趙建姣 陳沖 漢俊梅 孟德峰

（一汽模具制造有限公司，長春 130013）

1 前言

隨著汽車制造行業(yè)高效發(fā)展及對白車身產(chǎn)品質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，激光飛行焊接技術(shù)逐步在白車身連接工藝當(dāng)中扮演重要角色。激光飛行焊接技術(shù)是一種穩(wěn)定、高效、靈活的焊接技術(shù)，本研究詳細(xì)介紹了激光飛行焊工藝在焊裝四門生產(chǎn)線上的應(yīng)用，滿足了制造線體高效穩(wěn)定的生產(chǎn)需求。

2 激光飛行焊接原理及工藝

2.1 激光工作原理

如圖1，當(dāng)激光介質(zhì)中的原子受到泵浦能量時(shí)產(chǎn)生原子越遷，進(jìn)入高能態(tài)，同時(shí)將吸收的能量會(huì)以光和熱的形式釋放。當(dāng)發(fā)出的光擊中其他原子，基態(tài)原子就會(huì)吸收這束光，當(dāng)高能態(tài)原子數(shù)量大于基態(tài)原子時(shí)，激光就得到了放大，光束在諧振腔內(nèi)不停地振蕩放大，通過耦合鏡輸出，也就產(chǎn)生了激光。

圖1 激光原理

2.2 激光飛行焊接工藝

2.2.1 激光點(diǎn)蝕工藝

鍍鋅板焊接時(shí)由于鋅的沸點(diǎn)較低，鋅受熱后迅速汽化，產(chǎn)生鋅蒸汽，鋅蒸汽會(huì)影響鍍鋅板材和鍍鋅板材的熔接，所以要用激光點(diǎn)蝕工藝將鍍鋅工件表面拉起凸點(diǎn)。目的是為了在兩層鍍鋅板焊接焊縫時(shí)，將焊接產(chǎn)生的鋅蒸汽排出，有利于形成飽滿光澤的焊縫。點(diǎn)蝕工藝?yán)鸶叨仍?.1～0.2 mm 之間。如果是普通的冷軋板焊接則不需要此項(xiàng)工藝。

2.2.2 激光飛行熔焊

激光飛行熔焊屬于熱熔焊接，也稱遠(yuǎn)程焊或掃描焊，即激光鏡組距工件約450 mm（取決于激光掃描頭的焦距）的非接觸焊接。焊接路徑規(guī)劃由光學(xué)鏡組內(nèi)的反射鏡進(jìn)行，不需要其它的輔助耗材。因其工作時(shí)激光掃描頭移動(dòng)同時(shí)并實(shí)現(xiàn)激光掃描焊接稱為“飛行焊”，這種工藝的特點(diǎn)是高精度、高效率、高速度、高靈活性，針對本項(xiàng)目，每個(gè)工件需要焊接50 個(gè)22 mm 的焊道，機(jī)器人完成工作僅需40 s。

3 激光飛行焊接的硬件組成

3.1 激光飛行焊接的硬件架構(gòu)

激光飛行焊接的硬件組成如圖2 所示。

圖2 激光飛行焊的硬件

3.2 激光掃描頭與機(jī)器人的連接

激光掃描頭與機(jī)器人之間的通訊方式為CAN總線協(xié)議，需要通過CAN 總線模塊組態(tài)通訊，總線連接如圖3 所示。

圖3 CAN總線連接示意

CAN 總線網(wǎng)關(guān)模塊供電由機(jī)器人CCU 板卡提供24 V 電源，并且機(jī)器人CCU 板卡的X47 端口和CAN 總線網(wǎng)關(guān)模塊之間用以太網(wǎng)線連接。機(jī)器人系統(tǒng)IP 地址（172.20.3.3）預(yù)設(shè)在機(jī)器人端，CAN 總線模塊網(wǎng)關(guān)需要IP 設(shè)置為172.20.3.99，CAN 總線模塊2、4 號管腳必須用120 Ω的電阻端接，CAN 總線模塊連接如圖4 所示。

圖4 CAN總線模塊

3.3 激光飛行焊接的輔助設(shè)備

激光器及激光掃描頭在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，冷卻系統(tǒng)是激光不可缺少的一部分。為了高效且延長激光元器件的使用壽命，必須給激光器配備冷卻系統(tǒng)。常見的冷卻系統(tǒng)有外循環(huán)水式冷水機(jī)和風(fēng)冷內(nèi)循環(huán)水式冷水機(jī)2 種。激光掃描頭及光纜也需要冷卻處理，一般用去離子水循環(huán)式水冷結(jié)構(gòu)。同樣在焊接質(zhì)量的控制上也需要壓縮空氣介質(zhì)作為輔助介質(zhì)，激光焊接過程會(huì)產(chǎn)生大量離子氣，會(huì)擴(kuò)散激光束能量，所以激光掃描頭需要兩組壓縮空氣：一組是防飛濺風(fēng)刀的壓縮空氣，和吹工件浮灰的壓縮空氣，氣壓為0.6 MPa；另一組則為保護(hù)鏡頭的0.2 MPa 壓縮空氣。

4 激光飛行焊接硬件組態(tài)

要實(shí)現(xiàn)激光飛行焊接功能，首先要在庫卡機(jī)器人控制系統(tǒng)上安裝激光飛行焊所需的應(yīng)用軟件。對庫卡機(jī)器人軟件要求為：首先機(jī)器人系統(tǒng)版本要求為VW System8.2，機(jī)器人在專家模式下，運(yùn)行模式為T1 模式，不能選擇程序，安裝機(jī)器人軟件需要按照附加軟件流程安裝VKRC4LASERPFO(AUDI)軟件。安裝軟件的目的是生成激光焊接的相關(guān)指令，并且通過CAN 總線模塊建立機(jī)器人與激光掃描頭的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器人通過PROFINET 總線協(xié)議與激光器通訊，激光器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置如圖5 所示，激光器的硬件組態(tài)如圖6 所示。

圖5 激光器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

圖6 激光器的硬件組態(tài)

5 激光飛行焊接調(diào)試方法

5.1 激光點(diǎn)蝕的調(diào)試方法

激光點(diǎn)蝕是通過一定功率的脈沖激光照射，使鍍鋅板材表面產(chǎn)生0.1～0.2 mm 的凸點(diǎn)。激光點(diǎn)蝕的形狀一般分為直線式（圖7）、Z 字形（圖8）2 種, 直線式點(diǎn)蝕在同一條直線上，焊縫位置高于或低于點(diǎn)蝕；Z 字形焊縫要在點(diǎn)蝕的中間位置。

圖7 激光點(diǎn)蝕直線型

圖8 激光點(diǎn)蝕Z字形

成型合格點(diǎn)蝕關(guān)鍵因素，激光平面必須與工件垂直。機(jī)器人示教時(shí)可以用輔助工具進(jìn)行位置記錄，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡點(diǎn)激光掃描頭與工件平行的目的。例如，水平儀測量工件表面與激光掃描頭水平，也可以用通快激光調(diào)試工具示教，激光示教工具確保激光鏡頭與板材平行（圖9）；水平儀測量保激光鏡頭與板材平行（圖10）。

圖9 用激光示教工具

圖10 用水平儀測量

5.2 激光飛行熔焊焊縫調(diào)試方法

打開先導(dǎo)激光、線激光，手動(dòng)將機(jī)器人示教到所需要的焊縫位置，通過對庫卡機(jī)器人X/Y/Z方向的調(diào)整，把先導(dǎo)光示教到線激光十字交叉點(diǎn)上。如圖11 所示，示教先導(dǎo)光與線激光焦點(diǎn)重合，此時(shí)激光的焦點(diǎn)正好是在工件的表面。如果沒有線激光無法準(zhǔn)確確定激光焦點(diǎn)，要用游標(biāo)卡尺測量先導(dǎo)光的大小與激光鏡頭光斑大小相同，即判定焦點(diǎn)正好是在工件的表面。

圖11 示教先導(dǎo)光與線激光焦點(diǎn)重合

通過對庫卡機(jī)器人ABC 方向的調(diào)整，把先導(dǎo)光示教到激光調(diào)試工具的中心點(diǎn)，如圖12 所示，示教先導(dǎo)光與示教工具中心重合，這樣就確定了激光掃描頭與工件水平。

圖12 示教先導(dǎo)光與示教工具中心重合

6 激光飛行焊接的參數(shù)分析

6.1 激光點(diǎn)蝕的參數(shù)分析

影響激光點(diǎn)蝕的參數(shù)有功率（Powert）、脈沖持續(xù)時(shí)間（Pulse duration）、脈沖數(shù)量（Pulse Number）、頻率（Frequency）、激光的離焦量（機(jī)器人控制），如圖13 所示。

圖13 激光參數(shù)

激光功率對點(diǎn)蝕的影響，激光的功率影響點(diǎn)蝕的表面熔深，如果功率過低能量小則不會(huì)在工件表面形成熔池，相反功率過高同樣會(huì)擊穿凸點(diǎn)，使工件表面形成凹陷狀態(tài)。所以，對激光功率的要求在既能形成融化工件表面又要形成凸點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖14 所示。

圖14 激光功率和點(diǎn)蝕高度曲線

脈沖持續(xù)時(shí)間即每個(gè)點(diǎn)蝕激光的持續(xù)時(shí)間。持續(xù)時(shí)間在2.5 ms時(shí)，激光的利用率剛好是在10%。

點(diǎn)蝕的數(shù)量取決于激光的脈沖數(shù)量，如圖13所示，Pulse Number 為4 即4 個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)蝕。

頻率及機(jī)器人的運(yùn)行速度決定點(diǎn)蝕的間距。根據(jù)公式計(jì)算如下。

式中，f為激光發(fā)光的頻率；L為點(diǎn)蝕的距離；V為機(jī)器人的運(yùn)行速度；T為激光工作的時(shí)間。

激光的打點(diǎn)頻率為29.5 Hz，根據(jù)公式（1）換算為時(shí)間間隔為0.034 s，機(jī)器人工作的速度為225 mm/s，根據(jù)公式2 計(jì)算兩點(diǎn)蝕的距離為7.63 mm。實(shí)際測量結(jié)果如圖15 所示，通過更改機(jī)器人的速度和激光的頻率更改點(diǎn)蝕的長度。

離焦量對點(diǎn)蝕的影響分析。離焦量是指激光焦點(diǎn)離作用物質(zhì)間的距離，激光的離焦方式有正離焦和負(fù)離焦2 種。焦平面位于工件上方的為正離焦，反之為負(fù)離焦。通過試驗(yàn)證明，激光點(diǎn)蝕成型效果好需要采用正離焦。目前通快的激光掃描頭3DPFO 可直接在激光軟件上更改離焦量，本次項(xiàng)目采用的是2DPFO 需要借助機(jī)器人來調(diào)整激光的離焦。本項(xiàng)目采用的激光光斑大小是1.8 mm，由圖16 數(shù)據(jù)可分析，板材厚度為0.7mm 點(diǎn)蝕的高度在離焦量32 mm 時(shí)處于峰值，高度可達(dá)到0.19 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖17 所示。

6.2 激光飛行熔焊的參數(shù)分析

激光飛行熔焊影響的參數(shù)有機(jī)器人的速度、位置數(shù)據(jù)、工件的匹配。

機(jī)器人運(yùn)行的速度計(jì)算。激光飛行熔焊的圖形是通過通快激光器軟件編輯的，圖形的范圍如圖18 所示，本項(xiàng)目采用的激光掃描頭敞鏡是190 mm×320 mm，圖形在X方向不能超過190 mm，在Y方向不能超過320 mm。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中要保證觸發(fā)的圖形能焊接完成，例如，圖形為原點(diǎn)沿X方向掃描20 mm 的焊縫，激光的速度設(shè)置為120 mm/s，計(jì)算完成20 mm 的焊縫需要0.167 s，根據(jù)激光掃描頭掃描振鏡X范圍（190 mm），理論計(jì)算得出機(jī)器人沿X方向運(yùn)動(dòng)的速度不能低于激光焊接速度120 mm/s，不能超過振鏡掃描范圍除以總的焊接時(shí)間，即1137 mm/s；如果機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與激光掃描的方向相反，則機(jī)器人的速度不能超過振鏡掃描范圍-焊縫在振鏡之間的總距離除以總的焊接時(shí)間，即1017 mm/s，為了提高激光的利用率，示教時(shí)一定將掃描焊縫的方向和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向保持一致。飛行焊圖形一般不會(huì)采用單獨(dú)的焊縫，如果焊縫在一個(gè)平面上一個(gè)激光程序會(huì)有2～3 個(gè)焊縫放在一起，如圖19 所示，一個(gè)焊接程序由3 個(gè)焊縫組成，一個(gè)圖形中有3 個(gè)22 mm 的焊縫，機(jī)器人的速度會(huì)控制在250 mm/s 以下。

圖19 焊接程序

激光掃描頭的位置數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)飛行熔焊的前提激光掃描頭要與機(jī)器人實(shí)時(shí)傳輸位置數(shù)據(jù)，有了空間坐標(biāo)系激光掃描頭就會(huì)知道什么時(shí)候需要打開激光，位置數(shù)據(jù)的傳輸是通過CAN 總線模塊通訊來實(shí)現(xiàn)的。通快目前有IPFO 功能，是在激光器軟件上示教焊縫，相比下更加便捷。

工件匹配。激光飛行焊對板材間隙要求非常嚴(yán)格，確保焊接質(zhì)量的首要前提就是工件的匹配度，要求工件間隙不能小于0.1 mm 且不能大于0.3 mm，間隙過小會(huì)導(dǎo)致鋅蒸汽排不出去影響焊接質(zhì)量，間隙過大影響焊接的熔深形成或者導(dǎo)致虛焊假焊現(xiàn)象，如圖20、圖21 所示。

圖20 質(zhì)量認(rèn)證合格

圖21 由于板材間隙過大導(dǎo)致質(zhì)量認(rèn)證不合格

7 結(jié)束語

通過對白車身車門激光飛行焊接技術(shù)的研究和一些現(xiàn)場調(diào)試及工藝試驗(yàn)的研究，達(dá)到了批量質(zhì)量認(rèn)證的客戶要求，同時(shí)掌握了激光飛行焊接核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了白車身焊裝門線激光飛行焊接的穩(wěn)定高效應(yīng)用。對影響激光飛行焊接質(zhì)量的參數(shù)分析及實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)的參數(shù)表，為以后激光飛行焊接項(xiàng)目提供了一定的數(shù)據(jù)支撐與參考。