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激光釬焊的質量控制

查看：1465 　發稿日期：2016-01-13 17:38:24

20世紀80年代中期，激光焊接技術開始被大量應用到汽車領域。自1993年德國大眾首次在汽車頂蓋焊接生產線中采用YAG激光焊接進行大批量生產，如今，激光焊接已經被作為一種成熟的技術應用于越來越多的汽車生產廠家。
激光釬焊及其質量評價標準
目前，應用于車身的激光焊接主要有兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質，激光直接作用在工件表面上進行焊接，主要用于難以接近的部位，實施非接觸遠程焊接，如汽車四門內板分總成、B柱內板總成等工件的焊接；另一種為填充焊，即業界通常所說的“釬焊”——激光發生器發出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（母材未熔化）潤濕母材，填充接頭間隙，與母材結合，形成焊縫（原理見圖1），實現良好的連接，主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等工件的焊接，表面質量要求非常高。

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圖1 激光釬焊原理

奇瑞公司A5車型的行李箱蓋外板就采用了激光釬焊工藝進行焊接（設備組成見圖2）。奇瑞A5的行李箱蓋外板為冷軋低碳鋼板，采用卷對接接頭，焊縫長約1.2m，焊絲為φ1.2mm的硅青銅焊絲。

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圖2 激光釬焊系統的組成

激光焊接是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝，要實現完美的焊接質量，不僅需要先進的設備，更需要與之匹配的工藝參數，其加工過程中的眾多參數公差范圍窄，要求非常苛刻。此外，激光釬焊有著比激光熔焊更高的表面質量要求，故其焊接質量的控制難度更高。
對于車身的釬焊焊縫質量，主要的評價標準有：
1.焊縫無中斷、未熔合、無連接等現象；
2.焊縫上沒有氣孔或僅有1～2個小孔或凹孔（轉角處）；
3.焊縫兩側母材無燒損；
4.焊縫或母材上無裂紋；
5.焊縫表面光滑平整且寬度均勻，應避免呈魚鱗狀、凸型和寬窄不均；
6.焊縫與母材之間無咬邊或假焊（無釬料，母材直接熔焊）缺陷；
7. 焊縫始端與末端無釬料的堆積或缺失或殘余未熔化的焊絲等現象。
結合這些質量標準，我們對實際生產中的焊縫質量控制問題進行了深入的研究和實踐。
影響激光釬焊質量的因素及質量控制
在激光釬焊的項目調試及批量生產階段，結合現場以往的各類質量問題，我們發現，影響激光釬焊焊縫質量的因素主要有送絲位置、焊接參數、母材尺寸的穩定性、焊接夾具以及焊接表面油污等，并針對這些因素進行參數優化和控制，保證焊接質量。
1.送絲位置
送絲位置是指焊絲與激光束及母材的相對位置，包括兩個參數：送絲角度和焊絲高度（見圖3）。

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圖3 送絲角度與焊縫質量

（1）送絲角度與焊縫質量
送絲角度包括兩個角度：一個是焊絲與焊縫平面所形成的夾角α；另一個是焊絲在焊縫所在平面投影位置與焊縫中心線所形成的夾角β。由于釬料熔化后，熔融釬料受到焊絲界面張力作用，阻礙釬料向母材潤濕鋪展。當夾角α增大時，界面張力向上的分力變大，釬料所受的阻礙作用增強，使得熔融釬料的流動性變差，不易向前鋪展，易聚積成小球狀，不利于焊縫成形，故夾角α越小，焊縫成形越好。當夾角β增大時，界面張力偏離焊縫中心線的分力變大，釬料所受的阻礙作用增強，使得熔融釬料的流動性變差，不易向前鋪展，使焊縫偏離中心線，故夾角β越小焊縫成形越好。因此，在工藝編程時，應適當控制夾角，通常α<30°、β<15°可獲得良好的焊縫質量。當然實現控制夾角并獲得良好焊縫質量的前提是送絲嘴不與母材發生干涉，并且機器人的動作范圍可以到達此位置。
（2）焊絲高度與焊縫質量
焊絲高度是指焊絲末端距母材的距離h。由于焊絲末端熔化后會受到表面張力及重力的作用，表面張力促使熔化的釬料在焊絲末端收縮成小球狀，重力的作用使熔化的釬料脫離焊絲，當h大于釬料所能形成的最大的液滴（即熔化的釬料液滴僅在重力的作用下脫離焊絲）直徑時,焊縫呈珍珠狀排列；當h小于釬料所能形成的最大的液滴直徑并大于零時，焊接初期,釬料熔化后液滴與母材接觸時并未脫離焊絲,此時，熔融的釬料受到的表面張力、重力與焊絲對它的拉力達到動態的平衡，液滴在母材表面潤濕鋪展的過程相對穩定。隨著焊絲的送進與熔化，焊絲和熔融釬料之間的拉力不斷變化，使焊接過程中的受力平衡不斷遭到破壞，形成焊縫中斷或氣孔。試驗證明，h越小，焊接過程越穩定。若h=0，并使焊絲與母材之間保持一定壓力（焊絲被母材稍微抵變形），此時焊絲與母材完全接觸，焊絲熔化后會立即在母材上鋪展，并在重力作用下填充接頭，焊接過程相當穩定，焊縫成形均勻美觀，可達到最佳焊接效果。
2.焊接參數
影響激光釬焊的焊接參數主要有：光斑直徑、激光功率、送絲速度和焊接速度。
(1)光斑直徑
光斑的直徑對釬料的鋪展影響較大。光斑直徑過小，激光集中在釬料上，對母材的加熱不足，釬料在母材上鋪展時冷卻過快，使釬料不易鋪展；光斑直徑過大，如果激光功率不夠則無法及時熔化焊絲，如果激光功率足夠則會嚴重燒損母材。對于卷對接接頭，光斑直徑與焊縫寬度（填充面寬度）基本一致時，釬料的鋪展較充分。例如A5車型的行李箱蓋外板對接焊縫寬度為3mm左右，光斑直徑調節為3～4mm，可獲得良好的焊接質量。
(2)激光功率
焊絲熔化的速度取決于激光能量的大小，即激光功率。當激光功率不足時，焊絲熔化速度慢，鋪展不充分，且作業時間長，生產效率低；當激光功率過大時，焊絲熔化速度快，如果送絲速度跟不上，則焊縫的鋪展會間斷。激光功率的最大值受設備限制，調節激光功率的大小主要考慮其與焊接速度及送絲速度的匹配。
(3)焊接速度和送絲速度
焊接速度決定作業時間的長短和生產效率的高低，所以應根據設備可提供的激光功率的大小選擇適當的焊接速度以提高生產效率。通常焊接速度越快，生產效率越高，但對于半徑較小的圓弧段焊縫或過渡段焊縫，過快的焊接速度產生的離心力將會阻礙熔融釬料的鋪展，使焊接過程不穩定。選定了焊接速度（其最大值由機器人的性能決定）之后，需根據焊縫填充量的多少來匹配適當的送絲速度。送絲速度過快，焊縫表面會出現釬料的堆積，影響外觀質量，送絲速度過慢則會使焊縫表面的出現下陷，過少的填充量會影響焊縫的焊接強度。當然，送絲速度的調節也需要同時考慮激光功率的大小。
3.其他因素
影響激光釬焊焊縫質量的其他因素主要有以下幾個方面：母材尺寸的穩定性、焊接夾具和焊接表面油污等。
(1)母材尺寸的穩定性
母材的定位孔尺寸及卷對接接頭的尺寸對焊接質量及其穩定性的影響極大，當這兩個尺寸偏差較大時，實際的焊縫中心就會偏離理論的焊縫中心，焊絲隨著焊縫中心的偏離而偏離激光束的中心，熔融釬料也會偏離焊縫中心鋪展凝固，導致單側產生氣孔，接頭強度降低。如果母材的尺寸偏差始終一致，則可以通過調整夾具及送絲位置來保證焊接質量。如果母材的尺寸穩定性差，則無法通過上述方法來保證焊接質量。
(2)焊接夾具對焊接質量的影響
要保證焊接質量，焊接夾具應首先保證焊縫中心的位置精度，即保證卷對接接頭的位置精度。由于汽車薄板沖壓件存在一定的反彈量，因此，夾具的定位夾緊點應靠近焊縫中心，并且有足夠的定位夾緊力。其次，夾具定位夾緊裝置應具備良好的導熱性能及抗熱變形性能，以保證夾具不會因長期受熱變形而影響自身的精度及耐用性，或者可以在定位夾緊裝置中增加冷卻裝置提高散熱效果。其三，夾具體的固定方位應盡量使所有對接面垂直于水平面，以便熔融的釬料可以利用自身重力更好地填充對接面。
(3)焊接表面油污對焊接質量的影響
油污在焊接過程中很容易被氣化形成氣孔，影響焊接質量，所以母材在焊接前應處理掉焊縫表面及對接面的油污。
上述各種因素在調試和生產中都需工程技術人員密切關注，當出現質量問題時，應根據焊接缺陷的現象，分析其相關影響因素的工藝參數是否發生變化，確定產生問題的原因，采取相應措施，此外還應排除由于送絲嘴磨損、透鏡磨損等機械故障原因造成的影響。
結論
根據長期生產實踐跟蹤和分析，送絲位置、焊接參數、母材尺寸的穩定性和焊接夾具等因素對激光釬焊的焊接質量有著決定性的影響，設置合理的工藝參數是保證低碳鋼激光釬焊質量穩定性的前提。
從市場需求的角度來看，現代化汽車工業的快速發展要求汽車生產廠家在提高效率的同時提高制造質量，因而汽車廠的主要生產線都在逐漸向全自動化的方向發展，車身焊裝生產線也不例外。激光焊接技術的應用正迎合了這種發展需求，不僅實現了自動化，使生產效率大幅提高，而且可以達到很高的焊接質量，實現了完美的車身外觀，對汽車企業的品牌提升也發揮著重要的作用。

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