徐平

上海景格科技股份有限公司 上海 200333

激光深熔焊是一種現(xiàn)代的焊接方法。激光深熔焊以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代汽車(chē)制造產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，激光深熔焊形成的焊縫均勻、光滑，外觀質(zhì)量好，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高，質(zhì)量穩(wěn)定。本文結(jié)合頂蓋激光深熔焊工業(yè)化項(xiàng)目實(shí)例，詳細(xì)介紹了白車(chē)身頂蓋激光深熔焊的工業(yè)應(yīng)用，為汽車(chē)制造領(lǐng)域提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和探討空間。

激光深熔焊工藝

1.激光深熔焊原理

激光深熔焊是利用激光光束作為熱源，激光光束透過(guò)透鏡聚焦后射在金屬母材表面上，金屬母材被光束能量加熱，熔化形成高溫液態(tài)金屬，緊接著母材溶液汽化，形成反沖壓力排開(kāi)金屬溶液形成小孔，而小孔的形成一定程度上增加了母材金屬與激光束的相互接觸面積，繼而增大了母材金屬對(duì)激光束能量的吸收率，從而增大了焊接能量的傳導(dǎo)，母材的熔深增加。在小孔穩(wěn)定形成之前，激光束與母材金屬相互作用時(shí)產(chǎn)生的反沖壓力大于熔池靜壓力及表面張力等因素之和；而當(dāng)激光熱源撤走時(shí)，認(rèn)為反沖壓力為零，在熔池靜壓力和表面張力作用下熔池回填小孔，凝固形成焊縫。由于母材本身會(huì)被激光嚴(yán)重熔蝕，因此保證深熔焊焊縫的質(zhì)量是一個(gè)問(wèn)題，要想獲得良好的焊接質(zhì)量則必須要保證合適的激光焊接參數(shù)。

2.激光深熔焊特點(diǎn)

激光深熔焊有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。激光深熔焊焊接速度快，噪聲??；激光深熔焊可焊接特殊或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件；對(duì)工件局部進(jìn)行加熱，并且可以精確調(diào)節(jié)和控制激光焊接功率，工件不易產(chǎn)生熱損傷，熱影響區(qū)小，保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，焊接后可能需要簡(jiǎn)單處理或無(wú)需處理；激光頭可自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距加熱，熔化帶寬，當(dāng)參數(shù)和工件穩(wěn)定時(shí)，有極少量飛濺，焊縫外觀質(zhì)量良好；由于激光深熔焊是直接熔化母材，所以工件之間無(wú)間隙，焊縫的防腐能力很強(qiáng)，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)后，焊縫可以不經(jīng)處理進(jìn)行油漆；通過(guò)焊縫跟蹤系統(tǒng)，即Seam Tracker軟件，可以使激光束方便地尋找到焊縫，從而可以與機(jī)器人方便地合作，構(gòu)成一個(gè)完美的柔性加工系統(tǒng)；激光束易于控制和傳輸，不需要經(jīng)常更換焊槍?zhuān)梢燥@著減少停機(jī)輔助時(shí)間，生產(chǎn)效率高；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并能夠有效地控制光束強(qiáng)度和精細(xì)定位。

結(jié)合以上優(yōu)勢(shì)，激光深熔焊正在成為一種主要的焊接工藝方法，得到了更多制造企業(yè)的青睞。但是激光深熔焊也有技術(shù)局限性。激光深熔焊是以激光束作為熱源，而激光束經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后光斑尺寸非常小，產(chǎn)生的焊縫較窄，如果工件的裝配精度或光束的定位精度達(dá)不到要求，就很容易造成焊接缺陷；激光源、激光頭及其相關(guān)系統(tǒng)的成本也較高，一次性投資相對(duì)比較大；激光深熔焊技術(shù)涉及光學(xué)、焊接、自動(dòng)化系統(tǒng)工程等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，因此焊接技術(shù)復(fù)雜，技術(shù)難度大，使得激光深熔焊系統(tǒng)調(diào)試的難度較大，且系統(tǒng)設(shè)備需要專(zhuān)業(yè)維護(hù)，若核心設(shè)備故障停機(jī)或損壞后其修復(fù)難度大，便無(wú)形中增加了工業(yè)成本；此外激光屬于不可見(jiàn)光，危險(xiǎn)性比較大，防護(hù)等級(jí)高，工業(yè)化中需要制造企業(yè)投入特殊的安全防護(hù)設(shè)施。

激光深熔焊設(shè)備

圖1所示為頂蓋激光深熔焊的工藝系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)專(zhuān)業(yè)驗(yàn)證、批量工業(yè)化及技術(shù)改進(jìn)，此激光深熔焊已形成為成熟的工業(yè)化體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)在很多項(xiàng)目中使用。系統(tǒng)設(shè)備及功能如下。

（1）激光源 通過(guò)特定的方式來(lái)激勵(lì)激光活性介質(zhì) (如CO2和其他氣體的混合氣體、YAG釔鋁石榴石晶體等),使其在諧振腔中往復(fù)振蕩,從而形成受激輻射光束，常用的激光發(fā)生器品牌有Trumpf、Laserline和IPG。

（2）光纖 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具，負(fù)責(zé)傳輸激光源發(fā)出的激光束到激光頭（為保證企業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，一般情況下需要有1條備用光纖）。

（3）激光焊接頭 激光源產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)激光頭聚焦、校準(zhǔn)等處理以后，可以變成具備一定加工性能的能量光束。常用的激光頭品牌有Permanova、Scansonic和Highyag。

（4）機(jī)器人系統(tǒng) 可以對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行編程，給出適當(dāng)電氣信號(hào)，調(diào)整激光焊接參數(shù)。常用的機(jī)器人品牌有ABB、FANUC和KUKA。

（5）獨(dú)立焊接工作間 在焊接過(guò)程中，從激光焊接頭出來(lái)的激光光束功率高、能量大，會(huì)對(duì)人的身體造成很大的傷害，所以獨(dú)立焊接工作間是封閉的。

（6）自動(dòng)化控制電柜 主要負(fù)責(zé)各種電氣信號(hào)的處理，控制協(xié)調(diào)激光頭、機(jī)器人和激光源的信號(hào)交換。

（7）工裝夾具 保證工件的裝配尺寸和焊縫位置的重復(fù)精度。

（8）抽風(fēng)系統(tǒng) 焊接時(shí)如果車(chē)身件有鍍鋅層，高溫氣化時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙霧和有害氣體，因此有必要安裝抽風(fēng)系統(tǒng)排除工作間的煙霧和有毒氣體。

（9）系統(tǒng)設(shè)備使用率 主要有兩個(gè)指標(biāo)：節(jié)拍和能耗。

1）節(jié)拍。頂蓋激光深熔焊的焊接速度為100mm/s，開(kāi)光點(diǎn)與關(guān)光點(diǎn)各需耗損33mm/s，以2000mm左右焊縫長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，純激光焊接時(shí)間大約需要20s。

2）能耗。主要能耗產(chǎn)生在激光源上，光電效率約30%，光源工作時(shí)間22s。可通過(guò)光閘來(lái)實(shí)現(xiàn)增加光源分時(shí)功能，從而提高激光源的使用率。

（10）頂蓋成形工裝 該工裝是在頂蓋的前后側(cè)各焊接若干個(gè)焊點(diǎn)，一般在頂蓋前側(cè)焊接2個(gè)焊點(diǎn)，頂蓋后側(cè)焊接2～4個(gè)焊點(diǎn)來(lái)確定頂蓋相對(duì)于車(chē)身的位置，此時(shí)焊接質(zhì)量較穩(wěn)定。

（11）成形機(jī) 成熟的車(chē)身成形機(jī)構(gòu)可以使底板、側(cè)圍、橫梁、后隔板及后圍板拼接成形，既完成了白車(chē)身殼體主體框架，也完成了車(chē)身主體尺寸的控制。激光深熔焊的特點(diǎn)決定其對(duì)于工件裝配的間隙有嚴(yán)格的要求和比較高的敏感度，成形機(jī)的主要功能就是能夠有效保證白車(chē)身的幾何尺寸，并由此確保側(cè)圍與頂蓋間隙的可調(diào)性和可控性。

（12）Seam Tracker軟件 Seam Tracker 是一款焊縫跟蹤系統(tǒng)軟件，可以在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)地跟蹤查找焊縫的位置，提高了激光深熔焊的工藝性能。

激光深熔焊相關(guān)軟件

1.焊縫跟蹤系統(tǒng)軟件

Seam Tracker 是一款焊縫跟蹤軟件，它利用一個(gè)攝像機(jī)觀察焊接過(guò)程，每秒采集100幀的錄像，這款軟件可以通過(guò)機(jī)器人來(lái)控制，并且可以通過(guò)Profibus和Interbus進(jìn)行信息交流，機(jī)器人在焊接過(guò)程中也將接收診斷信息，這款軟件可以記錄焊接過(guò)程中參數(shù)變化量的值，但是每次只記錄焊接過(guò)程的最后30s的變化量，最后保存為AVI文件。

在機(jī)器人編程和校驗(yàn)軌跡的時(shí)候，Seam Tracker 軟件可以提供給我們很大的幫助，可以通過(guò)觀察實(shí)時(shí)錄像來(lái)控制軌跡點(diǎn)的位置、高度、翻轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)角。

軟件焊接過(guò)程界面如圖2所示，操作者可以通過(guò)此界面觀察深熔焊焊接過(guò)程，并同時(shí)可以觀察焊接質(zhì)量的好壞。除此以外，還可以看到保護(hù)鏡片的污染程度和溫度，以及焊接過(guò)程中壓輪的壓力和焊接參數(shù)的波動(dòng)范圍。

圖2 軟件焊接界面

2.焊縫跟蹤原理

Seam Tracker軟件的焊縫跟蹤原理如圖3所示，一束激光以30°～45°照在兩個(gè)工件中間的搭接線上，由于板材和裝配之間縫隙的高度，光束被分割成兩部分，通過(guò)照相機(jī)拍照顯示的圖片如圖4所示。圖片通過(guò)圖像處理計(jì)算機(jī)發(fā)送給伺服單元，然后激光頭通過(guò)軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行焊縫跟蹤。

圖3 焊縫跟蹤原理

圖4 由于側(cè)圍和頂蓋搭接的高度差而產(chǎn)生的光線

3.控制反饋

Seam Tracker可以被看作是一個(gè)控制反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖5所示。由激光頭上照相機(jī)進(jìn)行錄像，焊縫跟蹤軟件進(jìn)行圖像測(cè)量，控制誤差的大小，并將誤差傳輸給控制器，控制器接收誤差，控制輸出量的大小，并將輸出傳輸給伺服單元，伺服單元作用于激光頭，并使其翻轉(zhuǎn)一定角度，照相機(jī)進(jìn)行拍照記錄軌跡，然后進(jìn)行圖像測(cè)量，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

頂蓋激光深熔焊的質(zhì)量控制

1）鍍鋅層頂蓋焊縫一側(cè)與側(cè)圍的夾角最好是9°角，因?yàn)殇\會(huì)在溫度急劇升高時(shí)發(fā)生汽化現(xiàn)象，鋅蒸汽如果沒(méi)有空間逃離出去，會(huì)在焊縫形成匙孔（見(jiàn)圖6），影響焊縫整體質(zhì)量。如果頂蓋帶有9°角，這樣鋅蒸汽就可逃離焊縫，在合適的焊接參數(shù)下，焊接質(zhì)量良好。

圖6 由于鍍鋅層而出現(xiàn)的匙孔現(xiàn)象圖

2）光斑直徑的選取應(yīng)與焊縫寬度相匹配。

3）激光頭壓輪壓力應(yīng)合適，過(guò)大容易壓塌頂蓋的9°角，過(guò)小則焊接結(jié)果容易變成鋸齒狀，如圖7所示。一般應(yīng)根據(jù)頂蓋在壓輪壓力的作用下會(huì)有一個(gè)應(yīng)力的增加，即從焊接起始段到焊接結(jié)束端，因此激光頭壓輪的壓力也應(yīng)逐漸增加，一般從1.1bar（1bar=105Pa，下同）開(kāi)始，每10cm增加0.1bar，依次遞增。

4）頂蓋與側(cè)圍的匹配精度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，不應(yīng)傾斜過(guò)多，否則不利于焊縫跟蹤軟件查找焊縫。

5）激光功率應(yīng)合適，過(guò)大則會(huì)在焊縫表面出現(xiàn)匙孔，過(guò)小則有可能發(fā)生頂蓋與側(cè)圍焊接不牢固的現(xiàn)象。

6）激光頭在焊接過(guò)程中，焊接光束應(yīng)時(shí)刻保持與焊縫垂直的狀態(tài)，易于焊縫跟蹤軟件查找焊縫。

7）激光頭焊接速度應(yīng)合適。過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)焊接不牢固的現(xiàn)象，過(guò)小則會(huì)發(fā)生焊接時(shí)進(jìn)行切割現(xiàn)象。

8）在激光焊接之前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)焊接檢驗(yàn)，即檢測(cè)Seam Tracker軟件的狀態(tài)，若預(yù)焊接過(guò)程焊接跟蹤軟件系統(tǒng)沒(méi)有報(bào)警和報(bào)錯(cuò)，即可進(jìn)行激光深熔焊接工作。

9）在預(yù)焊接工作過(guò)程，應(yīng)適當(dāng)減小激光頭壓輪壓力，以免過(guò)大的壓力對(duì)車(chē)頂蓋與側(cè)圍的9°角造成破壞，影響激光焊接質(zhì)量。

10）在預(yù)焊接工作過(guò)程，應(yīng)根據(jù)焊縫形態(tài)適當(dāng)改變機(jī)器人軌跡，以減小焊縫形態(tài)的變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

11）在進(jìn)行白車(chē)身激光深熔焊之前，先對(duì)試片進(jìn)行焊接（試片與木材的材料一致），以調(diào)試一套合理的焊接參數(shù)。

圖8介紹了激光深熔焊的質(zhì)量控制因素，合理調(diào)試這些質(zhì)量控制因素，則可以保證激光深熔焊的焊接質(zhì)量，良好的焊接質(zhì)量如圖9所示。

圖8 激光深熔焊的質(zhì)量控制因素

圖9 良好的焊接質(zhì)量

車(chē)身件設(shè)計(jì)工藝要求

車(chē)身件頂蓋尤為重要，一般認(rèn)為車(chē)頂蓋是車(chē)外覆蓋件成形性最好的，實(shí)際不然，因車(chē)型等級(jí)的高低其成形性難度隨之以10倍級(jí)增加，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣首先要看頂蓋這張整曲面的剛度、強(qiáng)度及其表面質(zhì)量（有無(wú)暗坑、劃傷、滾線和沖擊線等），并要滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。頂蓋的材料厚度一般在0.6～1mm，0.7mm左右是最好的厚度，毛皮外形尺寸1900～1800mm和1200～1400mm，一般梯形料是最好的。

在車(chē)頂蓋的整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中始終圍繞著滿足曲面來(lái)設(shè)計(jì)，使曲面具有足夠的強(qiáng)度、剛度及表面質(zhì)量，曲面中央變薄率最小2.5%、最大4%以上。

頂蓋與側(cè)圍外板貼合處要求有一定的角度，這里以9°角為標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖10），這樣焊接過(guò)程中的鋅蒸汽就不會(huì)影響到焊接質(zhì)量，保證了良好、美觀的焊接質(zhì)量。頂蓋上與側(cè)圍外板貼合處位置度要求±0.5mm，面輪廓度要求0.6mm，不可有明顯凸凹。如果頂蓋與側(cè)圍達(dá)不到良好的匹配度，即頂蓋與側(cè)圍之間存有一定的間隙（見(jiàn)圖11），此時(shí)進(jìn)行激光深熔焊就會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響，焊接結(jié)果容易呈現(xiàn)鋸齒狀。

圖10 頂蓋與側(cè)圍夾角

圖11 頂蓋與側(cè)圍之間存在較大間隙

此外，若頂蓋放置位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置發(fā)生了傾斜，即焊縫位置與標(biāo)準(zhǔn)焊縫位置發(fā)生了差異，則有可能會(huì)影響機(jī)器人原始軌跡，若此時(shí)按照機(jī)器人原始軌跡來(lái)進(jìn)行焊接，則焊縫跟蹤軟件有可能捕捉不到焊縫或捕捉到錯(cuò)誤的焊縫，導(dǎo)致激光焊接焊偏，或者焊縫跟蹤軟件報(bào)錯(cuò)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)白車(chē)身頂蓋深熔焊所做的應(yīng)用研究，詳細(xì)探討了激光深熔焊的工藝、設(shè)備、軟件、質(zhì)量控制以及車(chē)身件設(shè)計(jì)工藝要求，為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)合理利用激光深熔焊技術(shù)做了鋪墊，可以極大限度地提高國(guó)產(chǎn)汽車(chē)的激光焊接質(zhì)量，并可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。