白車身頂蓋激光深熔焊的應用研究

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。激光深熔焊以其獨特的優(yōu)勢在現(xiàn)代汽車制造產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應用，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)化項目實例，詳細介紹了白車身頂蓋激光深熔焊的工業(yè)應用，為汽車制造領域提供了技術(shù)經(jīng)驗和探討空間。

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激光束能量的吸收率，從而增大了焊接能量的傳導，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；而當激光熱源撤走時，認為反沖壓力為零，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。由于母材本身會被激光嚴重熔蝕，因此保證深熔焊焊縫的質(zhì)量是一個問題，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

激光深熔焊有很多技術(shù)優(yōu)勢。激光深熔焊焊接速度快，噪聲??；激光深熔焊可焊接特殊或復雜結(jié)構(gòu)的工件；對工件局部進行加熱，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，焊接后可能需要簡單處理或無需處理；激光頭可自動調(diào)節(jié)焦距加熱，熔化帶寬，當參數(shù)和工件穩(wěn)定時，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，所以工件之間無間隙，焊縫的防腐能力很強，當采用適當?shù)暮附庸に噮?shù)后，焊縫可以不經(jīng)處理進行油漆；通過焊縫跟蹤系統(tǒng)，即Seam Tracker軟件，可以使激光束方便地尋找到焊縫，從而可以與機器人方便地合作，構(gòu)成一個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，可以顯著減少停機輔助時間，生產(chǎn)效率高；易于實現(xiàn)自動化，并能夠有效地控制光束強度和精細定位。

結(jié)合以上優(yōu)勢，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不到要求，就很容易造成焊接缺陷；激光源、激光頭及其相關系統(tǒng)的成本也較高，一次性投資相對比較大；激光深熔焊技術(shù)涉及光學、焊接、自動化系統(tǒng)工程等專業(yè)技術(shù)，因此焊接技術(shù)復雜，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)設備需要專業(yè)維護，若核心設備故障停機或損壞后其修復難度大，便無形中增加了工業(yè)成本；此外激光屬于不可見光，危險性比較大，防護等級高，工業(yè)化中需要制造企業(yè)投入特殊的安全防護設施。

激光深熔焊設備

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)通過專業(yè)驗證、批量工業(yè)化及技術(shù)改進，此激光深熔焊已形成為成熟的工業(yè)化體系和技術(shù)標準，并已經(jīng)在很多項目中使用。系統(tǒng)設備及功能如下。

（1）激光源 通過特定的方式來激勵激光活性介質(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 光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具，負責傳輸激光源發(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)過激光頭聚焦、校準等處理以后，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）機器人系統(tǒng) 可以對機器人軌跡進行編程，給出適當電氣信號，調(diào)整激光焊接參數(shù)。常用的機器人品牌有ABB、FANUC和KUKA。

（5）獨立焊接工作間 在焊接過程中，從激光焊接頭出來的激光光束功率高、能量大，會對人的身體造成很大的傷害，所以獨立焊接工作間是封閉的。

（6）自動化控制電柜 主要負責各種電氣信號的處理，控制協(xié)調(diào)激光頭、機器人和激光源的信號交換。

（7）工裝夾具 保證工件的裝配尺寸和焊縫位置的重復精度。

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

（9）系統(tǒng)設備使用率 主要有兩個指標：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，開光點與關光點各需耗損33mm/s，以2000mm左右焊縫長度為標準，純激光焊接時間大約需要20s。

2）能耗。主要能耗產(chǎn)生在激光源上，光電效率約30%，光源工作時間22s。可通過光閘來實現(xiàn)增加光源分時功能，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)各焊接若干個焊點，一般在頂蓋前側(cè)焊接2個焊點，頂蓋后側(cè)焊接2～4個焊點來確定頂蓋相對于車身的位置，此時焊接質(zhì)量較穩(wěn)定。

（11）成形機 成熟的車身成形機構(gòu)可以使底板、側(cè)圍、橫梁、后隔板及后圍板拼接成形，既完成了白車身殼體主體框架，也完成了車身主體尺寸的控制。激光深熔焊的特點決定其對于工件裝配的間隙有嚴格的要求和比較高的敏感度，成形機的主要功能就是能夠有效保證白車身的幾何尺寸，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，可以在焊接過程中實時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，它利用一個攝像機觀察焊接過程，每秒采集100幀的錄像，這款軟件可以通過機器人來控制，并且可以通過Profibus和Interbus進行信息交流，機器人在焊接過程中也將接收診斷信息，這款軟件可以記錄焊接過程中參數(shù)變化量的值，但是每次只記錄焊接過程的最后30s的變化量，最后保存為AVI文件。

在機器人編程和校驗軌跡的時候，Seam Tracker 軟件可以提供給我們很大的幫助，可以通過觀察實時錄像來控制軌跡點的位置、高度、翻轉(zhuǎn)角和旋轉(zhuǎn)角。

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

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，通過照相機拍照顯示的圖片如圖4所示。圖片通過圖像處理計算機發(fā)送給伺服單元，然后激光頭通過軸的旋轉(zhuǎn)進行焊縫跟蹤。

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可以被看作是一個控制反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖5所示。由激光頭上照相機進行錄像，焊縫跟蹤軟件進行圖像測量，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，照相機進行拍照記錄軌跡，然后進行圖像測量，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，因為鋅會在溫度急劇升高時發(fā)生汽化現(xiàn)象，鋅蒸汽如果沒有空間逃離出去，會在焊縫形成匙孔（見圖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）光斑直徑的選取應與焊縫寬度相匹配。

3）激光頭壓輪壓力應合適，過大容易壓塌頂蓋的9°角，過小則焊接結(jié)果容易變成鋸齒狀，如圖7所示。一般應根據(jù)頂蓋在壓輪壓力的作用下會有一個應力的增加，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逐漸增加，一般從1.1bar（1bar=105Pa，下同）開始，每10cm增加0.1bar，依次遞增。

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

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

6）激光頭在焊接過程中，焊接光束應時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）激光頭焊接速度應合適。過大則會出現(xiàn)焊接不牢固的現(xiàn)象，過小則會發(fā)生焊接時進行切割現(xiàn)象。

8）在激光焊接之前，應進行預焊接檢驗，即檢測Seam Tracker軟件的狀態(tài)，若預焊接過程焊接跟蹤軟件系統(tǒng)沒有報警和報錯，即可進行激光深熔焊接工作。

9）在預焊接工作過程，應適當減小激光頭壓輪壓力，以免過大的壓力對車頂蓋與側(cè)圍的9°角造成破壞，影響激光焊接質(zhì)量。

10）在預焊接工作過程，應根據(jù)焊縫形態(tài)適當改變機器人軌跡，以減小焊縫形態(tài)的變化對焊接質(zhì)量的影響。

11）在進行白車身激光深熔焊之前，先對試片進行焊接（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

車身件設計工藝要求

車身件頂蓋尤為重要，一般認為車頂蓋是車外覆蓋件成形性最好的，實際不然，因車型等級的高低其成形性難度隨之以10倍級增加，其質(zhì)量優(yōu)劣首先要看頂蓋這張整曲面的剛度、強度及其表面質(zhì)量（有無暗坑、劃傷、滾線和沖擊線等），并要滿足產(chǎn)品設計的要求。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。

在車頂蓋的整個工藝設計過程中始終圍繞著滿足曲面來設計，使曲面具有足夠的強度、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°角為標準（見圖10），這樣焊接過程中的鋅蒸汽就不會影響到焊接質(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（見圖11），此時進行激光深熔焊就會對焊縫質(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于標準位置發(fā)生了傾斜，即焊縫位置與標準焊縫位置發(fā)生了差異，則有可能會影響機器人原始軌跡，若此時按照機器人原始軌跡來進行焊接，則焊縫跟蹤軟件有可能捕捉不到焊縫或捕捉到錯誤的焊縫，導致激光焊接焊偏，或者焊縫跟蹤軟件報錯。

結(jié)語

通過對白車身頂蓋深熔焊所做的應用研究，詳細探討了激光深熔焊的工藝、設備、軟件、質(zhì)量控制以及車身件設計工藝要求，為中國汽車產(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產(chǎn)汽車的激光焊接質(zhì)量，并可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。