔焊工藝及問題探討

4.1 工藝描述

激光深熔焊利用激光光束作為熱源，加熱金屬母材，使其迅速汽化形成小孔，形成的小孔可以快速吸收外界攝入的熱量，當(dāng)熱量從高溫小孔傳遞到外壁時(shí)，靠近外壁的金屬會(huì)被快速熔化，熔融狀態(tài)的金屬填充小孔流動(dòng)后的縫隙并冷卻形成焊縫。

4.2 存在的問題及改進(jìn)建議

激光深熔焊一般應(yīng)用于板材焊接，其主要的問題有板材搭接存在間隙而導(dǎo)致虛焊、漏焊；焊接瞬時(shí)溫度較高導(dǎo)致金屬內(nèi)部組織變化出現(xiàn)尺寸變形。

如圖2所示，某車型由于內(nèi)板與門檻匹配存在間隙，導(dǎo)致激光熔焊未焊透、形成虛焊。對(duì)于該種缺陷，可以從零件尺寸、焊點(diǎn)布置及工裝輔助三方面加以優(yōu)化。

圖2 某車型激光熔焊缺陷

1）零件尺寸。由于零件為多層搭接匹配形式，因此，應(yīng)適當(dāng)提高相關(guān)零件尺寸要求，或根據(jù)間隙狀態(tài)優(yōu)化零件，最終匹配間隙小于0.5 mm為宜。

2）焊點(diǎn)布置。激光焊之前可以在搭接型面較長(zhǎng)的地方先進(jìn)行固定點(diǎn)焊，有助于消除焊接間隙，同時(shí)注意焊點(diǎn)布置間距合理、均勻，如圖3所示。

圖3 焊點(diǎn)布置不均引起匹配間隙大

3）工裝輔助。可在焊槍前部增加前導(dǎo)壓輪/壓指，使其跟隨焊槍一起運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)壓緊力保證被焊零件在焊接前的焊接間隙，以消除因焊接間隙大造成的焊接缺陷。如圖4所示。

圖4 前導(dǎo)壓輪結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于焊接熱變形，主要會(huì)出現(xiàn)在焊接熱成型鋼的區(qū)域，可以增加局部輔助夾緊的同時(shí)，對(duì)熱成型零件做一些尺寸預(yù)留。即在零部件生產(chǎn)時(shí)，在會(huì)產(chǎn)生變形的地方提前反向預(yù)留一些變形尺寸，在零件參與焊接變形后，剛好或基本變回到理論的尺寸位置，如圖5所示。

圖5 某車型高強(qiáng)度鋼的熱變形預(yù)留

5 激光釬焊工藝及問題探討

5.1 工藝描述

激光釬焊原理與普通釬焊焊接工藝相似，但又存在不同，激光釬焊熱源為激光，激光作用于焊絲表面，將焊絲熔化，再利用機(jī)器人牽引焊絲，將其浸潤(rùn)至焊縫處，完成激光釬焊的焊接過程。

5.2 存在問題及改進(jìn)建議

激光釬焊工藝對(duì)匹配間隙變化敏感，焊接間隙要求很高（焊縫最大間隙通常要求不超過0.2 mm），在實(shí)際生產(chǎn)中不易實(shí)現(xiàn)，極易由于零件尺寸波動(dòng)產(chǎn)生下陷、沙眼、氣孔等缺陷，如圖6所示。

圖6 某車型焊縫塌陷缺陷

改善釬焊工藝即要改善焊接過程的穩(wěn)定性，可以從以下幾個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化。

1）零件尺寸。作為焊接間隙直接決定因素，對(duì)零件匹配區(qū)域尺寸要重點(diǎn)控制，釬焊搭接區(qū)域每300 mm平整度小于0.2 mm，整條搭接區(qū)域平整度小于0.4 mm。對(duì)側(cè)圍與頂蓋搭接狀態(tài)，如圖7所示，頂蓋與外板搭接高度差Z=標(biāo)準(zhǔn)值±1 mm，接觸線夾角α在5～10°之間，保證最終接觸間隙小于0.2 mm。

圖7 側(cè)圍與頂蓋搭接要求

2）焊接參數(shù)。首先應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募す夤β?，若激光功率過低，會(huì)導(dǎo)致不能形成有效焊接。反之，若激光功率過高，會(huì)導(dǎo)致母材發(fā)生變化，出現(xiàn)氣孔等缺陷。其次在適當(dāng)?shù)募す夤β氏?，需根?jù)實(shí)際匹配情況，調(diào)整參數(shù)a=（焊接速度/送絲速度）。該比例越小，焊縫寬度越大，比值過大會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)波浪等缺陷；反之比例越小，焊縫寬度越小，比值過小會(huì)造成焊縫塌陷等缺陷。

3）夾具設(shè)計(jì)。在夾具中，可在焊縫位置設(shè)置一定數(shù)量頂蓋壓盤控制焊接間隙，頂蓋壓盤數(shù)量設(shè)置不宜過多，否則易造成鈑金焊接波浪，同時(shí)若壓盤過少，不利于較短區(qū)域內(nèi)焊接間隙的調(diào)整。在激光焊房?jī)?nèi)可以在車身兩側(cè)增加Y向的側(cè)圍推臂，用于控制側(cè)圍與頂蓋的搭接穩(wěn)定性，如圖8所示。

圖8 頂蓋夾具輔助壓緊示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步與普及，人們對(duì)于激光焊接技術(shù)的功能需求也隨之提高，其在汽車制造領(lǐng)域的重要性已經(jīng)不言而喻。我們應(yīng)把握時(shí)代賦予的機(jī)遇，不斷研究開發(fā)新的技術(shù)工藝，擴(kuò)大激光焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，不斷改進(jìn)激光焊接的工藝，提升焊接質(zhì)量，以滿足各行業(yè)對(duì)激光焊接的需求。