激光飛行焊在白車(chē)身上的應(yīng)用

趙廣力

摘要：本文主要從兩方面針對(duì)激光飛行焊進(jìn)行了闡述，一方面為激光飛行焊工作站系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、設(shè)備參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。另一方面為工藝分析，從常見(jiàn)質(zhì)量缺陷、質(zhì)量缺陷發(fā)生機(jī)理以及返修標(biāo)準(zhǔn)等方面展開(kāi)論述。

關(guān)鍵詞：激光、飛行焊、振鏡

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)品精細(xì)化、感官質(zhì)量在不斷的提升，精美的車(chē)身設(shè)計(jì)也對(duì)制造工藝提出更高的要求。突破傳統(tǒng)制造工藝，制造出更加精致的產(chǎn)品，才能立于市場(chǎng)的不敗之地，汽車(chē)車(chē)身窄邊焊就是發(fā)展方向之一。常規(guī)的焊接法蘭面為16mm以上，如今一些領(lǐng)先主機(jī)廠，焊接法蘭面已經(jīng)縮短到6mm，傳統(tǒng)的點(diǎn)焊已經(jīng)不能滿(mǎn)足，需進(jìn)行工藝突破，激光飛行焊可以有效的解決窄邊焊問(wèn)題，本文主要針對(duì)激光飛行焊連接技術(shù)進(jìn)行分析。

激光飛行焊系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1. 激光飛行焊工作站組成

激光飛行焊本質(zhì)上還是激光熔焊，除激光掃描頭與常規(guī)激光熔焊頭原理有差異外，其他設(shè)備構(gòu)成并無(wú)不同。激光飛行焊工作站也是由機(jī)器人、激光房、激光源（激光發(fā)生器）、光纖、激光頭、除塵系統(tǒng)、水冷機(jī)、激光源房、激光源環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光功率測(cè)試臺(tái)、激光功率自動(dòng)檢測(cè)儀、軟件功能包等構(gòu)成。激光飛行焊系統(tǒng)原理如圖1所示。

2. 激光飛行焊工作原理

激光飛行焊屬于激光熔焊，但工作原理又區(qū)別于激光熔焊，主要體現(xiàn)在激光束定位方式不同。

激光飛行焊工作原理為：激光發(fā)生器中的激光束通過(guò)光釬傳遞到安裝在機(jī)器人上的可編輯聚焦掃描頭中，光束在掃描頭內(nèi)部振鏡的X，Y軸兩個(gè)反射鏡中折射，計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)控制反射鏡角度，促使激光束按照編程路徑進(jìn)行高速精確運(yùn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)透鏡的線性移動(dòng)，使光束焦點(diǎn)位置在Z向一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，變換焦點(diǎn)位置。最終具有一定功率密度的激光束聚焦在工件表面實(shí)現(xiàn)掃描焊接。工作原理見(jiàn)圖2。

在每道焊縫焊接過(guò)程中，激光掃描頭距離工件約500mm左右，且掃描頭不動(dòng)，依靠掃描振鏡X，Y軸兩個(gè)反射鏡角度變化而改變光束掃描焊接位置，光束從一道焊縫移動(dòng)到另外一道焊縫時(shí)間幾乎為零。因此相對(duì)于熔焊或點(diǎn)焊，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)激光頭或焊槍而改變焊縫或焊點(diǎn)位置的方式，效率極大提升。

3.? 激光飛行焊主要參數(shù)

激光飛行焊主要參數(shù)包括機(jī)器人速度、掃描焊接速度、焊接功率、離焦量等，合理的參數(shù)相互配合，可以提升焊接效率、保證焊接質(zhì)量。參數(shù)的定義及對(duì)工藝影響見(jiàn)表1。

激光飛行焊工藝分析

1. 激光飛行焊常見(jiàn)焊接部位

在主機(jī)廠，激光飛行焊常見(jiàn)部位為白車(chē)身車(chē)門(mén)窗框，門(mén)洞止口、行李箱蓋等部位，主要是為解決焊接部位搭接面較窄（6mm）問(wèn)題。車(chē)門(mén)窗框?yàn)樽畛Ｒ?jiàn)焊接部位見(jiàn)圖3。

2. 激光飛行焊焊縫形式

在白車(chē)身上常見(jiàn)的激光飛行焊焊縫為一字型和C型，見(jiàn)圖4，另外根據(jù)需要還可以為S型、凵型等樣式。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要以一字型為主，焊縫長(zhǎng)度一般為20-30mm，一字型便于調(diào)試及質(zhì)量控制。對(duì)于搭接面較小的區(qū)域?yàn)樵黾舆B接強(qiáng)度會(huì)設(shè)計(jì)C型焊縫，相對(duì)于一字型焊縫質(zhì)量缺陷概率要高，調(diào)試難度要大。

3. 激光飛行焊凸點(diǎn)

鍍鋅板激光飛行焊時(shí)，需考慮鋅蒸汽逸出，需要在待焊接板件表面打凸點(diǎn)，即常說(shuō)的Dimple。

凸點(diǎn)形成原理：通過(guò)“小孔效應(yīng)”（為熔池前段穿透焊件而形成一個(gè)小孔，焰流穿過(guò)母材而噴出）金屬材料蒸發(fā)后急速冷卻而在工件表面形成的凸點(diǎn)。

凸點(diǎn)工藝要求：用激光頭在板件上打凸點(diǎn)，凸點(diǎn)高度控制在0.15-0.25mm，分布在焊縫橫向兩端，離焊縫的距離建議控制在1-3mm，凸點(diǎn)之間的距離建議控制在8-10mm，凸點(diǎn)數(shù)量依據(jù)焊縫長(zhǎng)度而定，最終保證板件搭接后的間隙在0.15-0.25mm之間。凸點(diǎn)常見(jiàn)分布見(jiàn)圖5。

當(dāng)焊縫小于0.15mm時(shí)，鋅蒸氣不能通過(guò)間隙有效排除，而從焊縫表面排除，易產(chǎn)生氣孔缺陷；當(dāng)焊縫間隙大于0.25mm時(shí)，熔化金屬不能完全填充間隙，造成強(qiáng)度不足。

針對(duì)凸點(diǎn)，通過(guò)多組試片實(shí)驗(yàn)，最終得出結(jié)論：參數(shù)為功率4KW、離焦量40mm、掃描時(shí)間10ms時(shí)打出的凸點(diǎn)高度為0.15mm ，焊接后質(zhì)量較好且穩(wěn)定，見(jiàn)圖6

4. 激光飛行焊主要質(zhì)量缺陷

激光飛行焊在調(diào)試過(guò)程中存在的主要質(zhì)量缺陷包括凹陷、氣孔、虛焊、穿孔、未完全熔透五類(lèi)問(wèn)題（見(jiàn)圖7）。

影響激光飛行焊焊縫質(zhì)量的主要因素主要包括五方面，功率、Dimple、匹配、表面、參數(shù)，以上因素往往以綜合問(wèn)題的形式呈現(xiàn)，相互作用，需要綜合去判斷。見(jiàn)圖8

（1）焊接缺陷發(fā)生主要原因分析? 1）凹陷：焊縫處板件間搭接間隙過(guò)大，焊接時(shí)金屬熔液不能完全填充間隙，溶液下沉，冷卻后形成凹陷；2）氣孔：焊縫處板件間搭接間隙過(guò)小，焊接時(shí)鋅蒸汽無(wú)空間逸出，只能從熔池逸出，冷卻后產(chǎn)生氣孔，多伴隨有飛濺的產(chǎn)生；3）虛焊：虛焊主要是因?yàn)槿凵畈粔?，原因可能為板件間隙過(guò)大，或者焊接速度過(guò)快導(dǎo)致熱量不足，或者離焦量過(guò)大導(dǎo)致熱量不足；4）穿孔：熱輸入量過(guò)大；5）未完全熔透：間隙不均、焊接速度過(guò)快，離焦量設(shè)計(jì)不合理均可導(dǎo)致熔深不夠。由此可見(jiàn)，零件搭接間隙以及焊接參數(shù)對(duì)激光飛行焊質(zhì)量影響極大。

（2）影響搭接間隙的主要因素? 影響搭接間隙的主要因素為兩類(lèi)，一類(lèi)為沖壓件質(zhì)量問(wèn)題，一類(lèi)為工裝夾具問(wèn)題。沖壓件問(wèn)題主要包括尺寸公差過(guò)大、沖壓件局部變形、凹坑、波浪、毛刺、切邊不合格等。工裝夾具問(wèn)題主要包括夾緊點(diǎn)選取不合理、夾緊面過(guò)小、夾具夾緊力過(guò)大等因素導(dǎo)致零件翹起，從而導(dǎo)致焊縫處間隙不均。

5. 激光飛行焊調(diào)試注意事項(xiàng)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）有密封要求的區(qū)域避免激光飛行焊? 由于受沖壓件本身品質(zhì)波動(dòng)、工裝夾具變化以及其他外部因素影響，穿孔問(wèn)題無(wú)法徹底消除，但通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整，穿孔概論能夠降低至1%以下。由于穿孔導(dǎo)致漏雨風(fēng)險(xiǎn)極大，因此有密封要求的區(qū)域盡量避免設(shè)計(jì)激光飛行焊。

（2）激光飛行焊縫不得設(shè)計(jì)于產(chǎn)品外觀面? 由于飛行焊縫普遍存在凹坑問(wèn)題，影響產(chǎn)品外觀精細(xì)感知，因此外觀面應(yīng)避免設(shè)計(jì)焊縫。

（3）焊接法蘭面不得低于6mm? 焊接面應(yīng)盡量做大，不得低于6mm，見(jiàn)圖9。若法蘭面過(guò)窄，夾具夾緊后易出現(xiàn)局部翹起，零件搭接間隙不均從而出現(xiàn)虛焊、未完全熔透等缺陷。

（4）搭接面應(yīng)平直，弧面等復(fù)雜曲面避免設(shè)計(jì)焊縫? 夾具夾頭設(shè)置在焊縫兩端，弧面處零件搭接后間隙難以控制，易出現(xiàn)氣孔、凹陷、虛焊等缺陷。

（5）C型等形狀復(fù)雜的焊縫應(yīng)避免? 正常情況下以一字型焊縫為主，只有搭接面比較小的區(qū)域?yàn)榱嗽黾雍缚p長(zhǎng)度而設(shè)計(jì)C型焊縫，但C型焊縫曲線過(guò)渡處能量密度較高，故此處穿孔概率較高，質(zhì)量缺陷風(fēng)險(xiǎn)較大。見(jiàn)圖10

（6）鋼板鋅層厚度? 激光焊板料搭接面處的鍍鋅層標(biāo)準(zhǔn)厚度不應(yīng)超過(guò)20μm。當(dāng)鍍鋅層厚度超過(guò)20μm時(shí)，將會(huì)對(duì)工藝的穩(wěn)定性造成顯著的影響，產(chǎn)生孔洞和較差的焊接強(qiáng)度。

（7）板件搭接方向? 一般采用薄板在上，厚板在下

（8）沖壓件切邊接刀口避免設(shè)計(jì)在焊縫處? 為防止溜邊焊，需把焊縫往里面調(diào)整，不滿(mǎn)足焊縫離邊緣1-3mm標(biāo)準(zhǔn)要求；見(jiàn)圖11。焊縫離零件邊緣遠(yuǎn)，焊縫處零件搭接間隙難以控制，焊縫不穩(wěn)定，虛焊、未完全熔透等缺陷概率增加。

（9）焊道附近夾具壓緊單元使用銅質(zhì)壓塊

激光焊飛濺大，焊渣易粘連鐵質(zhì)夾頭上難以清理，同時(shí)影響激光焊接質(zhì)量;

（10）夾具設(shè)計(jì)時(shí)需滿(mǎn)足焊縫間隙處塞尺測(cè)量需求

工件之間的搭接間隙對(duì)焊縫的質(zhì)量影響極大，因此設(shè)計(jì)夾具時(shí)要充分考慮間隙測(cè)量的可操作性。

（11）夾緊點(diǎn)要充分

為保證鈑金件夾緊后狀態(tài)的穩(wěn)定性，通常每道焊縫兩側(cè)均需夾緊，因此夾緊單元設(shè)計(jì)能充分對(duì)工件進(jìn)行夾持。見(jiàn)圖12。

（12）激光焊縫和輔料（密封膠道、焊接劑道）的最小距離為10mm；

6. 激光飛行焊優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)點(diǎn)焊，激光飛行焊有明顯的優(yōu)勢(shì)，也有明顯的缺點(diǎn)，具體見(jiàn)表2：

7. 激光飛行焊檢查及返修標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)目視并借助塞尺、鋼板尺、游標(biāo)卡尺等工具，檢測(cè)激光飛行焊焊縫質(zhì)量缺陷，判定及返修標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3

結(jié)語(yǔ)

本文主要為我們?cè)诩す怙w行焊調(diào)試過(guò)程中積累的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能為同行在調(diào)試過(guò)程中提供一些參考。