激光焊接在白車(chē)身制造中的應(yīng)用和發(fā)展

董功杰 王曉雋 陳聰 段宇 廖愷欣 杜晨輝

（北京奔馳汽車(chē)有限公司 車(chē)身與噴漆規(guī)劃部，北京100000）

1 前言

激光技術(shù)歷經(jīng)了50多年的發(fā)展與積累，在材料加工、醫(yī)療、通訊、尖端武器等領(lǐng)域均備受青睞。其中激光焊接技術(shù)以其能量密度大且集中、熱輸入小、高度自動(dòng)化、加工效率高等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)制造業(yè)尤其是白車(chē)身制造中廣泛應(yīng)用。以激光熔焊、激光釬焊為代表的先進(jìn)連接技術(shù)，在北京奔馳汽車(chē)有限公司國(guó)產(chǎn)化車(chē)型（A-L class、C-L class、E-L class、GLA、GLB、GLC-L、EQC）上，廣泛用于白車(chē)身底板前端、側(cè)圍門(mén)檻、側(cè)圍后輪罩、車(chē)門(mén)、行李箱蓋、后圍板等零件的焊接，在極大地加快加工效率，增強(qiáng)連接強(qiáng)度的同時(shí)，也顯著地提升了整車(chē)美觀性。

2 激光焊接工藝綜述

2.1 激光焊接工作原理及分類(lèi)

激光焊接是一種以激光束為熱源，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)傳導(dǎo)、聚焦在待加工板材、釬料的局部區(qū)域，在極短的時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，板材或焊絲迅速熔化、冷卻，最終形成冶金結(jié)合實(shí)現(xiàn)母材連接的工藝。

根據(jù)加工過(guò)程中是否需要添加釬料，廣義的激光焊接可分為激光填料焊接和激光非填料焊接兩種，如圖1所示。激光非填料焊接過(guò)程中，通過(guò)母材本身的熔化實(shí)現(xiàn)連接，母材本身具有較好的親和性，不需要添加輔助焊料，目前北京奔馳汽車(chē)有限公司采用德國(guó)Trumpf公司開(kāi)發(fā)的IPFO-3D智能可編程偏振鏡頭實(shí)現(xiàn)該工藝。激光填料焊接過(guò)程需要添加焊料，通過(guò)焊料的熔化、浸潤(rùn)或焊料和母材的共同熔化實(shí)現(xiàn)連接，焊料起到橋接或提升母材的可焊性的作用，目前北京奔馳汽車(chē)有限公司采用德國(guó)Scansonic公司開(kāi)發(fā)的ALO3釬焊頭實(shí)現(xiàn)這一工藝。

圖1 奔馳車(chē)型在用激光焊接技術(shù)分類(lèi)

2.2 激光焊接工藝特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.2.1 提高加工效率

激光焊接屬于單面加工，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式焊接，相比于點(diǎn)焊、鉚接工藝而言，具有更好的可達(dá)性；同時(shí)焊接系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，以激光飛行焊為例，在機(jī)器人姿態(tài)保持不動(dòng)的前提下，偏振鏡頭可通過(guò)偏振鏡片的疊加運(yùn)動(dòng)便可完成一定區(qū)域內(nèi)復(fù)雜形狀焊縫成型，在焦距為450 mm時(shí)，智能可編程序聚焦鏡頭（Intelligent Programmable Focusing optics，IPFO）的可加工范圍為320 mm×190 mm的橢圓，加工效率極高，生產(chǎn)節(jié)拍提升30%以上，尤其適用于汽車(chē)行業(yè)的大批量生產(chǎn)制造。

2.2.2 降低車(chē)身質(zhì)量

激光焊接能突破傳統(tǒng)焊接、鉚接工藝對(duì)可達(dá)性、有效搭接寬度的工藝限制，可以實(shí)現(xiàn)更窄的法蘭邊焊接，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為靈活，以簡(jiǎn)化車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效降低白車(chē)身整體質(zhì)量。

2.2.3 提升整車(chē)品質(zhì)

激光焊接通過(guò)能量密度高且集中的激光束實(shí)現(xiàn)非接觸式加工，母材熱影響區(qū)小，焊縫深寬比大，焊縫表面成形狀態(tài)好。在增強(qiáng)連接強(qiáng)度、防腐性能的同時(shí)，整車(chē)面品質(zhì)量得到有效提升[1]。

2.2.4 降低單車(chē)成本

以激光釬焊工藝為例，得益于高品質(zhì)的焊縫質(zhì)量，頂蓋-側(cè)圍搭接位置的結(jié)構(gòu)膠、密封裝飾條可以取消，同理，行李箱蓋上下板連接處的結(jié)構(gòu)膠、密封膠以及鍍鉻裝飾亮條也可以省去，兩組密封條和一組鍍鉻亮條的成本在40元以上，大大降低單車(chē)成本。

2.3 激光焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和控制思路

為保證激光焊接產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，北京奔馳汽車(chē)有限公司制定了嚴(yán)苛、精細(xì)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合自身先進(jìn)的質(zhì)量控制體系，多環(huán)路、多方法地進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)品檢驗(yàn)，以杜絕缺陷品的產(chǎn)生甚至流出。

2.3.1 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

激光焊接衍生出的工藝形式多種多樣，但各工藝的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均從以下3個(gè)核心要素出發(fā)：強(qiáng)度、面品和密封性。不同的是，結(jié)合激光焊接工藝應(yīng)用位置的不同，同一質(zhì)量要素有不同等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，就激光釬焊工藝而言，端部凹坑對(duì)于非外觀零件屬于可接受缺陷，但出現(xiàn)在外觀零件上則是不允許的。

連接強(qiáng)度是激光焊接最重要的質(zhì)量要素，也是保證整車(chē)強(qiáng)度、剛度的基礎(chǔ)。與電阻點(diǎn)焊類(lèi)似，通過(guò)評(píng)價(jià)待連接母材之間的有效連接來(lái)衡量連接強(qiáng)度是否合格，假設(shè)母材在受到外力拉拽后，極限情況下，有效連接（焊核）的斷裂應(yīng)后于母材本身的斷裂，則連接接頭合格（表1）。

表1 激光焊接強(qiáng)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

面品指的是焊縫表面的成形狀態(tài)，常見(jiàn)的焊縫面品缺陷有孔洞、飛濺、波浪、裂紋、凹坑、燒傷等，如圖2所示。焊縫表面質(zhì)量不好，一方面會(huì)影響客戶對(duì)可視零件的感官體驗(yàn)，另一方面也會(huì)影響后續(xù)零件的裝配工藝。

圖2 激光焊接常見(jiàn)的表面質(zhì)量缺陷

密封性要求需要結(jié)合焊縫應(yīng)用的具體位置來(lái)綜合判斷，比如行李箱蓋外板的激光釬焊應(yīng)用，有嚴(yán)格的密封性要求，以避免雨水等液體進(jìn)入行李箱蓋內(nèi)部，相應(yīng)地，焊縫處的孔、洞缺陷是不可接受的。

2.3.2 質(zhì)量控制

北京奔馳汽車(chē)有限公司結(jié)合自身完善的質(zhì)量反饋環(huán)控制體系，通過(guò)設(shè)備監(jiān)控、人工目視檢驗(yàn)、質(zhì)量部破壞性試驗(yàn)、其它實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方案，多種手段以不同的頻次來(lái)進(jìn)行過(guò)程、產(chǎn)品檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的質(zhì)量控制，見(jiàn)表2。

表2 激光焊接工藝質(zhì)量要素及控制方案

3 激光焊接在北京奔馳的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 激光焊接應(yīng)用綜述

21世紀(jì)初，以奔馳、寶馬、奧迪、大眾等為首的德系品牌汽車(chē)制造商，率先在國(guó)內(nèi)合資公司的車(chē)身制造領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接工藝，如圖3所示。伴隨著汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，激光焊接工藝不斷創(chuàng)新和成熟，以激光釬焊、激光熔焊為代表的先進(jìn)連接工藝已成為當(dāng)前各大主機(jī)廠焊裝車(chē)間的標(biāo)配解決方案和技術(shù)亮點(diǎn)。

圖3 激光焊接在白車(chē)身制造領(lǐng)域的常見(jiàn)應(yīng)用

同樣，激光焊接技術(shù)在北京奔馳汽車(chē)有限公司各款國(guó)產(chǎn)化車(chē)型上也應(yīng)用廣泛，如表3所示，以全新一代E class-L轎車(chē)為例，白車(chē)身上激光焊縫達(dá)422條，總長(zhǎng)度超過(guò)為10.5 m，使得車(chē)身強(qiáng)度、整車(chē)美觀性大大提升，鑄就了國(guó)產(chǎn)化車(chē)型旗艦轎車(chē)的卓越品質(zhì)。

表3 激光焊接在北京奔馳各車(chē)型白車(chē)身上的應(yīng)用

3.2 激光釬焊應(yīng)用

3.2.1 工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

激光釬焊是激光填料焊接工藝的一種形式，焊接工藝過(guò)程中添加釬料，釬料熔化、鋪展、浸潤(rùn)實(shí)現(xiàn)母材之間的連接。車(chē)身外覆蓋件多為鍍鋅鋼板，當(dāng)激光束聚焦在鋼件母材和Cusi3焊絲上，一般激光束光斑的直徑約為焊絲直徑的2倍，鋼板的溫度迅速升高（Fe的熱吸收率為30%，Cu的吸收率為5%）并傳導(dǎo)至焊絲，當(dāng)鋼板溫度升高至907℃近時(shí)（Zn的沸點(diǎn)），鍍鋅層開(kāi)始?xì)饣?，溫度升? 000℃時(shí)（Cusi3的熔點(diǎn)約為1 000～1 080℃附近）焊絲開(kāi)始熔化并浸潤(rùn)、鋪展至鋼板上，冷卻后迅速凝固形成連接，而整個(gè)過(guò)程中鋼板并未熔化（Fe熔點(diǎn)為1 538℃）。該工藝在具備良好的搭橋能力的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)極其美觀的表面質(zhì)量[2]。

目前該工藝主流的應(yīng)用位置為行李箱蓋外板上-下連接、側(cè)圍-頂蓋連接、流水槽-側(cè)圍連接。相比較于點(diǎn)焊工藝而言，激光釬焊的應(yīng)用，既能解決焊接可達(dá)性較差的問(wèn)題，還能通過(guò)省去密封膠、結(jié)構(gòu)膠、裝飾條的投入，來(lái)降低整車(chē)成本，最為關(guān)鍵的是可以得到完美的外觀質(zhì)量。因此，尤其適用于焊點(diǎn)密集、可達(dá)性差、并且有密封和外觀要求的連接部位。

3.2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

激光釬焊工藝常見(jiàn)的焊縫類(lèi)型有對(duì)接和角接兩種，見(jiàn)表4所示，對(duì)于整車(chē)可直接目視部位，應(yīng)盡量避免角接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表4 激光釬焊焊縫產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于激光釬焊工藝屬于單面、接觸式加工，因此連接部位的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足造型要求的前提下，考慮以下設(shè)計(jì)要求。

a.搭接面的強(qiáng)度要求；

b.工裝夾具對(duì)連接部位的夾持面及公差需求；c.焊縫成形后的外觀要求；

d.釬焊頭在焊縫正面的通過(guò)性要求。

以下以C-class系列車(chē)型行李箱蓋總成角接焊縫為例進(jìn)行說(shuō)明，見(jiàn)圖4。

圖4 C-class車(chē)型行李箱蓋角接焊縫設(shè)計(jì)

a.Ls_min代表最小夾緊塊寬度，建議為3 mm;

b.Lf_min代表母材最小有效搭接寬度，建議為5 mm;

c.Lfu_min代表最小焊接面寬度，建議為4 mm。

因此，常規(guī)情況下，角接焊縫上層板材法蘭邊最小寬度為6 mm，下層板材法蘭邊最小寬度為9 mm。

3.3 激光飛行焊應(yīng)用

3.3.1 工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

激光飛行焊是非填絲熔焊工藝的一種，屬于單面、非接觸式加工。激光束聚焦在母材本身，母材熔化、冷卻、凝結(jié)形成冶金結(jié)合。該工藝加工速度極快，搭接面需求小，焊縫深寬比大，熱影響區(qū)較小。適用于密集、重復(fù)性的連接點(diǎn)區(qū)域，有效解決了法蘭邊窄、焊槍可達(dá)性較差等問(wèn)題，但不建議在整車(chē)外觀件應(yīng)用。該工藝對(duì)鋼件、鋁件均有良好的焊接性能。目前北京奔馳汽車(chē)有限公司白車(chē)身應(yīng)用激光飛行焊的零件有6種，如表5。

表5 激光飛行焊工藝在E-class白車(chē)身應(yīng)用一覽

3.3.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

得益于Trumpf-IPFO-3D偏振鏡頭，使得飛行焊焊縫設(shè)計(jì)較為靈活。目前白車(chē)身上常見(jiàn)的焊縫樣式有I形、C型、樣條型3種，如圖5所示，理論上焊縫形狀越復(fù)雜，連接強(qiáng)度越好，但相應(yīng)的搭接邊寬度也越寬。因此，在法蘭邊較窄的部位常采用I型焊縫設(shè)計(jì)，如車(chē)門(mén)窗框區(qū)域；在法蘭邊寬度較為靈活的部位常采用C型焊縫設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提升連接強(qiáng)度，比如側(cè)圍門(mén)檻區(qū)域。

圖5 白車(chē)身常見(jiàn)激光飛行焊焊縫形狀

焊縫尺寸和最小搭接邊寬度是激光飛行焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)，尤其在汽車(chē)輕量化趨勢(shì)下，期望在工藝可行性的前提下實(shí)現(xiàn)最窄的法蘭邊設(shè)計(jì)。

a.焊縫尺寸。I型焊縫常見(jiàn)的尺寸為1 mm（寬度）×20 mm(長(zhǎng)度)；C型焊縫常見(jiàn)的尺寸為5 mm(寬度）×12 mm（長(zhǎng)度）。

b.搭接邊的最小寬度。搭接鍍鋅鋼板在熔焊時(shí)，母材在熔融狀態(tài)下，鋅蒸汽的汽化逃逸，會(huì)造成氣孔、凹坑、飛濺等質(zhì)量缺陷，因此在激光飛行焊工序之前，通常涉及凸點(diǎn)工序，在母材之間創(chuàng)造（0.15±0.05）mm的間隙，作為鋅蒸汽的自由逃逸通道。由于凸點(diǎn)工藝的設(shè)計(jì)，焊縫鍍鋅鋼板搭接法蘭邊的最小有效搭接寬度至少為5 mm以上，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 激光飛行焊和凸點(diǎn)工藝

圖7 I型焊縫法蘭邊寬度示意

4 激光焊接技術(shù)的前瞻發(fā)展動(dòng)態(tài)

近年來(lái)，在白車(chē)身輕量化發(fā)展的趨勢(shì)下，越來(lái)越多的鋁合金零件在白車(chē)身上應(yīng)用；同時(shí)伴隨智能制造、工業(yè)4.0的發(fā)展契機(jī)，各主機(jī)廠對(duì)高效、優(yōu)質(zhì)、智能的連接工藝技術(shù)不段追求和探索，使得激光焊接技術(shù)在白車(chē)身制造領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，持續(xù)拓展應(yīng)用邊界和應(yīng)用深度，呈現(xiàn)出百花齊放的狀態(tài)。

4.1 連接工藝探索出新

在傳統(tǒng)填絲焊接、非填絲熔焊工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行演變、創(chuàng)新，配合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化，發(fā)掘探索多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用形式。

4.1.1 車(chē)門(mén)窗框-角接激光飛行熔焊

鋁合金零件在車(chē)門(mén)總成上的應(yīng)用，由于鋁合金材料更為活潑，傳統(tǒng)的激光飛行焊并不適用窗框位置的焊接，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的焊縫凸起、飛濺、凹坑等質(zhì)量缺陷。在此背景下，角接激光飛行焊成為車(chē)門(mén)窗框焊接的最佳解決方案，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化改搭接結(jié)構(gòu)為角接結(jié)構(gòu)，配合工藝技術(shù)的創(chuàng)新，能在保證連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，獲得良好的表面質(zhì)量，并通過(guò)縮短法蘭邊寬度進(jìn)一步降低整車(chē)質(zhì)量，助力汽車(chē)輕量化，見(jiàn)表6。

表6 車(chē)門(mén)窗框連接工藝對(duì)比表

目前該工藝在豪華品牌車(chē)型率先應(yīng)用，比如奧迪A6L、寶馬5系、奔馳C級(jí)和E級(jí)的車(chē)門(mén)窗框位置。

4.1.2 頂蓋側(cè)圍-角接激光深熔焊

當(dāng)前激光釬焊工藝在頂蓋-側(cè)圍位置的應(yīng)用已成為大眾、奧迪、通用等車(chē)企的標(biāo)配，鑒于該工藝對(duì)尺寸精度要求高、調(diào)試工作量大等特點(diǎn)，以沃爾沃為代表的車(chē)企，在該領(lǐng)域開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了角接激光深熔焊工藝。該連接工藝改卷邊對(duì)接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為角接設(shè)計(jì)，采用Permanova熔焊激光頭，搭配壓力靈活可調(diào)、隨行的單壓輪單元完成對(duì)焊接母材的夾緊，加上非接觸式光學(xué)焊縫跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別焊縫位置，見(jiàn)圖8。該工藝應(yīng)用有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

圖8 側(cè)圍-頂蓋角接激光深熔焊示意

a.縮短法蘭邊寬度，降低整車(chē)質(zhì)量；

b.不需要高精度的頂蓋-側(cè)圍卷邊對(duì)接尺寸要求，產(chǎn)品容差大，調(diào)試難度低；

c.沒(méi)有復(fù)雜的頂蓋定位夾緊工裝，省去焊接前清擦工藝，焊接過(guò)程中不添加釬料，大大降低了工程投入和運(yùn)營(yíng)成本。

4.1.3 車(chē)門(mén)折邊-激光填絲熔焊

通常，車(chē)門(mén)四周采用傳統(tǒng)的折邊工藝進(jìn)行連接，內(nèi)外板連接前涂敷折邊膠提升連接強(qiáng)度，采用機(jī)器人滾邊、模具壓邊或?qū)C(jī)包邊的形式完成外板對(duì)內(nèi)板的包覆成型。該種工藝外表面質(zhì)量相對(duì)不穩(wěn)定，且在折邊工藝后需考慮復(fù)雜的防竄動(dòng)工藝（單邊焊、感應(yīng)加熱、CMT++焊接等）來(lái)保證內(nèi)外板間的相對(duì)尺寸，加上鋁合金零件的折邊性能差，易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，目前寶馬、奔馳等豪華品牌創(chuàng)新開(kāi)發(fā)并應(yīng)用激光填絲熔焊在鋁合金車(chē)門(mén)折邊位置。首先對(duì)外板進(jìn)行預(yù)折邊變形，然后在內(nèi)板和外板形成的角接焊縫位置添加釬料進(jìn)行熔化焊接，如圖9所示。該工藝能夠省去折邊膠、折邊、防竄動(dòng)等復(fù)雜工序的同時(shí)，能夠獲得良好、穩(wěn)定的外表面質(zhì)量。

圖9 車(chē)門(mén)折邊激光填絲熔焊應(yīng)用示意

4.1.4 激光熔焊工藝多種創(chuàng)新應(yīng)用

激光熔焊工藝以其不添加釬料、掃描范圍大、非接觸加工等優(yōu)異特點(diǎn)，成為各主機(jī)廠創(chuàng)新開(kāi)發(fā)、拓展應(yīng)用場(chǎng)景的首選對(duì)象。針對(duì)焊點(diǎn)規(guī)律、密集且可達(dá)性差的位置，各主流汽車(chē)廠商嘗試并開(kāi)發(fā)多種新型激光熔焊工藝，既能有效提升加工效率，也能降低工裝夾具的復(fù)雜程度，最重要的是能夠提升整車(chē)輕量化水平，如表7所示。

表7 創(chuàng)新激光熔焊工藝應(yīng)用一覽

4.2 激光技術(shù)不斷進(jìn)步

4.2.1 三光斑激光釬焊

隨著熱鍍鋅鋼板在白車(chē)身上的廣泛應(yīng)用以進(jìn)一步提升整車(chē)的防腐性能，激光釬焊工藝應(yīng)用時(shí)，靠近接頭部位的微小污漬會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的焊接后微波問(wèn)題，噴漆后清晰可見(jiàn)。自2016年開(kāi)始，由大眾公司和Laserline合作開(kāi)發(fā)，在Scansonic AL03釬焊頭的旋轉(zhuǎn)軸后安裝“質(zhì)均化模塊”，將原本Laserline激光器傳導(dǎo)的單束激光束，通過(guò)質(zhì)均化模塊，轉(zhuǎn)換為1個(gè)主光斑-矩形光斑，左右各1個(gè)前光斑-圓形光斑。兩個(gè)前置圓形光斑可稱(chēng)之為剝蝕光點(diǎn)，對(duì)兩側(cè)待連接的熱鍍鋅鋼板進(jìn)行表面預(yù)清潔，清除表面油污、污漬，并預(yù)熱母材，在改善釬料的流動(dòng)性的同時(shí)，能夠得到更潔凈的成形狀態(tài)，有效降低微波、飛濺和凹槽問(wèn)題，緊跟其后的主光斑-矩形光斑負(fù)責(zé)完成主要的釬料熔化、連接工作。

針對(duì)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為保證釬焊的質(zhì)量和穩(wěn)定性，通過(guò)“質(zhì)均化模塊”，一方面可以精確調(diào)整兩個(gè)前圓形光斑和主矩形光斑的相對(duì)位置；另一方面可以合理分配三個(gè)光斑的能量配比。因此該方案也成為解決熱鍍鋅鋼板激光釬焊的首選方案，如圖10所示。

圖10 三光斑激光釬焊工藝示意

4.2.2 擺動(dòng)焊接

擺動(dòng)焊接是基于激光非填絲熔焊在角接焊縫應(yīng)用場(chǎng)景下的技術(shù)革新。由于沖壓件尺寸的不穩(wěn)定性、工裝夾具的定位波動(dòng)、制造過(guò)程中的誤差等因素，角接板材之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)板材間隙、焊縫位置波動(dòng)等情況，造成焊接之后出現(xiàn)氣孔、熔深不足、連接強(qiáng)度不足等問(wèn)題。

目前主流的激光飛行焊3D掃描振鏡，通過(guò)一組可移動(dòng)（控制焦點(diǎn)Z向）、兩組可轉(zhuǎn)動(dòng)（控制焦點(diǎn)X、Y向）的振鏡實(shí)現(xiàn)3維空間的自由加工。在角接焊接過(guò)程中，采用光學(xué)焊縫跟蹤系統(tǒng)掃描焊接位置，在獲得板材間隙數(shù)據(jù)結(jié)果后，通過(guò)軟件控制自動(dòng)調(diào)整Y向振鏡的擺動(dòng)振幅（采用模擬量控制0～10 V）和擺動(dòng)頻率（5～500 Hz之間），來(lái)克服板材之間的間隙（一般應(yīng)小于0.5倍的板材厚度），擴(kuò)大母材本身的熔化面積，同時(shí)攪動(dòng)熔池促進(jìn)熔融物與母材形成冶金結(jié)合，有效保證焊縫接頭的強(qiáng)度和面品質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，該項(xiàng)技術(shù)還能夠進(jìn)一步降低焊接氣孔和飛濺的產(chǎn)生，如圖11所示。

圖11 擺動(dòng)焊接在角接焊縫應(yīng)用示意

目前擺動(dòng)焊接技術(shù)已成為奔馳、寶馬、奧迪鋁合金車(chē)門(mén)窗框部位的角接激光飛行熔焊工藝中的標(biāo)配技術(shù)，并在電池托盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的角接接縫焊接中應(yīng)用廣泛。

4.2.3 激光功率自適應(yīng)調(diào)整

在角接激光飛行熔焊工藝應(yīng)用下，如果采用傳統(tǒng)的常量功率輸出，由于角接結(jié)構(gòu)獨(dú)特的產(chǎn)品特點(diǎn)，功率過(guò)小則連接強(qiáng)度不足，功率過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)過(guò)大、下層板熔透甚至熔斷的缺陷產(chǎn)生。通過(guò)采用功率自適應(yīng)調(diào)制模塊，在擺動(dòng)焊接的截面方向上配合靈活、恰當(dāng)?shù)募す夤β?，一般情況下，激光功率輸出與理想狀態(tài)下熔融截面的Z向高度成正比，來(lái)獲得理想的熔融連接接頭且不損傷母材本身，如圖12所示。

圖12 激光功率自適應(yīng)調(diào)整焊接對(duì)比圖

4.3 檢測(cè)技術(shù)同步發(fā)展

將焊接工藝過(guò)程分為焊前、焊中、焊后3個(gè)階段，各階段分別有產(chǎn)品測(cè)量、過(guò)程監(jiān)控、質(zhì)量檢查的工藝需求，如圖13所示。工藝規(guī)劃階段，需要通過(guò)充分考慮不同階段的不同需求，以最經(jīng)濟(jì)的成本投入，最簡(jiǎn)化、集成化的系統(tǒng)設(shè)備組合，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的柔性化、數(shù)據(jù)化、智能化。

圖13 激光焊接過(guò)程的工藝需求

4.3.1 焊前產(chǎn)品測(cè)量

由于單件的沖壓誤差、制造過(guò)程的不穩(wěn)定性等因素，待連接焊縫的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，通過(guò)采用不同的焊縫跟蹤手段，識(shí)別待連接接縫的實(shí)際位置，測(cè)量母材的變形狀況和母材之間的間隙，然后系統(tǒng)調(diào)整激光的聚焦位置、功率、擺動(dòng)幅度或頻率等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。目前主流的測(cè)量跟蹤手段有以下兩種。

a.填絲焊接-接觸式機(jī)械焊縫跟蹤。接觸式跟蹤系統(tǒng)是Scansonic公司的專(zhuān)利產(chǎn)品，利用焊絲做機(jī)械式傳感器并自動(dòng)補(bǔ)償。焊絲沿焊接方向行進(jìn)，接縫位置的微小變化體現(xiàn)在焊絲接觸受力的不同，通過(guò)ALO3釬焊頭上的偏擺臂實(shí)現(xiàn)焊接側(cè)向補(bǔ)償（±90°），伸縮臂實(shí)現(xiàn)焊接高度方向的補(bǔ)償（±5 mm）。

b.角接非填絲熔焊-非接觸式光學(xué)焊縫跟蹤。基于光學(xué)三角測(cè)量原理，在3D偏振鏡頭上集成激光傳感器、焊縫跟蹤攝像頭，投射激光束經(jīng)工件表面反射，由攝像頭進(jìn)行收集成像，通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算得到焊縫截面的2D截面，也就得到了焊縫的實(shí)際位置、母材之間的實(shí)際間隙，并將該數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)償，自適應(yīng)調(diào)節(jié)工具中心點(diǎn)位置，并且根據(jù)焊縫間隙變化調(diào)節(jié)焊接速度、激光功率和振鏡擺幅等參數(shù)，見(jiàn)圖14。

圖14 非接觸式光學(xué)焊縫跟蹤示意圖

4.3.2 焊中過(guò)程監(jiān)控激光焊接過(guò)程中通過(guò)記錄焊接工藝微觀過(guò)程，同步對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行記錄、監(jiān)控，有利于調(diào)試階段參數(shù)優(yōu)化、量產(chǎn)階段質(zhì)量問(wèn)題分析。

以激光釬焊工藝為例，北京奔馳汽車(chē)有限公司選配了Weldeye過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，將照明、攝像、控制模塊集成在ALO3釬焊頭上，實(shí)現(xiàn)一體化集成設(shè)計(jì)，通過(guò)高速高清相機(jī)清晰拍攝焊接反應(yīng)微觀過(guò)程，并同步記錄下焊縫編號(hào)、零件編號(hào)、激光功率、送絲速度、焊接位置等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)、焊接過(guò)程的同步可視化，如圖15所示，既能夠識(shí)別焊接過(guò)程的孔洞、漏焊等缺陷，也能在缺陷發(fā)生后進(jìn)行過(guò)程和參數(shù)重現(xiàn)，大大縮短了問(wèn)題、故障的分析解決時(shí)間。

圖15 激光釬焊Weldeye工作示意圖

4.3.3 焊后質(zhì)量檢測(cè)

針對(duì)不同類(lèi)別的連接工藝以及不同的質(zhì)量要素要求，目前行業(yè)內(nèi)呈現(xiàn)出多種高效的解決方案，能夠?qū)缚p的連接強(qiáng)度、密封性、表面質(zhì)量進(jìn)行有效的在線監(jiān)控，提升生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平的同時(shí)，能避免不良產(chǎn)品流入下道工序，同時(shí)為工人返修提供直觀便捷的指導(dǎo)。

a.激光飛行焊。一般情況下，激光飛行焊工藝并無(wú)密封性和目視質(zhì)量要求，因此該工藝的質(zhì)量檢測(cè)集中在強(qiáng)度要素上。目前北京奔馳汽車(chē)有限公司采用德國(guó)Hema公司開(kāi)發(fā)的Visir(鋼件應(yīng)用)和Visal(鋁件應(yīng)用)產(chǎn)品對(duì)激光飛行焊進(jìn)行焊后拍照檢查，通過(guò)拍攝焊縫的紅外熱影響區(qū)，與理論焊縫形狀進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別并預(yù)警強(qiáng)度缺陷。目前行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出其他兩類(lèi)主流解決方案。

Precitec公司開(kāi)發(fā)的LWM產(chǎn)品，收集焊接過(guò)程的等離子云、激光束反射、熱反射三類(lèi)過(guò)程參數(shù)信息，與批量合格產(chǎn)品的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行差異性對(duì)比，間接監(jiān)控焊縫的強(qiáng)度。

基于相干干涉成像技術(shù)，測(cè)量激光束可以直接測(cè)量焊接匙孔的底部深度，即直接測(cè)量熔深數(shù)據(jù)，目前IPG公司開(kāi)發(fā)的LDD-700屬于該類(lèi)型的代表產(chǎn)品。

b.激光填絲焊接。針對(duì)該工藝在白車(chē)身上應(yīng)用位置的不同，成品零件對(duì)強(qiáng)度、表面、密封性有不同的質(zhì)量要求。目前行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出的多種填絲焊接焊后檢測(cè)方案，但均未解決強(qiáng)度要素的測(cè)量，即無(wú)法測(cè)量釬料橋接接頭的截面輪廓。各檢測(cè)系統(tǒng)的核心思路大體一致，基于光學(xué)三角測(cè)量原理，激光束掃描待測(cè)量焊縫獲得外表面輪廓的2D成像，在連續(xù)、多幀、勻速的2D成像技術(shù)上，通過(guò)輪廓拼接技術(shù)生成3D圖像。與標(biāo)準(zhǔn)焊接截面進(jìn)行差異性比對(duì)，能夠識(shí)別飛濺、凹坑、孔洞、過(guò)切、凹槽等表面質(zhì)量及密封性缺陷。北京奔馳汽車(chē)有限公司批準(zhǔn)采用的填絲焊接檢測(cè)系統(tǒng)有兩種：EHR Tivir和W+R Ro?biscan系統(tǒng)，其中HER Tivir系統(tǒng)基于透射光原理能夠高效、精確地進(jìn)行密封性檢查，如圖16所示。

圖16 EHR基于透射光原理進(jìn)行密封性檢查

5 結(jié)束語(yǔ)

一方面，在汽車(chē)電動(dòng)化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)下，更多鋁合金材料應(yīng)用、更加靈活簡(jiǎn)潔的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)在白車(chē)身上；另一方面，國(guó)家大力發(fā)展智能制造、制造業(yè)升級(jí)，推動(dòng)制造技術(shù)的智能化、柔性化、綠色化發(fā)展。這無(wú)疑對(duì)相應(yīng)的連接技術(shù)在可行性、經(jīng)濟(jì)性、高效性、智能化和質(zhì)量保證等方面提出更高、更嚴(yán)苛的訴求，而激光焊接技術(shù)歷經(jīng)40多年的積淀、發(fā)展，伴隨著工藝設(shè)計(jì)、激光技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)度，成為此背景下的優(yōu)異解決方案，不斷拓寬應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用深度，將在白車(chē)身制造領(lǐng)域扮演越來(lái)越廣泛、越來(lái)越重要的角色。