不等厚激光拼焊板焊縫不一致問(wèn)題研究

陳 東，夏慧超，武廣濤，李 江

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

1 引言

激光拼焊是指將幾塊不同厚度（或不同材質(zhì)、不同涂層）的鋼板在沖壓成形前用激光對(duì)焊在一起，然后再進(jìn)行成型的技術(shù)［1］。傳統(tǒng)車身制造中，在強(qiáng)度要求較低的部位仍然使用同一厚度的鋼板，增加了車身重量。采用不等厚板激光拼焊技術(shù)以后，焊接中可以按照強(qiáng)度需求合理分配鋼板厚度，保證了對(duì)重要位置的強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了車身重量的降低［2-3］。

轎車白車身制造對(duì)激光拼焊板的焊縫質(zhì)量有明確要求，對(duì)焊縫凹陷、錯(cuò)配、咬邊等缺陷有嚴(yán)格限制［4］，在高端轎車上，對(duì)焊縫不一致問(wèn)題也提出了明確要求，在該指標(biāo)上國(guó)產(chǎn)激光拼焊板和國(guó)外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距。焊縫不一致問(wèn)題即在焊縫長(zhǎng)度方向上不同位置的焊縫截面形狀和尺寸不一致，如圖1 所示。焊縫不一致問(wèn)題會(huì)引起焊縫強(qiáng)度不均，導(dǎo)致在沖壓過(guò)程中焊縫移動(dòng)變形失穩(wěn)。為提高激光拼焊板的焊縫質(zhì)量，文獻(xiàn)中提出了碾壓技術(shù)［5］、過(guò)盈量補(bǔ)償機(jī)制［6］、固定偏移量補(bǔ)償方法等多種方法，這些方法對(duì)于解決焊縫凹陷、錯(cuò)配［7］、咬邊［8］等問(wèn)題起到了較大作用，但對(duì)于解決焊縫不一致問(wèn)題效果并不理想。基于這一背景，這里分析了焊縫不一致問(wèn)題的成因，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。

2 焊縫不一致問(wèn)題的檢測(cè)

焊縫不一致問(wèn)題可以通過(guò)在線檢測(cè)焊縫上、下表面的寬度來(lái)評(píng)估，該方法效率高、但無(wú)法得到截面形狀。實(shí)驗(yàn)室中通常采用如下方法檢測(cè)焊縫截面形狀和金相組織：沿焊縫長(zhǎng)度方向截取若干截面，打磨平整后對(duì)截面的形狀和尺寸進(jìn)行測(cè)量和比較，該方法是破壞性的，僅適用于抽樣檢測(cè)。焊縫不一致問(wèn)題的具體要求為：每個(gè)截面的背寬比（焊縫的背面寬度和上表面寬度之比）應(yīng)在（0.8～1.2）之內(nèi)；各截面的平均焊縫寬度與標(biāo)準(zhǔn)焊縫寬度的相對(duì)差值在（-10～10）%之內(nèi)；不允許出現(xiàn)較大的焊縫凹陷、焊縫懸垂等缺陷。

對(duì)某激光拼焊板的檢測(cè)結(jié)果，沿焊縫長(zhǎng)度方向截取了三個(gè)截面，如圖1所示。可以看出各截面的形狀和尺寸存在明顯差異，截面1背寬比超標(biāo)，截面3下表面出現(xiàn)了明顯懸垂，該試件存在焊縫不一致問(wèn)題。在本次抽檢的20個(gè)試件中，6個(gè)試件出現(xiàn)了焊縫不一致問(wèn)題，占比達(dá)28%，可見(jiàn)焊縫不一致問(wèn)題亟待解決。

圖1 焊縫不一致問(wèn)題Fig.1 Weld Uneven Problem

3 焊縫不一致問(wèn)題的成因

3.1 間隙與焊縫截面形狀

3.1.1 對(duì)接間隙的成因

激光拼焊前通常對(duì)鋼板接邊進(jìn)行精剪加工，再進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接（定位），對(duì)接后對(duì)接端面間會(huì)產(chǎn)生對(duì)接間隙，試驗(yàn)和分析表明間隙主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

（1）加工誤差

加工誤差是形成間隙的主要原因之一，激光拼焊前鋼板接邊通常采用精剪加工提高其直線度，精剪加工的直線度誤差為0.15mm/m左右，因此對(duì)于1m長(zhǎng)的激光拼焊板，對(duì)接后可能形成（0～0.3）mm的不均勻間隙。

（2）定位誤差

鋼板接邊在生產(chǎn)線上經(jīng)自動(dòng)定位工序完成焊前對(duì)接，由于定位銷位置誤差、定位機(jī)構(gòu)剛度及鋼板表面油污等不確定因素的影響，定位后并不能保證鋼板接邊完全接觸，因此會(huì)增大前述間隙。

（3）夾緊誤差

受夾緊系統(tǒng)的機(jī)械制造誤差與剛度的影響，夾緊的過(guò)程中并不能保證夾緊力完全垂直作用在鋼板上［9］，這就導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)及鋼板的變形，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了間隙。

綜上，在激光拼焊中，間隙的形成受多種因素影響，其中接邊直線度誤差占的權(quán)重最大，結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)可知：在現(xiàn)行的生產(chǎn)工藝條件下，激光拼焊板沿長(zhǎng)度方向可能存在間隙的范圍為（0～0.35）mm/m。

3.1.2 間隙與截面形狀的關(guān)系

由于激光光斑直徑很小0.6mm，焊接時(shí)能夠熔化的金屬范圍有限，因此激光拼焊對(duì)焊接前的對(duì)接間隙比較敏感，間隙過(guò)大將導(dǎo)致漏光及熔化金屬量不足，而熔化的金屬體積與形成的焊縫截面形狀直接相關(guān)。為驗(yàn)證間隙對(duì)焊縫形狀的影響，對(duì)厚度配比為1.0mm 和1.5mm 的不等厚鋼板（DC06）進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊前對(duì)鋼板接邊進(jìn)行了精銑加工，通過(guò)手工對(duì)接、塞尺調(diào)整的方式得到了0mm、0.1mm和0.2mm三種間隙，焊接時(shí)的激光功率、焊接速度和離焦量分別為3.0kW、3.5m/min、-1mm。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。可以看出不同間隙下的焊縫寬度和截面形狀截然不同，0間隙情況下焊縫較寬且束腰不明顯，0.1mm和0.2mm間隙下焊縫寬度減小同時(shí)出現(xiàn)束腰和明顯焊縫凹陷。從中可以看出，間隙直接影響焊縫形狀。

圖2 不同間隙下的焊縫形狀Fig.2 Welds Cross-Section Shape in Different Gaps

3.2 不均勻間隙導(dǎo)致焊縫不一致問(wèn)題

由于引起間隙的誤差是非線性的，導(dǎo)致定位工序后形成的間隙也是不均勻的。在激光功率、焊接速度、離焦量等參數(shù)不變的前提下，激光能夠熔化的焊縫寬度是接近的，變化的間隙會(huì)導(dǎo)致不同位置實(shí)際熔化的金屬體積不同，從而引起焊縫截面形狀和大小的變化，因此不均勻的間隙是引起焊縫不一致問(wèn)題的主要原因。

4 補(bǔ)償方法研究

4.1 偏移量對(duì)間隙的補(bǔ)償作用

激光拼焊過(guò)程中激光將厚板和薄板靠近對(duì)接中心一定范圍內(nèi)的金屬熔化，厚板上方熔化的金屬在重力及表面張力的作用下會(huì)向間隙及薄板上方流動(dòng)形成的焊縫，如圖3所示。

圖3 偏移量對(duì)間隙的補(bǔ)償作用原理圖Fig.3 Schematic of Offset Compensation Effect for Gaps

如果焊接時(shí)將激光中心向厚板側(cè)偏移（正偏移量），雖然沒(méi)有改變總的熔化寬度，但增加了厚板的熔化寬度，客觀上增加了熔化金屬的總量，因此可以在一定程度上補(bǔ)償間隙的影響，從而得到更理想的焊縫形狀。

4.2 固定偏移量補(bǔ)償方法

采用正偏移量可以增加熔化金屬的總量，從而對(duì)間隙起到補(bǔ)償作用，在目前的激光拼焊焊接工藝中采用的是的固定偏移量補(bǔ)償方法，如圖4所示。

圖4 固定偏移量補(bǔ)償方法原理Fig.4 Schematic of Fixed Offset Compensation Method

在該方法中偏移量的確定是基于對(duì)平均焊縫間隙的估算，在大批量生產(chǎn)中通過(guò)試焊接的方法來(lái)確定具體的偏移數(shù)值，該數(shù)值確定后在整個(gè)焊接過(guò)程中不變。該方法雖然在一定程度上減小了間隙的不良影響，但并沒(méi)有改變間隙不均勻的事實(shí)，因此并不能解決焊縫不一致問(wèn)題。

4.3 動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法

變化的間隙導(dǎo)致了焊縫不一致問(wèn)題，而固定偏移量補(bǔ)償方法并沒(méi)有解決該問(wèn)題，因此這里提出了一種動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法。

動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法基于對(duì)間隙大小和中心位置的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。在激光頭前方設(shè)置焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫跟蹤系統(tǒng)由視覺(jué)傳感器、處理器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起固定在X向直線跟蹤單元上，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)間隙大小和焊縫中心位置，如圖5所示。

圖5 含焊縫跟蹤系統(tǒng)的焊接單元Fig.5 Welding Unit with Seam Tracking System

動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法，即在不同的焊縫位置，根據(jù)實(shí)際間隙的大小和焊縫中心的位置實(shí)施精確的偏移量補(bǔ)償。實(shí)施偏移量補(bǔ)償需要確定間隙與偏移量的關(guān)系，式（1）體現(xiàn)了間隙與偏移量及板厚的關(guān)系，式（2）依據(jù)薄板的熔寬限制，確定了偏移量的極限值［10］。

式中：P—偏移量；

Pmax—最大允許偏移量；

T1、T2—厚板、薄板的厚度；

G—間隙寬度（變量）；

W—焊縫寬度；

δmin—薄板最小允許熔化寬度。

為提高補(bǔ)償?shù)目煽啃裕瑢?shí)際采用的偏移量P’擴(kuò)大5%，同時(shí)將其許用值[Pmax]減小5%，見(jiàn)式（3）。

動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法原理，如圖6 所示。根據(jù)實(shí)際的焊縫中心位置和間隙大小，通過(guò)式（1）、式（2）確定該位置需采用的理論偏移量，使用式（3）、式（4），確定實(shí)際偏移量及激光的實(shí)際走形路徑y(tǒng)(x)。

圖6 動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法原理圖Fig.6 Schematic of Dynamic Offset Compensation Method

式中：y—激光實(shí)際走行位置；

y0—設(shè)備X向中心；

Δy—焊縫中心與理論中心的誤差。

5 動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法的實(shí)際效果，進(jìn)行了相應(yīng)的焊接實(shí)驗(yàn)。

5.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊接材料是車用冷軋鋼板（DC06），焊縫長(zhǎng)度400mm，鋼板的厚度為0.8mm和1.5mm，材料的基本成分，如表1所示。材料的機(jī)械性能，如表2所示。

表1 材料成分Tab.1 Material Parameter

表2 材料機(jī)械性能Tab.2 Mechanical Properties of Materials

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)在沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線上進(jìn)行，設(shè)備整體布局，如圖7所示。設(shè)備的最大功率4kW、激光波長(zhǎng)1.06μm、光斑直徑0.6mm、焦距223mm。設(shè)備配備了焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫截面檢測(cè)設(shè)備為多目倒置金相顯微鏡（5XB-PC）。焊接單元具有三維移動(dòng)功能，移動(dòng)精度0.01mm，響應(yīng)速度0.2m/s。

圖7 全自動(dòng)激光拼焊生產(chǎn)線Fig.7 The Automatic Laser Welding Production Line

焊接采用的工藝參數(shù)，如表3所示。

表3 焊接參數(shù)Tab.3 Welding Parameters

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法焊接了50對(duì)鋼板，結(jié)果中有3塊拼焊板出現(xiàn)了焊縫不一致問(wèn)題，即焊縫不一致問(wèn)題的發(fā)生率為6%（之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果為28%）。采用動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法得到的1 個(gè)合格焊件，分別是在焊縫長(zhǎng)度100mm、200mm 和300mm處截取的三個(gè)截面，圖中各截面尺寸均勻，焊縫形狀基本一致，如圖8所示。

圖8 采用動(dòng)態(tài)工藝補(bǔ)償方法的焊縫Fig.8 Welds Using Dynamic Offset Compensation Methods

6 結(jié)論

（1）在激光拼焊中，受加工誤差、定位誤差和夾緊誤差等因素影響，間隙沿焊縫長(zhǎng)度方向是變化的，變化的間隙是引起焊縫不一致問(wèn)題的主要原因。（2）偏移量影響熔化金屬的總量，正偏移量可以對(duì)間隙起到一定的補(bǔ)償作用，從而改善焊縫截面形狀。（3）依據(jù)實(shí)際間隙的大小和焊縫中心位置，采用動(dòng)態(tài)偏移量補(bǔ)償方法可精確補(bǔ)償間隙，從而有效解決焊縫不一致問(wèn)題。