馬慶 王文紅 郝永華

摘要：為有效對(duì)激光釬焊焊接過程中各項(xiàng)影響因素進(jìn)行針對(duì)性控制，保障焊接過程質(zhì)量、效率的穩(wěn)定性。本研究以某車型頂蓋激光釬焊為例，通過工藝過程中的優(yōu)化驗(yàn)證、問題處理的經(jīng)驗(yàn)積累以及行業(yè)中的相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐，從激光釬焊系統(tǒng)和車身精度及匹配控制系統(tǒng)2個(gè)方面系統(tǒng)性地對(duì)影響焊接過程穩(wěn)定性因素進(jìn)行剖析，同時(shí)對(duì)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分項(xiàng)制定控制措施，形成控制要求，以促進(jìn)激光釬焊應(yīng)用過程的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：激光釬焊 穩(wěn)定性 因素 控制要求

中圖分類號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220143

Abstract： In order to effectively control the influencing factors in the process of laser brazing， ensure the stability of quality and efficiency in the welding process， this article， taking the laser brazing of the top cover of a vehicle model as an example， analyzed the factors affecting the stability of the laser brazing process from 2 aspects of laser brazing system， body precision and matching control system through the experience accumulation of optimization verification and problem handling in the process and related application practices in the industry. At the same time， the control measures of the associated system were formulated and the control requirements were formed， to promote the stability of the laser brazing application process and ensure the product quality and production efficiency.

Key words： Laser brazing， Stability， Factor， Control requirement

1 前言

由于激光焊接技術(shù)不斷成熟[1]，且用戶對(duì)焊縫感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，使得激光焊接已成為汽車車身制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。對(duì)于車身涉及外觀的連接部位，許多汽車制造企業(yè)都采用了激光焊接，如車身頂蓋與側(cè)圍的連接。激光焊接設(shè)備系統(tǒng)本身復(fù)雜精密，加之車身制造過程的復(fù)雜性，這當(dāng)中的多種因素直接或間接影響到激光焊接過程和焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性。為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)過程，需對(duì)這些過程影響因素進(jìn)行有效控制。本研究以某車型為例，從設(shè)備參數(shù)、尺寸控制、物料質(zhì)量、設(shè)備性能、過程維護(hù)方面探討激光釬焊過程的影響因素，同時(shí)以實(shí)際生產(chǎn)過程中的問題處理、過程維保內(nèi)容為參考，介紹相應(yīng)的控制方法和要求，以提升激光釬焊焊接過程的穩(wěn)定性，為汽車制造提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 激光釬焊工藝

激光器產(chǎn)生的激光光束聚焦在焊絲表面，同時(shí)對(duì)焊絲進(jìn)行加熱，使焊絲受熱熔化同時(shí)浸潤母材，填充鈑金搭接間隙，形成焊縫，實(shí)現(xiàn)良好的鈑金連接[2]（圖1）。激光釬焊系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括激光器、焊接頭、冷卻水機(jī)組、送絲機(jī)、機(jī)器人、控制柜、工裝夾具、抽排風(fēng)系統(tǒng)[3]。從過程功能上，激光釬焊可分為激光釬焊系統(tǒng)和車身精度及匹配控制系統(tǒng)。

3 激光釬焊系統(tǒng)

激光釬焊系統(tǒng)在具體的裝置分布和運(yùn)行功能上主要包含激光器及光路系統(tǒng)、焊接控制系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)和冷卻除塵系統(tǒng)4個(gè)部分。

3.1 激光器及光路系統(tǒng)

激光器（圖2）產(chǎn)生激光后耦合并輸出成一定功率及波長的激光光束，激光光束經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す夂附宇^，激光焊接頭對(duì)傳輸過來的激光經(jīng)過校準(zhǔn)處理后，可以變成具備一定加工性能的能量光束（圖3），光束以光斑的形式顯示于焊接的部位以確保能量釋放于焊接所需的部位[3]。

激光光束聚焦成為光斑，光斑的尺寸、位置會(huì)對(duì)焊接過程產(chǎn)生直接影響。光斑的直徑影響焊料的鋪展，當(dāng)光斑直徑過大時(shí)，如果激光功率不夠則無法及時(shí)熔化焊絲，如果激光功率足夠則會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p母材。當(dāng)光斑直徑過小時(shí)，激光光束集中在焊絲上，而對(duì)母材加熱不足會(huì)導(dǎo)致焊料在母材上冷卻過快而不易鋪展，導(dǎo)致焊料熔化不徹底，光斑直徑一般為3～4 mm[4]。光斑位置偏差會(huì)導(dǎo)致焊料熔化不徹底，從而形成氣孔、焊偏。光斑設(shè)定的位置一般在焊絲端部的中心位置（圖4），焊絲端部通常距離送絲嘴4～6 mm（圖5），距離太近會(huì)導(dǎo)致送絲嘴被燒傷損壞。激光器產(chǎn)生激光后耦合并輸出成一定功率及波長的激光光束，激光光束經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す夂附宇^，激光焊接頭對(duì)傳輸過來的激光經(jīng)過校準(zhǔn)處理后，可以變成具備一定加工性能的能量光束，光束以光斑的形式顯示于焊接的部位以確保能量釋放于焊接所需的部位[3]。

鏡片需保持清潔，激光束溫度較高，長時(shí)間使用可能導(dǎo)致鏡片出現(xiàn)斑點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定的氣孔缺陷[4]。

光束發(fā)射和結(jié)束的時(shí)機(jī)也會(huì)影響焊接過程，頂蓋前后端部與側(cè)圍的搭接通常設(shè)計(jì)呈“V”字形，不能達(dá)到≤0.3 mm間隙要求，容易導(dǎo)致焊縫填充不足，這種情況一般會(huì)通過提前出絲和延遲收絲來進(jìn)行解決，光束的發(fā)射和停止必須和出絲、收絲的時(shí)機(jī)以及機(jī)器人的速度進(jìn)行匹配。光束發(fā)射太早而未作用到焊絲上時(shí)，會(huì)對(duì)鈑金形成過燒；光束發(fā)射太晚，可能導(dǎo)致焊絲端部熔化不徹底形成焊瘤；光束結(jié)束太早，會(huì)導(dǎo)致后部粘絲，結(jié)束太晚也會(huì)導(dǎo)致鈑金過燒或者焊縫咬邊。

3.2 焊接控制系統(tǒng)

主要為焊接機(jī)器人帶著激光焊接頭（圖6）調(diào)用軌跡程序及焊接參數(shù)以合適的速度和角度，將聚焦后的激光光束準(zhǔn)確均勻地作用到焊接部位的焊絲上，焊絲受熱熔化填充鈑金搭接縫隙。除機(jī)器人焊接軌跡和焊接程序?qū)附舆^程有直接影響外，焊接壓緊力、焊接頭各連接裝置的牢固穩(wěn)定、與工件的角度設(shè)置[5]參數(shù)、構(gòu)造對(duì)焊接過程也會(huì)產(chǎn)生影響。

焊接頭對(duì)于焊接過程的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

a.焊接頭構(gòu)造。各部位結(jié)構(gòu)、裝置、輔助管線連接必須牢固可靠，如氣管的防護(hù)、送絲嘴的強(qiáng)度、管線連接處加固等，防止運(yùn)行過程中易出現(xiàn)松動(dòng)磨損故障，同時(shí)結(jié)構(gòu)排布必須要滿足其他裝置（如壓緊胎膜定位機(jī)構(gòu)、胎膜等）的布局、焊接角度和軌跡調(diào)試要求。

b.焊接軌跡。主要是指焊接路徑以及軌跡程序的參數(shù)，如機(jī)器人焊接時(shí)的行走速度，可能會(huì)因?yàn)檐嚿砼c頂蓋搭接狀態(tài)差異進(jìn)行分段設(shè)置，同時(shí)必須與相關(guān)的光束發(fā)生時(shí)間、出絲速度進(jìn)行匹配。

c.焊接參數(shù)。主要體現(xiàn)為焊接功率，功率過大，會(huì)導(dǎo)致過度熔化甚至出現(xiàn)燒邊以及焊接飛濺[6]；功率過小，會(huì)導(dǎo)致焊接不徹底，從而出現(xiàn)焊縫表面凹凸不平和嚴(yán)重氣孔缺陷。焊接功率的實(shí)際輸出值應(yīng)作為日常監(jiān)控項(xiàng)目。焊接參數(shù)還包括焊接速度、送絲速度、送絲電流。焊接速度取決于能量密度，能量密度越大焊接速度越快，焊接速度與送絲速度保持在1：1左右，通常設(shè)定為45～75 mm/s。激光釬焊為熱絲焊，熱絲電流保持在120 A左右[7]?？紤]到鈑金間隙影響，可根據(jù)實(shí)際狀態(tài)調(diào)整焊接速度，一般頭部起弧和尾部收弧時(shí)的機(jī)器人速度略低，以保證填充足夠。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的狀態(tài)得出的激光釬焊參考工藝參數(shù)見表1。

3.3 送絲系統(tǒng)

包括推絲和拉絲，兩者相互密切配合確保焊絲輸送過程均勻穩(wěn)定，這兩個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)之間任何一處異常就可能導(dǎo)致焊絲輸送不暢或送絲異常，如滾輪卡滯、送絲管磨損、送絲速度不匹配、出絲角度不合理等，都會(huì)導(dǎo)致焊絲在出絲過程中不穩(wěn)定，從而與機(jī)器人速度、激光發(fā)生功率無法匹配，影響過程穩(wěn)定性[8]。

送絲不穩(wěn)定可能導(dǎo)致焊縫填充不足形成焊縫凹陷或者斷焊，出絲角度不穩(wěn)定可能導(dǎo)致焊縫偏移。為確保出絲的穩(wěn)定性，需要定期進(jìn)行推拉絲驗(yàn)證，即確認(rèn)出絲的實(shí)際速度與設(shè)定速度是否一致，同時(shí)需定期對(duì)送絲裝置進(jìn)行點(diǎn)檢，包括送絲管路是否穩(wěn)定牢固、出絲口是否磨損、送絲管道是否異常彎折、送絲滾輪是否卡滯[9]。送絲速度會(huì)在控制面板上進(jìn)行顯示，可通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來確定送絲是否穩(wěn)定，同時(shí)也可根據(jù)顯示界面的推絲和拉絲的電流值來確定送絲是否順暢，不同的送絲速度設(shè)置對(duì)應(yīng)不同的推拉絲電流（圖7）。

3.4 冷卻除塵系統(tǒng)

激光的產(chǎn)生會(huì)發(fā)出大量熱量，為了保證激光器正常工作，需要使用冷卻裝置來保證激光器溫度恒定。同時(shí)高功率的激光器進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的氣體和粉塵，抽風(fēng)除塵系統(tǒng)可排除產(chǎn)生的煙霧及粉塵，保證焊房內(nèi)各類系統(tǒng)裝置的潔凈，同時(shí)也有益現(xiàn)場人員的身心健康。

冷卻水機(jī)組是用于對(duì)激光器進(jìn)行冷卻的裝置（圖8），為保證冷卻功能的穩(wěn)定性，需定期更換蒸餾水，可通過機(jī)組上的實(shí)時(shí)溫度顯示來監(jiān)控冷卻的有效性，一般建議低溫區(qū)的溫度不大于25 ℃，才能滿足焊接的連續(xù)性，若溫度偏高，會(huì)導(dǎo)致焊接過程中突然中斷。

激光發(fā)生裝置需保持干燥，不能過熱，以保證激光發(fā)射的效果，通常在激光器所在的區(qū)域使用空調(diào)冷卻，同時(shí)開啟除濕功能。

4 車身精度及匹配控制系統(tǒng)

對(duì)于車身精度及匹配控制主要為2個(gè)方面：一方面是焊接部位車身結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)零部件的尺寸和位置控制，另一方面就是對(duì)焊接部位的鈑金表面質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行控制。其中車身結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)零部件的尺寸又包括車身骨架尺寸、頂蓋位置精度、頂蓋壓緊狀態(tài)和車身零件尺寸狀態(tài)。

4.1 車身骨架尺寸的穩(wěn)定性

本研究車型所在的產(chǎn)線為多車型柔性生產(chǎn)，車身骨架定位采用側(cè)框自動(dòng)推進(jìn)（圖9），由側(cè)框上的夾具對(duì)側(cè)圍總成和前后橫梁進(jìn)行定位夾緊。由于定位工位為多車型生產(chǎn)，涉及夾具的切換，所以除了夾具自身裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠以外，還要確保夾具墻在工位上的精確穩(wěn)定。不僅要求夾具墻每次推進(jìn)后的位置一致，還要確保每一次車型切換時(shí)夾具推進(jìn)的一致性。由于推進(jìn)力度很大，所以要保證前后及上下用于定位夾具墻的裝置連接強(qiáng)度足夠，本研究所列車型的夾具墻定位裝置（圖10）全部采用高強(qiáng)度螺栓連接，確保定位裝置的抗沖擊性，同時(shí)夾具推進(jìn)過程中要避免碰撞干涉而影響位置精度。

為保證車身骨架尺寸的穩(wěn)定性，主要是要確保夾具的穩(wěn)定性，在夾具投用時(shí)必須進(jìn)行充分的重復(fù)性驗(yàn)證同時(shí)按期進(jìn)行尺寸測量維護(hù)。日常點(diǎn)檢時(shí)要關(guān)注檢查夾具墻定位裝置的可靠性。

4.2 頂蓋位置穩(wěn)定性

本研究所列車型的頂蓋定位工藝為：由機(jī)器人帶抓手對(duì)頂蓋進(jìn)行抓?。▓D11），頂蓋后部由定位銷對(duì)Y向和X向進(jìn)行定位，前部在抓手上采用兩邊限位對(duì)Y向進(jìn)行定位，確保頂蓋總成在抓手上的穩(wěn)定性；然后機(jī)器人在將頂蓋放置到車身骨架之前，利用激光視覺拍攝對(duì)車身位置進(jìn)行確認(rèn)后，進(jìn)行對(duì)中補(bǔ)償，確保頂蓋總成能夠居于車身骨架的中心位置。對(duì)中視覺的基準(zhǔn)選取非常重要，選取的點(diǎn)位必須能夠代表側(cè)圍外板的位置，同時(shí)必須是固定且精度較高的點(diǎn)位，比如側(cè)圍外板上不受其他零件搭接干擾的孔位。頂蓋居中放置后，在后部進(jìn)行點(diǎn)焊定位，前部不宜進(jìn)行定位，確保后續(xù)胎膜下壓時(shí)頂蓋能夠隨胎膜下壓進(jìn)行匹配位移，從而保證頂蓋與側(cè)圍的搭接貼合到位。

4.3 頂蓋壓緊狀態(tài)

帶頂蓋的車身骨架到達(dá)激光釬焊工位后，機(jī)器人抓取壓緊胎膜放置于頂蓋上部（圖12），胎膜底部對(duì)頂蓋形成下壓。工位前后兩側(cè)各有一處定位銷對(duì)胎膜進(jìn)行精確導(dǎo)向和限位，確保胎膜能夠均勻壓緊頂蓋，這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)頂蓋與側(cè)圍外板的搭接間隙滿足焊接要求，也避免了頂蓋表面質(zhì)量受到損傷。生產(chǎn)期間要定期對(duì)胎膜的狀態(tài)，如潔凈度、胎膜各壓緊面的一致性及穩(wěn)定性等進(jìn)行點(diǎn)檢。

4.4 車身件及尺寸匹配

激光釬焊工藝要求焊接部位的車身件匹配間隙≤0.3 mm，同時(shí)車身的整體偏差也必須在穩(wěn)定可接收的偏差范圍內(nèi)，尺寸匹配的穩(wěn)定性監(jiān)控主要有2個(gè)方面：一是車身零件的穩(wěn)定性，除了自身設(shè)計(jì)滿足焊接要求外，可以通過藍(lán)光掃描和檢具對(duì)頂蓋、側(cè)圍外板、前后橫梁進(jìn)行日常監(jiān)控；二是白車身整體尺寸的穩(wěn)定性，可通過激光在線測量設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和三坐標(biāo)測量設(shè)備進(jìn)行離線抽檢。

4.5 鈑金表面質(zhì)量

激光釬焊焊接部位的表面質(zhì)量包括2個(gè)方面，一是焊接前零件表面的潔凈度，附著于焊接部位鈑金上的粉塵、焊渣、油污、殘膠會(huì)導(dǎo)致焊縫氣孔缺陷。其次是焊接區(qū)域零件自身以及搭接區(qū)域鈑金表面的平整性和搭接狀態(tài)，不得有零件變形、搭接錯(cuò)位、鈑金異常凹凸的問題，頂蓋搭接區(qū)域（一般為側(cè)圍上邊梁Z向）的鈑金平整，焊點(diǎn)不得有明顯扭曲和凸起，確保頂蓋搭接后能夠與側(cè)圍外板貼合到位。針對(duì)表面質(zhì)量狀態(tài)一般在焊接之前會(huì)對(duì)表面潔凈度、平整狀態(tài)和搭接狀態(tài)進(jìn)行檢查和處理。為避免此類問題出現(xiàn)，在產(chǎn)線設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)工藝規(guī)劃，如表面清潔度處理工藝等。

5 過程穩(wěn)定性控制要求

通過對(duì)各類控制系統(tǒng)以及相關(guān)的因素進(jìn)行分析，每一類系統(tǒng)都存在可能對(duì)激光釬焊過程產(chǎn)生影響的因素，結(jié)合車型實(shí)際生產(chǎn)過程中的激光釬焊系統(tǒng)運(yùn)行保障機(jī)制以及故障處理經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)每一類系統(tǒng)的控制要素制定具體要求，詳見表2。

6 結(jié)束語

為獲得穩(wěn)定的焊接過程，必須保持激光釬焊系統(tǒng)和車身精度及匹配控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過對(duì)各類子系統(tǒng)的要素進(jìn)行分析，識(shí)別出對(duì)焊接過程產(chǎn)生影響的各項(xiàng)要素，同時(shí)明確相應(yīng)的控制要點(diǎn)，通過這些對(duì)這些要點(diǎn)的控制執(zhí)行，能夠有效促進(jìn)焊接過程的穩(wěn)定性，為其他汽車制造企業(yè)提升激光釬焊的焊接過程穩(wěn)定性、保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率上提供借鑒。

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