不等厚激光拼焊板焊縫不一致問題研究

陳 東，夏慧超，武廣濤，李 江

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

1 引言

激光拼焊是指將幾塊不同厚度（或不同材質(zhì)、不同涂層）的鋼板在沖壓成形前用激光對焊在一起，然后再進(jìn)行成型的技術(shù)［1］。傳統(tǒng)車身制造中，在強(qiáng)度要求較低的部位仍然使用同一厚度的鋼板，增加了車身重量。采用不等厚板激光拼焊技術(shù)以后，焊接中可以按照強(qiáng)度需求合理分配鋼板厚度，保證了對重要位置的強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了車身重量的降低［2-3］。

轎車白車身制造對激光拼焊板的焊縫質(zhì)量有明確要求，對焊縫凹陷、錯(cuò)配、咬邊等缺陷有嚴(yán)格限制［4］，在高端轎車上，對焊縫不一致問題也提出了明確要求，在該指標(biāo)上國產(chǎn)激光拼焊板和國外同類產(chǎn)品相比還存在一定差距。焊縫不一致問題即在焊縫長度方向上不同位置的焊縫截面形狀和尺寸不一致，如圖1 所示。焊縫不一致問題會引起焊縫強(qiáng)度不均，導(dǎo)致在沖壓過程中焊縫移動變形失穩(wěn)。為提高激光拼焊板的焊縫質(zhì)量，文獻(xiàn)中提出了碾壓技術(shù)［5］、過盈量補(bǔ)償機(jī)制［6］、固定偏移量補(bǔ)償方法等多種方法，這些方法對于解決焊縫凹陷、錯(cuò)配［7］、咬邊［8］等問題起到了較大作用，但對于解決焊縫不一致問題效果并不理想?；谶@一背景，這里分析了焊縫不一致問題的成因，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。

2 焊縫不一致問題的檢測

焊縫不一致問題可以通過在線檢測焊縫上、下表面的寬度來評估，該方法效率高、但無法得到截面形狀。實(shí)驗(yàn)室中通常采用如下方法檢測焊縫截面形狀和金相組織：沿焊縫長度方向截取若干截面，打磨平整后對截面的形狀和尺寸進(jìn)行測量和比較，該方法是破壞性的，僅適用于抽樣檢測。焊縫不一致問題的具體要求為：每個(gè)截面的背寬比（焊縫的背面寬度和上表面寬度之比）應(yīng)在（0.8～1.2）之內(nèi)；各截面的平均焊縫寬度與標(biāo)準(zhǔn)焊縫寬度的相對差值在（-10～10）%之內(nèi)；不允許出現(xiàn)較大的焊縫凹陷、焊縫懸垂等缺陷。

對某激光拼焊板的檢測結(jié)果，沿焊縫長度方向截取了三個(gè)截面，如圖1所示?？梢钥闯龈鹘孛娴男螤詈统叽绱嬖诿黠@差異，截面1背寬比超標(biāo)，截面3下表面出現(xiàn)了明顯懸垂，該試件存在焊縫不一致問題。在本次抽檢的20個(gè)試件中，6個(gè)試件出現(xiàn)了焊縫不一致問題，占比達(dá)28%，可見焊縫不一致問題亟待解決。

圖1 焊縫不一致問題Fig.1 Weld Uneven Problem

3 焊縫不一致問題的成因

3.1 間隙與焊縫截面形狀

3.1.1 對接間隙的成因

激光拼焊前通常對鋼板接邊進(jìn)行精剪加工，再進(jìn)行自動對接（定位），對接后對接端面間會產(chǎn)生對接間隙，試驗(yàn)和分析表明間隙主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

（1）加工誤差

加工誤差是形成間隙的主要原因之一，激光拼焊前鋼板接邊通常采用精剪加工提高其直線度，精剪加工的直線度誤差為0.15mm/m左右，因此對于1m長的激光拼焊板，對接后可能形成（0～0.3）mm的不均勻間隙。

（2）定位誤差

鋼板接邊在生產(chǎn)線上經(jīng)自動定位工序完成焊前對接，由于定位銷位置誤差、定位機(jī)構(gòu)剛度及鋼板表面油污等不確定因素的影響，定位后并不能保證鋼板接邊完全接觸，因此會增大前述間隙。

（3）夾緊誤差

受夾緊系統(tǒng)的機(jī)械制造誤差與剛度的影響，夾緊的過程中并不能保證夾緊力完全垂直作用在鋼板上［9］，這就導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)及鋼板的變形，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了間隙。

綜上，在激光拼焊中，間隙的形成受多種因素影響，其中接邊直線度誤差占的權(quán)重最大，結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)可知：在現(xiàn)行的生產(chǎn)工藝條件下，激光拼焊板沿長度方向可能存在間隙的范圍為（0～0.35）mm/m。

3.1.2 間隙與截面形狀的關(guān)系

由于激光光斑直徑很小0.6mm，焊接時(shí)能夠熔化的金屬范圍有限，因此激光拼焊對焊接前的對接間隙比較敏感，間隙過大將導(dǎo)致漏光及熔化金屬量不足，而熔化的金屬體積與形成的焊縫截面形狀直接相關(guān)。為驗(yàn)證間隙對焊縫形狀的影響，對厚度配比為1.0mm 和1.5mm 的不等厚鋼板（DC06）進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊前對鋼板接邊進(jìn)行了精銑加工，通過手工對接、塞尺調(diào)整的方式得到了0mm、0.1mm和0.2mm三種間隙，焊接時(shí)的激光功率、焊接速度和離焦量分別為3.0kW、3.5m/min、-1mm。焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示?？梢钥闯霾煌g隙下的焊縫寬度和截面形狀截然不同，0間隙情況下焊縫較寬且束腰不明顯，0.1mm和0.2mm間隙下焊縫寬度減小同時(shí)出現(xiàn)束腰和明顯焊縫凹陷。從中可以看出，間隙直接影響焊縫形狀。

圖2 不同間隙下的焊縫形狀Fig.2 Welds Cross-Section Shape in Different Gaps

3.2 不均勻間隙導(dǎo)致焊縫不一致問題

由于引起間隙的誤差是非線性的，導(dǎo)致定位工序后形成的間隙也是不均勻的。在激光功率、焊接速度、離焦量等參數(shù)不變的前提下，激光能夠熔化的焊縫寬度是接近的，變化的間隙會導(dǎo)致不同位置實(shí)際熔化的金屬體積不同，從而引起焊縫截面形狀和大小的變化，因此不均勻的間隙是引起焊縫不一致問題的主要原因。

4 補(bǔ)償方法研究

4.1 偏移量對間隙的補(bǔ)償作用

激光拼焊過程中激光將厚板和薄板靠近對接中心一定范圍內(nèi)的金屬熔化，厚板上方熔化的金屬在重力及表面張力的作用下會向間隙及薄板上方流動形成的焊縫，如圖3所示。

圖3 偏移量對間隙的補(bǔ)償作用原理圖Fig.3 Schematic of Offset Compensation Effect for Gaps

如果焊接時(shí)將激光中心向厚板側(cè)偏移（正偏移量），雖然沒有改變總的熔化寬度，但增加了厚板的熔化寬度，客觀上增加了熔化金屬的總量，因此可以在一定程度上補(bǔ)償間隙的影響，從而得到更理想的焊縫形狀。

4.2 固定偏移量補(bǔ)償方法

采用正偏移量可以增加熔化金屬的總量，從而對間隙起到補(bǔ)償作用，在目前的激光拼焊焊接工藝中采用的是的固定偏移量補(bǔ)償方法，如圖4所示。

圖4 固定偏移量補(bǔ)償方法原理Fig.4 Schematic of Fixed Offset Compensation Method

在該方法中偏移量的確定是基于對平均焊縫間隙的估算，在大批量生產(chǎn)中通過試焊接的方法來確定具體的偏移數(shù)值，該數(shù)值確定后在整個(gè)焊接過程中不變。該方法雖然在一定程度上減小了間隙的不良影響，但并沒有改變間隙不均勻的事實(shí)，因此并不能解決焊縫不一致問題。

4.3 動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法

變化的間隙導(dǎo)致了焊縫不一致問題，而固定偏移量補(bǔ)償方法并沒有解決該問題，因此這里提出了一種動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法。

動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法基于對間隙大小和中心位置的實(shí)時(shí)跟蹤測量。在激光頭前方設(shè)置焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫跟蹤系統(tǒng)由視覺傳感器、處理器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起固定在X向直線跟蹤單元上，可以實(shí)時(shí)檢測間隙大小和焊縫中心位置，如圖5所示。

圖5 含焊縫跟蹤系統(tǒng)的焊接單元Fig.5 Welding Unit with Seam Tracking System

動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法，即在不同的焊縫位置，根據(jù)實(shí)際間隙的大小和焊縫中心的位置實(shí)施精確的偏移量補(bǔ)償。實(shí)施偏移量補(bǔ)償需要確定間隙與偏移量的關(guān)系，式（1）體現(xiàn)了間隙與偏移量及板厚的關(guān)系，式（2）依據(jù)薄板的熔寬限制，確定了偏移量的極限值［10］。

式中：P—偏移量；

Pmax—最大允許偏移量；

T1、T2—厚板、薄板的厚度；

G—間隙寬度（變量）；

W—焊縫寬度；

δmin—薄板最小允許熔化寬度。

為提高補(bǔ)償?shù)目煽啃?，將?shí)際采用的偏移量P’擴(kuò)大5%，同時(shí)將其許用值[Pmax]減小5%，見式（3）。

動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法原理，如圖6 所示。根據(jù)實(shí)際的焊縫中心位置和間隙大小，通過式（1）、式（2）確定該位置需采用的理論偏移量，使用式（3）、式（4），確定實(shí)際偏移量及激光的實(shí)際走形路徑y(tǒng)(x)。

圖6 動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法原理圖Fig.6 Schematic of Dynamic Offset Compensation Method

式中：y—激光實(shí)際走行位置；

y0—設(shè)備X向中心；

Δy—焊縫中心與理論中心的誤差。

5 動態(tài)偏移量補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法的實(shí)際效果，進(jìn)行了相應(yīng)的焊接實(shí)驗(yàn)。

5.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊接材料是車用冷軋鋼板（DC06），焊縫長度400mm，鋼板的厚度為0.8mm和1.5mm，材料的基本成分，如表1所示。材料的機(jī)械性能，如表2所示。

表1 材料成分Tab.1 Material Parameter

表2 材料機(jī)械性能Tab.2 Mechanical Properties of Materials

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)在沈陽自動化研究所研制的全自動激光拼焊生產(chǎn)線上進(jìn)行，設(shè)備整體布局，如圖7所示。設(shè)備的最大功率4kW、激光波長1.06μm、光斑直徑0.6mm、焦距223mm。設(shè)備配備了焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫截面檢測設(shè)備為多目倒置金相顯微鏡（5XB-PC）。焊接單元具有三維移動功能，移動精度0.01mm，響應(yīng)速度0.2m/s。

圖7 全自動激光拼焊生產(chǎn)線Fig.7 The Automatic Laser Welding Production Line

焊接采用的工藝參數(shù)，如表3所示。

表3 焊接參數(shù)Tab.3 Welding Parameters

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法焊接了50對鋼板，結(jié)果中有3塊拼焊板出現(xiàn)了焊縫不一致問題，即焊縫不一致問題的發(fā)生率為6%（之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果為28%）。采用動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法得到的1 個(gè)合格焊件，分別是在焊縫長度100mm、200mm 和300mm處截取的三個(gè)截面，圖中各截面尺寸均勻，焊縫形狀基本一致，如圖8所示。

圖8 采用動態(tài)工藝補(bǔ)償方法的焊縫Fig.8 Welds Using Dynamic Offset Compensation Methods

6 結(jié)論

（1）在激光拼焊中，受加工誤差、定位誤差和夾緊誤差等因素影響，間隙沿焊縫長度方向是變化的，變化的間隙是引起焊縫不一致問題的主要原因。（2）偏移量影響熔化金屬的總量，正偏移量可以對間隙起到一定的補(bǔ)償作用，從而改善焊縫截面形狀。（3）依據(jù)實(shí)際間隙的大小和焊縫中心位置，采用動態(tài)偏移量補(bǔ)償方法可精確補(bǔ)償間隙，從而有效解決焊縫不一致問題。