一種新式激光焊接設備應用研究

劉建煥

摘 要：激光焊接具有熱影響區(qū)銷、焊接速度快、變形小，外觀質量好的特點，已在白車身側圍落水槽處焊接，頂蓋焊接中廣泛應用[1][2]。近期，隨著新能源汽車戰(zhàn)略趨勢的推進，模組busbar焊接、模組采樣線焊接以及模組端板側縫焊接中，均已采用激光焊接技術實現(xiàn)產品更快、更好的生產服務。長期以來國外幾乎壟斷了激光設備專利技術，像通快、IPG等設備商。國內像大族激光、廣大激光、聯(lián)影激光已經開始注重這方面業(yè)務的發(fā)展。

在實際應用環(huán)節(jié)，我們常聽到工程人員反饋。滿足一定焊縫標準、焊縫質量的激光焊接工藝中，激光頭的出光功率并非最大，與此同時，激光頭的焊接速度也未能如設備所標稱的那樣。傳統(tǒng)的側圍落水槽的激光焊接平均速度為60mm/s，精密轉向器的激光焊接平均速度只有45-50mm/s。為此，在自動化集成領域與項目前期規(guī)劃方面，需要進行試驗，以得到對應焊接標準、焊接質量下的激光焊接工藝參數(shù)。

基于此，本文依托生產實際項目案列，以白車身B柱激光焊為研究對象，采用IPG C型激光槍對過程中各參數(shù)數(shù)據(jù)（板材厚度、板材材料、焊接速度、焊接功率、焦距、熔寬、熔深）進行了數(shù)據(jù)采集。實驗結果表明，板材的焊縫特性，并非隨著激光焊接功率和焊接速度的增加，而呈線性增加關系，隨著激光功率的增加和焊接速度的提高，熔深增加明顯，甚至焊透。

熔寬增大到一定程度后，變化不明顯，這對我們規(guī)劃生產節(jié)拍與質量管控方面，影響深遠。

關鍵詞：激光熔焊；生產節(jié)拍；焊接速度；激光功率

1 引言

激光是利用輻射激發(fā)發(fā)光放大原理產生的一種單色型、方向性強、光亮度大的高能比的光速，作為焊接、切割、材料表面處理的熱源。激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法。按照激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度不同，可以分為傳熱焊和深熔焊。傳統(tǒng)的車身工藝，如CMT或點焊，均需要保證工件焊點周圍無夾頭或其他與焊槍干涉問題，激光焊由于焦距較大，適用于焊接微型零件、難以接近的部位或者遠距離的焊接。

相對于傳統(tǒng)的點焊、弧焊工藝，激光焊接由于焊接熱影響區(qū)小、焊接速度快、變形小，在汽車行業(yè)中應用越來越廣泛。

激光穿透焊接，是指將激光工藝應用于多層板材中，使板材熔化，冷卻后形成焊縫，實現(xiàn)多層板的連接技術。激光穿透焊接中，由于焊縫熔寬比較小，焊縫結構采用W型 或C型，以增大焊接點的面積區(qū)域，增加兩層或三層板的連接強度和剛度。實際應用中，由于工件厚度漸變，工件之間存在間隙，工件表面鍍層以及激光參數(shù)（離焦量、出光功率、焊接速度）等影響，焊縫強度及表面外觀質量受到很大的影響。本文基于生產應用過程中實際產生的問題，對汽車B柱激光深熔焊工藝進行了研究，以期得到熔深、熔寬與焊接速度、焊接功率之間的對應關系。

2 焊接系統(tǒng)搭建

2.1 研究對象

本次實驗針對B pillar內外板進行焊接特性研究。材料特性：外板板厚1.5-1.85mm；內板板厚2.2mm.為高強度鋼，屈服強度Rp0.2=1000～1250MPa，Rm=1300～1650MPa。由于實際應用中，采用了復合焊接工藝，即激光焊作為前道工序，后道工序采用傳統(tǒng)點焊方式，強度方面能夠滿足車身需求，本次實驗為針對焊縫強度進行評價。評價焊縫標準依據(jù)客戶對于熔深、熔寬的定義。

2.2 板材搭接焊縫特性

本次板材搭接焊縫共計10道，其中6道為兩層板焊縫，4道為三層板焊縫。焊縫如圖1。

2.3 焊接設備

在傳統(tǒng)白車身頂蓋焊接或者側圍落水槽焊接中，常采用激光頭進行焊接，該處焊縫較長，激光輸入角度一定下，可以進行高速焊接（圖2）。在零件焊接位置多處或者多個角度下，使用激光頭會產生多余的機器人示教點跳轉問題，引起節(jié)拍浪費[3]。在新能源模組BUSBAR焊接中，多采用振鏡系統(tǒng)進行焊接。這是利用了大平面場鏡，光路跳轉快速，無需機器人示教點進行跳轉，提高激光的利用率（圖3）。無論是激光頭焊接還是振鏡焊接，均是工件被工裝夾緊，光路進行遠距離焊接實現(xiàn)的。工件的裝夾精度和工件的自身精度，往往對焊接質量產生很大的影響[5]。本次采用新式激光焊接設備IPG LSS5M-3KW_C-Gun。

這種激光焊槍，類似于傳統(tǒng)意義上的點焊設備，如夾爪處存在3KN壓力，可以進行準確持續(xù)的夾緊作業(yè)。不同之處在于傳統(tǒng)點焊原理上是電阻焊，而該激光槍能力輸入是來自激光發(fā)生器。該設備參數(shù)：輸出激光波長為1070nm，最大輸出功率為3KW，最大焊接長度為60mm/s，最大焊接長度為40mm，聚焦焦距為250mm。Lss-5M焊接系統(tǒng)集成有激光頭冷卻系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)（圖4）。

2.4 測試標準

依據(jù)激光焊接標準，本次搭接焊縫的最低熔深要求為0.45mm，熔寬為1mm[6]。

2.5 最終測試系統(tǒng)的搭建

測試系統(tǒng)包括機器人、電氣柜、圍欄、C型激光槍、機器人底座、光柵、B柱工件、夾具等設備，見下圖5。

3 理論基礎

激光將金屬高速加熱產生金屬蒸汽，蒸汽將熔融的金屬積壓下去，產生蒸汽空洞。同時激光在這個空洞中發(fā)生多次反射，并且在孔底部能量急劇增加，產生鉆孔效應。當熔融的金屬將能量傳遞走后，金屬蒸汽最終停止鉆孔[4]。

4 激光熔焊試驗

4.1 實驗數(shù)據(jù)選取中，從每條焊道起弧處開始10mm，20mm，30mm各切割1道焊縫，共計3條焊縫。

采用C型焊槍進行焊接，過程數(shù)據(jù)記錄如下表。焊縫通過砂輪機切割粗磨，使用金相打磨機金相細磨，使用稀硝酸+乙醇金相浸泡，相關數(shù)據(jù)通過金相顯微鏡金相刻線測距取得（圖6）。

4.2 激光功率為2.5kw，焊接速度100（相當于20mm/s）下，焊縫參數(shù)記錄表格如下，（圖7）。

初步結果分析：數(shù)據(jù)中紅色表示與標準數(shù)據(jù)對照超差，目前主要為熔寬不足，這跟激光深熔焊現(xiàn)象一致。內板厚度一定，焊接速度一定的情況下，外板厚度由1.5mm變成1.85mm，對應的焊接功率由2.35kw提高到2.5kw.

4.3 焊接速度為100-130（相當于20-26mm/s）下，不同激光功率下，不同離焦下，一定程度上，熔寬隨著功率輸出增大而增大，但是更大的功率并非帶來更大的熔寬。一定焊接速度下，無離焦產生的熔寬比正離焦產生的熔寬更大。一定焊接功率下，焊接速度減小，有利于熔寬的增大。

5 結語

本次測試采用了IPG激光C型焊槍 完成了對B柱內外板參數(shù)的應用研究。由于樣本數(shù)據(jù)的相對稀少，實驗結果的重復性和真實性有一定影響，后續(xù)會通過更多的試件及更換振鏡焊接系統(tǒng)增加對樣件過程參數(shù)的采集。形成的初步結論有以下4點。

①并非焊接出光功率最大、焊接速度最快，則可獲得最好的激光焊縫質量。滿足要求的焊縫質量，往往意味著焊接出光功率和焊接速度之間存在一定的這種平衡。這一點對于節(jié)拍分析和產能規(guī)劃有至關重要的影響。在本例中，激光設備焊接速度最大為60mm/s，然則通過實驗環(huán)節(jié)驗證，平均一處焊縫的作業(yè)時間與傳統(tǒng)點焊4s時間基本相同。

②采用較大的出光功率、負離焦、較低的焊接速度，能夠獲得較大的熔深和熔寬。

③熔寬不足，在方案前期設備采購中，可以通過更換光纖芯徑，例如150更換為300實現(xiàn)。或者通過選取不同的準直鏡焦距來實現(xiàn)。設備后期調試中可以通過提高激光輸出功率或者降低焊接速度來實現(xiàn)。

④在方案先期產能規(guī)劃中，應該先對產品進行工藝試驗，以得到合理的工藝參數(shù)，從而使得方案更加合理預期。

參考文獻：

[1]程發(fā)龍.激光焊接技術及其應用[J].中小企業(yè)管理與科技，2017，（1）：164-165.

[2]程艷艷.激光焊接技術標準化探究[J].冶金叢刊，2016，（4）.

[3]李鵬.汽車白車身激光焊接生產線自動化系統(tǒng)的研究[J].山東工業(yè)技術，2018，（23）.

[4]李時春等.激光深熔焊304不銹鋼焊縫成型工藝與控制[J].材料科學，2017，（08）.

[5]方俊飛.薄板激光深熔焊熔透模式的機理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2007.

[6]《EVW01141-1.60401 laser welding ，welded joints on steels》.