汽車座椅調角器激光焊接疏松問題研究

趙旭東，劉曉曦，沈張燁

愷博座椅機械部件有限公司 上海 201315

1 序言

激光焊接是將高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法。因其生產效率高、熱變形小、過程穩定性高，以及在大批量生產時成本低于傳統的CO2氣體保護焊，故而自20世紀80年代以來，激光焊接在汽車車身及零部件行業得到了廣泛的應用。本文主要探討和研究激光焊接技術應用于汽車座椅調角器零件時碰到的焊縫疏松問題。

2 基礎結構及因子說明

2.1 激光焊接組件及焊縫位置說明

本文研究對象的主體結構如圖1所示，主要由上連接板、調角器核心件、加強板及下連接板組成。其中，核心件采用激光焊接方式分別與上連接板和下連接板連接，加強板與下連接板也采用激光焊接進行連接，而容易出現焊縫疏松缺陷的焊縫位置如圖2所示，即為加強板區域的焊縫1～6[1]。

圖1 汽車座椅調角器總成

圖2 加強板區域焊縫

2.2 激光焊縫的疏松缺陷說明

本文分析的對象是一種激光焊接中常見的連接方式，常被稱為疊加焊或深熔焊。具體操作方式為將兩塊待焊接件進行疊加放置，激光光束從上往下進行焊接。

按照客戶端標準輸入（見圖3），可接受的疏松長度h＜0.3f（f為焊道熔池深度，包括上層板厚度t1及下層板的熔深深度fL）。

圖3 客戶標準輸入示意

焊縫熔深截面A（以t1＝4mm，t2＝4mm舉例）及焊縫熔深截面B（以t1＝4mm，t2＝3.5mm舉例）如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可見，疏松的形貌特征為沿焊縫截面上下貫穿方向的細長縮孔，具體如2.75mm及2.14mm劃線處所示。

圖4疏松長度h＝2.75mm，f＝t1+fL＝4.02mm+1.77mm＝5.79mm，h＞0.3×5.79mm＝1.737mm；同理，圖5疏松長度h＝2.14mm，f＝t1+fL＝4.1mm+2.05mm＝6.15mm，h＞0.3×6.15mm＝1.845mm。

當疏松長度h＞0.3（t1+fL）時，判定該熔深截面的疏松特征不可接受。故圖4、圖5的狀態均判定為不良。

圖4 焊縫熔深截面A（含h＞0.3f疏松特征）

圖5 焊縫熔深截面B（含h＞0.3f疏松特征）

2.3 影響因素及難點

導致激光焊縫疏松缺陷的主要原因包括：原材料化學成分；激光焊接設備的功率、速度、離焦量，以及機器人夾持的聚焦槍擺動頻率；焊接冷卻時間；夾具吹排氣結構設計；多條焊縫的焊接次序設定；焊接工裝的壓頭設計；待焊接件的貼合間隙及匹配應力；周邊其他焊縫的拉拽應力影響；焊縫位置精度影響等。

該問題的難點主要體現在以下三方面。

1）影響因素多，需通過多輪假設檢驗才能找到關鍵因素。

2）焊縫數量多，一共存在6條焊縫（見圖2）。在實踐中發現，疏松出現的具體位置在同一條焊縫上存在波動，在靠近起弧、收弧或位于中段的位置均有發生。

3）焊縫1～6的名義幾何位置非常集中，且為厚板焊接（在對第一層板進行激光穿透時，厚度＞2mm的厚板需要更多的額外能量輸入），而大量的焊接熱輸入對焊縫產生了彼此的拉拽效應。

難點2）和3）是因加強板的空間大小而導致的，屬于設計結構原因，無法更改，需通過工藝優化來解決。

3 分析過程

3.1 原材料碳當量分析

根據國際焊接協會（IIW）的碳素鋼及合金結構鋼的碳當量經驗公式：碳當量Ceq值（質量分數）可按以下經驗公式計算，即

當Ceq≤0.4%時，焊接性好；當Ceq=0.4%～0.6%時，焊接性稍差，焊前需適當預熱；當Ceq≥0.6%時，焊接性較差，屬于難焊材料，建議采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法。

加強板的材質為S500MC，板厚為4.2mm，下連接板的材質為S500MC，板厚為3.5mm。在試驗室環境下，對實際零件進行化學成分分析，發現其成分符合Q/BQB 311—2009《冷成形用高屈服強度熱連軋鋼板及鋼帶》要求。具體分析結果見表1。

表1 S500MC化學成分分析結果（質量分數） （%）

對于Cr、Mo等微量元素，電鏡設備無法探測其具體數值。但考慮到其貢獻值，對Ceq公式進行簡化，即

根據上述公式進行計算，所得8件樣品的Ceq值的波動范圍為0.195%～0.336%，接近0.4%的臨界值，仍屬于焊接性較好的范圍。然而本焊接案例應用的t1及t2板厚均＞3.5mm，屬于厚板焊接。如果能夠在焊接過程中增加預熱，則會改善應力狀態，進而降低疏松出現的概率。由于激光焊接設備是沿用平臺生產，如果進行改動，則會影響其他項目且投資巨大，因此并不具備工藝可行性。

3.2 疏松截面取樣方法優化

針對上述難點2），打破首件切割取樣的傳統思路。原先切割1個零件，一共取9個截面（長度＜50mm的焊縫，在中間取1個截面，長度在50～100mm之間的焊縫，在1/3及2/3處各取1個截面。如圖2所示，外圈焊縫均需取2個截面，累計為9個截面）。而優化后的過程，需切割3個零件，即對總數量27個截面進行分析。統計疏松長度h＞0.3f的發生概率。雖然在一定程度上增加了熔深切割的工作負荷，但是對疏松結果的評價更為準確。根據該方法進行數據采集，發現h＞0.3f的初始缺陷比例為22%。

3.3 顯著因素識別

利用上述的取樣及判定方法，將方案3中所羅列的多個因素進行驗證，最終識別出：①功率、速度、離焦量所形成的焊縫截面形態。②加強板焊縫的焊接次序。③周邊其他焊縫的拉應力均與焊縫疏松狀況存在較強的相關性[2]。

3.4 焊接參數的選擇與驗證

本案例使用的設備為德國Trump公司的Trudisk 8000系列激光器。使用功率為3.5～4.8kW，焊接速度為10～30mm/s，離焦量為0～-5mm，進行參數組合驗證。通過DOE試驗組合驗證，發現降低功率、調快速度，同時使離焦量趨近于0，此時疏松不良率達標的情況會呈現下降趨勢，h＞0.3f的缺陷情況從22%下降到10%。其核心原理為，通過降低單位時間內的能量輸入，使焊縫之間的應力影響減小，直觀表現為t1和t2層板以下部分的截面面積減小[3]。

但是，激光焊接的熔深截面評價需要結合多個指標進行綜合考量。實際情況是，一旦將上述的截面面積減小后，會造成熔寬測量值趨近于極限，熔寬的規范要求為＞1.1mm，實測值為1.2mm（見圖6），已經接近極限。不僅如此，當采用該方法后，甚至會出現熔深不足的情況，如圖7所示。由圖7可明顯看出，激光焊縫未穿透2層板的分界線。此時不僅無法達到規范所要求的＞1.0mm的深度要求，且直接造成焊接失效，雖然優化了疏松問題，卻帶來了更為惡劣的失效模式。而在批量生產時，由于受到焊接等離子云及鏡片污染等環境因素的影響，激光焊接的熔深會產生逐漸遞減情況，直至完全失效，這會加劇過程中焊縫強度失效的風險。

圖6 熔寬示意（極限狀態）

圖7 熔深示意（不良狀態）

因此，在綜合考慮了熔寬、熔深、疏松的綜合情況后，最終采用如下參數組合，即使用功率為4.3kW、焊接速度為25mm/s、離焦量為-5mm。通過驗證，該參數組合使疏松的不良率從22%下降到14%。

3.5 焊縫的焊接次序研究

本文研究對象的焊縫數目較多，且位置較為集中，但是焊縫疏松部位在同一條焊縫上并未呈現較強的一致性。按照前述提到的取樣方法進行大樣本取樣切割，發現先焊接完成的焊縫出現疏松的概率較高。

這一現象存在的理論支撐是：當焊接完成后，因為在局部反復焊接產生大量熱沖擊，所以造成局部應力不均，先焊接的焊縫受后焊接的熱影響，在高溫下生成了奧氏體晶粒的同時受周邊內應力拉扯產生了再熱疏松，從而證實了嘗試拉大焊縫間距或調整焊接順序給予零件熱脹冷縮空間的改善方法是可行的。

針對焊縫1和焊縫2進行舉例，其中焊縫1為外圈封閉形狀，焊縫2為中間線形。在實踐過程中發現，當完全封閉形狀先焊接，因其形狀構造更為堅固，所以后焊接的焊縫2對其產生的相應內應力減小。通過該方法，同步優化后續4條焊縫，這樣使h＞0.3f的缺陷情況從14%下降到8%，其中主要貢獻量來自中心焊縫的改善。

3.6 周邊其他焊縫的拉應力影響研究

如前所述，局部應力集中是造成激光焊縫疏松的核心原因。而在研究對象（即6條加強板焊縫）的附近，存在著一條核心件長焊縫（197mm），具體如圖8中紅色箭頭所指十字花形焊縫。原始設定的焊接順序是在完成焊縫1～6之后，再進行該處焊接。其工藝設計初衷是為了降低焊縫1～6對調角器核心件的熱影響，但是此舉卻使焊縫1～6處的應力狀態處于更加惡劣的情形。在完成加強板焊接后，顯然核心件十字花形焊縫會再次對焊縫1～6產生影響，尤其使焊縫1～4產生橫向拉拽效應。

圖8 十字花形焊縫焊接

為進一步驗證十字花形的側向拉應力影響，進行假設檢驗，如圖9所示。原假設H0：十字花形不焊接的疏松長度均值-十字花形焊接的疏松長度均值＝0，備擇假設H1：十字花形不焊接的疏松長度均值-十字花形焊接的疏松長度均值＞0。通過計算，發現P值＝0.011＜0.05，拒絕原假設，選擇備擇假設，即十字花形不焊接會使疏松長度顯著增加。在核心件十字花形長焊縫優先進行焊接后，側向拉應力狀態改善，疏松的不良率得到了進一步下降，從8%下降到0。

圖9 假設檢驗分析

但與此同時，核心件出現了摩擦力大的情況，這再次證明：①周邊焊縫對焊縫1～6的拉拽效應的確存在，且比較顯著。②說明原始整體工藝順序設定的合理性。對疏松進行持續改善，必須要考慮到對調角器核心件的影響。

最后的改善步驟是針對難點3），即對核心件受熱后產生的焊接熱變形展開研究，需反向去研究焊縫1～6以及核心件197mm焊縫的先焊和后焊對核心件尺寸的影響。然后通過核心件內部尺寸的優化，進而使優先焊接焊縫1～6成為可能。該工藝調整使焊接疏松的不良率得到了徹底解決。

3.7 改善結果

綜上所述，通過焊接參數優化，疏松不良率從22%降到14%，通過加強板焊接次序優化，疏松不良率下降至8%，最后通過核心件十字花形的焊接應力改善，最終使疏松不良率降為0。

4 結束語

對焊縫疏松問題的探索和研究，讓我們不僅深刻認識到工藝過程設計的重要性，而且在激光焊接領域有了進一步的知識積累。

1）原材料碳當量達到0.4%臨界值時，增加激光焊接預熱雖然是解決問題的常規方法，但由于設備投資較大，因此經濟性較差。

2）焊縫疏松的產生位置具有一定的隨機性，可以增加抽樣樣本數量來準確掌握問題的實際情況，同時也有利于判斷改善效果。

3）焊接參數組合、焊縫的焊接順序、周圍焊縫的拉應力影響，是該問題中的3個顯著影響因素，也是重點研究方向。使用功率為4.3kW、焊接速度為25mm/s、離焦量為-5mm，是兼顧疏松改善及熔深結果的最優組合。外圈焊縫優先進行焊接，會使中心焊縫的疏松概率下降。通過核心件十字花形焊縫的優先焊接，可以降低拉應力，顯著改善疏松缺陷。

4）在疏松問題解決的同時，卻導致了調角器核心件摩擦力的問題。此時需要作對應分析，并將核心件單件尺寸進行相應優化，這樣在最終保證疏松問題得到解決的同時，也沒有帶來其他新的問題。

在經過工藝優化后，我公司的調角器產品質量被國外主機廠認可，因此這一工藝過程研究具有重要意義。