轎車白車身頂蓋激光釬焊的應(yīng)用研究

宋揚(yáng) 李銀宗

1. 概述

激光釬焊的技術(shù)優(yōu)勢吸引了越來越多的汽車廠家及汽車焊接技術(shù)人員的關(guān)注。推動激光釬焊在汽車行業(yè)的應(yīng)用，將會使中國汽車行業(yè)焊接領(lǐng)域發(fā)生質(zhì)的改變，因此我們有必要進(jìn)行激光釬焊技術(shù)原理和工藝設(shè)計(jì)的研究。本文結(jié)合神龍汽車有限公司B73/MX3項(xiàng)目頂蓋激光釬焊工業(yè)化實(shí)例，詳細(xì)介紹激光釬焊在汽車頂蓋焊接中的工業(yè)應(yīng)用，以提供一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和探討空間。

2. 激光釬焊工藝

（1）激光釬焊原理 激光釬焊是在電弧釬焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的局部硬釬焊技術(shù)（見圖1），是利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲被光束能量加熱，并熔化形成高溫液態(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，在界面層中生成均勻的固熔體及共晶組織，使之與工件間形成良好的冶金結(jié)合。即工件間的連接是通過釬焊層實(shí)現(xiàn)的，而母材本身不會被激光嚴(yán)重熔蝕損傷，因此焊縫成形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。

激光釬焊是一個(gè)獨(dú)特的焊接冶金過程，除了有光和熱，在焊接過程中還伴隨著特有的聲和電荷的產(chǎn)生。這是因?yàn)榧す獾母吣芰枯斎胧购缚p上方的環(huán)境氣體及因受熱氣化的金屬鍍層蒸汽發(fā)生了電離，而焊縫上方的這層電離層被形象地稱作等離子云。等離子云伴隨出現(xiàn)在激光釬焊整個(gè)過程的焊件熔池上方，在某種程度上起到了一定的類似焊接保護(hù)氣的作用，因此目前激光釬焊工藝已不再需要單獨(dú)的增加保護(hù)氣就可以得到良好的焊縫外觀。

（2）激光釬焊特點(diǎn) 首先，技術(shù)優(yōu)勢。①激光釬焊焊接速度快，噪聲小。②可釬焊幾何形狀復(fù)雜或特殊結(jié)構(gòu)的工件。③局部加熱，且可精確調(diào)節(jié)和控制熱輸入，零件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)小，可在不傷及母材的情況下施焊，保證質(zhì)量穩(wěn)定，焊后僅需簡單處理甚至無需處理。④負(fù)離焦加熱，熔化帶寬，無飛濺，填充劑熔化后自然浸潤，焊縫外觀質(zhì)量良好，可用于外觀區(qū)域的鋼板拼焊。⑤由于在激光填絲釬焊時(shí)焊件間的間隙被滲透，所以焊縫具有防腐性。當(dāng)采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，焊縫可不經(jīng)處理進(jìn)行油漆。⑥通過外光路系統(tǒng)可以使光束改變方向和傳播路徑，因而可以方便的與機(jī)器人連接構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)。⑦激光束易于實(shí)現(xiàn)分光，可用半透鏡、反射鏡、棱鏡、掃描鏡等光學(xué)元件進(jìn)行時(shí)間與空間分割，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對稱焊。⑧光束容易傳輸和控制，不需要經(jīng)常更換焊槍、噴嘴，顯著減少停機(jī)輔助時(shí)間，有荷系數(shù)和生產(chǎn)效率高。⑨容易實(shí)現(xiàn)自動化，能有效地控制光束強(qiáng)度和精細(xì)定位。

圖1 激光釬焊原理

結(jié)合以上優(yōu)勢，激光釬焊正在逐漸成為一種替代普通弧焊的工藝手段，而備受人們的廣泛關(guān)注。激光釬焊與普通焊接工藝指標(biāo)比較如表1所示。

其次，技術(shù)局限性。①激光釬焊以激光作為熱源，而激光經(jīng)過聚焦后光斑尺寸較小，產(chǎn)生焊縫較窄，這便要求焊接工件的裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移，若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺陷。②激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資相對較大。③焊接技術(shù)復(fù)雜，技術(shù)難度大，涉及到光學(xué)、焊接、自動化系統(tǒng)工程等專業(yè)技術(shù)，使得激光釬焊系統(tǒng)調(diào)試的難度較大，且系統(tǒng)設(shè)備需要專業(yè)維護(hù)，若核心設(shè)備故障停機(jī)或損壞后其修復(fù)難度大，無形中增加了工業(yè)成本。④激光屬不可見光，危險(xiǎn)性大，防護(hù)等級高，工業(yè)化中需要投入特殊的安全防護(hù)設(shè)施。

3. 激光釬焊工業(yè)化流程

（1）激光釬焊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2為神龍汽車公司頂蓋激光釬焊的工藝系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)過專業(yè)驗(yàn)證、批量工業(yè)化及技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)已形成神龍公司激光釬焊較為成熟的工業(yè)化體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)開始在其他項(xiàng)目中批量版復(fù)制模，成本如表2所示。

系統(tǒng)中核心設(shè)備功能如下：

激光發(fā)生器: 產(chǎn)生激光后耦合并輸出成一定波長的激光光束（配合冷卻系統(tǒng)使用）。

光纖：負(fù)責(zé)傳輸激光器發(fā)出的激光束到激光焊接頭（為保證設(shè)備的正常使用，一般需要有1條備用光纖，圖2中設(shè)備3）。

表1 激光釬焊與釬焊、CO2焊的比較

圖2 激光釬焊工業(yè)化系統(tǒng)

焊接頭：傳輸激光經(jīng)過光頭校準(zhǔn)處理后，可以變成具備一定加工性能的能量光束。

機(jī)器人系統(tǒng)：負(fù)責(zé)焊接軌跡行走，調(diào)用焊接參數(shù)，給出適當(dāng)?shù)碾姎庑盘枴?/p>

獨(dú)立焊接工作間：由于大功率激光器的激光光束能量巨大，可傷人，所以焊接須在封閉空間內(nèi)進(jìn)行。

自動化控制電柜：負(fù)責(zé)各種電氣信號處理，協(xié)調(diào)機(jī)器人、激光焊接頭、激光器和自動化焊接夾具的信號交換。

工裝夾具：確保零件裝配尺寸，保證焊縫位置的重復(fù)精度。

抽風(fēng)系統(tǒng)：焊接時(shí)鍍鋅層高溫氣化會產(chǎn)生煙霧、有害氣體，需要安裝抽風(fēng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)備使用率：①節(jié)拍。頂蓋激光釬焊的焊接速度為75mm/s，起弧與收弧各需耗損8mm/s，以1 500mm左右焊縫長度為準(zhǔn)，純激光焊接時(shí)間約為28s。②能耗。主要能耗產(chǎn)生在光源上（其他設(shè)備忽略不計(jì)），光電效率約30%，節(jié)拍1.5，光源工作時(shí)間30s。為提高光源的使用率，可以通過光閘實(shí)現(xiàn)增加光源的分時(shí)功能。

（2）白車身頂蓋激光釬焊全工藝流程 頂蓋激光釬焊是較為典型的激光釬焊實(shí)例。為輸出令客戶滿意的激光焊接質(zhì)量，需要從白車身制造源頭進(jìn)行工藝控制。其中焊裝車身線是其中最為重要的一環(huán)，以下結(jié)合神龍公司B73/MX3項(xiàng)目實(shí)例，介紹為完成頂蓋激光焊接所設(shè)計(jì)的車身線工藝流程（見圖3）。

成形機(jī)：通過成熟的車身成形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)地板、側(cè)圍、后圍板、后隔板、橫梁的拼接成形，完成白車身殼體的主體框架，它基本完成了車身的主體尺寸控制。激光釬焊的特點(diǎn)決定其對于工件拼接的間隙有嚴(yán)格的要求和較高的敏感度，而成形機(jī)的主要貢獻(xiàn)就是能夠有效的保證車身的幾何尺寸，尤其是車身開度，由此保證頂蓋與側(cè)圍間隙的可調(diào)和可控。同時(shí)，成形機(jī)的基準(zhǔn)定位可以有效的保證車身合裝在工業(yè)化批量過程中重復(fù)性和穩(wěn)定性。

頂蓋成形工裝：該工裝的主要功能是在頂蓋前后焊接若干個(gè)焊點(diǎn)（試驗(yàn)表明在頂蓋前部焊接兩個(gè)焊點(diǎn)，頂蓋后部焊接2~4個(gè)焊點(diǎn)時(shí)焊接質(zhì)量最為穩(wěn)定）來確定頂蓋在車身的位置，即頂蓋相對于側(cè)圍的基本位置。該工裝設(shè)計(jì)了Y向浮動（見圖4）和Z向壓緊功能，可通過這兩項(xiàng)設(shè)計(jì)輔助調(diào)整側(cè)圍與頂蓋間的間隙尺寸。

激光焊浮動工裝（見圖5）：由若干個(gè)彈性壓頭組成（壓頭的數(shù)量取決于頂蓋的整體長度），通過調(diào)節(jié)彈簧的彈性系數(shù)來調(diào)整對頂蓋的Z向壓緊力，以輔助完成對側(cè)圍與頂蓋的間隙尺寸調(diào)整。

表2 神龍公司頂蓋激光釬焊系統(tǒng)成本參考（2012年）

圖3 車身線頂蓋焊接工藝流程

圖4 浮動機(jī)構(gòu)原理

圖5 頂蓋激光焊浮動工裝

激光焊返修工序：激光釬焊的良好外觀是我們積極廣泛使用該項(xiàng)技術(shù)的主要出發(fā)點(diǎn)。但由于激光的敏感性，難免會出現(xiàn)質(zhì)量的細(xì)微波動，對于不能滿足我們質(zhì)量要求的車輛，我們必須在節(jié)拍范圍內(nèi)留有一定的返修工序。

頂蓋后續(xù)焊：在完成頂蓋激光釬焊后，完成前后部剩余點(diǎn)焊即完成整個(gè)頂蓋在白車身上的焊接工作。

（3）頂蓋激光釬焊的質(zhì)量控制 對激光釬焊產(chǎn)生影響的因素包括：光斑參數(shù)、母材的冶金屬性、激光功率、材料吸收率、焊接速度、保護(hù)氣體、焦點(diǎn)位置、激光束位置，在焊接時(shí)會對焊縫產(chǎn)生不同影響。

神龍公司焊裝車身頂蓋激光焊接，經(jīng)過若干項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累和總結(jié)，已基本掌握了影響車身頂蓋激光釬焊焊接質(zhì)量因素（見圖6）的控制方法，并形成了頂蓋激光釬焊質(zhì)量接收及返修工藝標(biāo)準(zhǔn)。

對于頂蓋激光釬焊，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：寬度（2±0.5）mm，表面平滑，收弧起弧良好。為獲得完美激光焊縫，大量工藝試驗(yàn)證明：①激光加熱位置在焊絲與母材接觸處可獲得最好的鋪展效果和焊縫成形。②焊絲與鍍鋅板的夾角越小，越容易獲得成形美觀的焊縫。角度過大，焊縫表面成形不均勻，焊接過程不穩(wěn)定。③焊絲從光束后方送入，焊縫成形良好，焊接過程穩(wěn)定；焊絲從光束前方送入則易出現(xiàn)粘絲、焊縫表面易呈魚鱗狀。④焊絲填料方向與焊接方向相反（機(jī)器人的行走方向即焊接方向）更易獲得好的焊縫質(zhì)量。⑤光斑直徑的選取應(yīng)與所要求的焊縫表面寬度相匹配（釬焊光斑直徑=2倍釬絲直徑）。⑥在鍍鋅層的存在下 ，加氬氣保護(hù)對釬焊縫成形無顯著影響。在無釬劑惰性氣體保護(hù)或活性氣體作用下的氧化膜去除機(jī)理有待于進(jìn)一步的研究。⑦激光功率過小，釬料未能完全潤濕鋪展，焊縫表面不光滑。激光功率過大，釬料向焊縫的過渡不連續(xù)，出現(xiàn)了間斷的焊縫。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光功率選擇高于使焊絲恰好熔化的功率200～300W時(shí)可獲得成形良好的焊縫。⑧送絲速度與焊接速度相差越小，越容易獲得穩(wěn)定焊接過程和成形良好的焊縫。但兩者具體取值，還與焊縫所要求的釬料填充量有關(guān)。

通過比較有鍍鋅層和去鍍鋅母材釬焊發(fā)現(xiàn)，鍍鋅層的存在有利于釬料潤濕鋪展，釬縫成形良好。機(jī)器人行進(jìn)過程中每兩個(gè)軌跡點(diǎn)最大間距以60mm為最佳。

（4）零件設(shè)計(jì)工藝要求 激光釬焊是在兩個(gè)工件拼接縫處進(jìn)行釬絲熔融的過程。對于頂蓋激光釬焊所涉及的工件為頂蓋和側(cè)圍，那么我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出對工件設(shè)計(jì)的工藝要求。

首先，沖壓件尺寸要求（見圖7），頂蓋公差（Z±2）mm、（X±1）mm、（Y±1.5）mm。側(cè)圍外板上與頂蓋Y向貼合處連續(xù)8mm范圍內(nèi)面的位置度要求±0.5mm，面的輪廓度要求0.6mm，且平整，過渡均勻，不可有明顯凸凹；表面接刀痕臺階高差＜0.2mm，在焊接區(qū)域型面避免鑲塊工藝過度凸起；頂蓋上與側(cè)圍外板貼合處位置要求±0.5mm，面輪廓度要求0.6mm，不可有明顯凸凹；表面接刀痕臺階高差＜0.2mm；頂蓋上與前后橫梁Z向貼合面位置要求0/+1.5mm，向Z+方向偏置。

其次，沖壓件形態(tài)設(shè)計(jì)。頂蓋激光釬焊焊接方向一般從車身的后部向前部焊接，收弧位置，我們建議在頂蓋邊緣處，側(cè)圍設(shè)計(jì)成明顯的坡度形式（見圖8），這樣光頭可以更為方便避開工件，保證收弧質(zhì)量穩(wěn)定性。

頂蓋左右翻邊R角的大小會影響焊絲熔化后浸潤和平鋪效果。試驗(yàn)表明，R設(shè)計(jì)的越小，焊縫浸潤及平鋪效果就越好，焊縫表面越光滑。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果側(cè)圍和頂蓋的R皆接近90°時(shí)，所得到的焊接效果最為理想。

圖6 頂蓋激光釬焊的質(zhì)量影響因素

圖7 沖壓件尺寸要求

圖8 側(cè)圍坡度設(shè)計(jì)示意

4. 結(jié)語

激光焊接是新興的焊接技術(shù)領(lǐng)域，但卻有著傳統(tǒng)焊接工藝無法比擬的優(yōu)勢。同時(shí)，隨著近些年國內(nèi)外汽車廠家積極廣泛地推動激光焊接技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，促進(jìn)了激光焊接工藝和激光設(shè)備技術(shù)的不斷成熟，有效地降低了激光焊接工業(yè)化成本，也培養(yǎng)了大批激光焊接方面的技術(shù)人才，開辟了薄板焊接新領(lǐng)域，為汽車廠家降低汽車白車身質(zhì)量，增加車身強(qiáng)度，改善零件焊接工藝性，提供了新的解決思路。我們相信，激光焊接技術(shù)必然得到更加廣泛地應(yīng)用和更為深入研究。