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激光焊接及其质量控制 |
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作者：中国机械与金属 邱国平 |
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目前激光焊接在汽车行业的大量应用，说明了激光焊接技术已趋于成熟。但激光焊接技术和传统的焊接技术相比显得较复杂，质量控制环节和传统的焊接质量控制也有所不同，因此加强质量控制，对于激光焊接的发展有着重要的意义。
激光最基本的特点就是：单色性、方向性、相关性。这些独特性质加上由此而来的高亮度、超短脉冲等性质使它非常适合焊接加工。激光焊接技术在制造领域的应用由脉冲到连续，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由简单单焊缝到复杂形状，已经逐步成为一种成熟的现代加工工艺技术。
激光焊接技术在汽车工业中的应用
激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接，在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接。随着激光输出功率的提高，特别是高功率激光器的出现，激光深穿透技术在国内外都得到了迅速发展，最大的焊接深宽比已经达到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了今天的焊接镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料，激光焊接速度也达到了每分钟几十米，激光焊接技术日益成熟，并大量应用到生产线上，在汽车生产线上如车顶焊接，汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊，并已取得了巨大的经济和社会效益。
汽车激光焊接的优缺点
优点
“激光”能在一个很小的作用点上集中起非常大的能量。与传统的焊和熔焊工艺相比，这会带来很多优点：
加工精度成倍提高。激光焊缝高温区因热量的原因会发生反应。由于激光焊缝宽度相对较窄，这些较小的高温区也使得随之带来的热变形非常小。
可以实现激光焦点的功率和大小按加工要求动态地进行调节，同时对加工过程进行实时监控，实现各种各样的应用可能。
在使用固体激光器时，可以灵活地远离操作地输送激光，这样一来把能量源和加工设备从空间上分隔可以毫不困难得实现。
激光束不会带来任何磨损，而且能长时间稳定地工作。
据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50%~70%的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压，这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。由于很少变形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用车身冲压零件代替锻造零件的进程。采用激光焊接，可以减少搭接宽度和一些加强部件，还可以压缩车身结构件本身的体积。仅此一项车身的重量可减少50kg左右。而且激光焊接技术能保证焊点连接达到份子层面的接合，有效提高了车身的刚度和碰撞安全性，同时有效降低了车内噪声。
缺点
要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。
激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
激光加工的过程技术
要想使激光焊接真正发挥作用，其各个功能组之间可靠的协调工作以及对设备的安全操作和正确保养都是必不可少的。下列四种技术是现代加工技术的支柱，其相互之间可靠的功能联系以及对其全面的掌握是安全可靠地引入激光加工技术所必须的，如图1所示。
图1 激光加工的过程技术
汽车激光焊接的质量控制
汽车激光焊接的质量缺陷类型
由于汽车激光焊接过程的复杂性以及众多的影响因素，当出现加工质量下降时，无法用一个概括的原因来进行解释。一般激光焊缝轨迹的开始和结尾段被认为是最为关键的部份。以下是汽车白车身激光焊接的一些典型缺陷：
·毛孔：正常的毛孔（比微小毛孔大）的直径最大不超过1.0mm。
·微小毛孔/空洞：当毛孔的直径小于0.2mm时就是微小毛孔；当毛孔的直径大于1.0mm，就被称为空洞。
·熔焊型焊缝：在焊缝中没有焊料，焊缝的样子就像是激光熔焊焊缝。
·低劣的焊料连接：焊条未在加工件的侧面连接起来。在焊缝连接的位置处，焊缝看起来“散成一缕缕的”。
·焊料的单面连接：焊料只与一个侧面连接了起来。
·香肠现象：加工件没有连接起来，在焊缝处焊料笔直地伸展堆积。
·焊缝不规则：焊缝塌陷或凸起。
·鳞状堆积：焊缝表面不光滑，显得很粗糙。
焊缝开头/焊缝结尾问题：在加工件的边缘会出现焊缝填充不足或过剩的现象，或者是在轨迹上发现有未熔化的焊条残余。
汽车激光焊接的质量影响因素
白车身生产中质量缺陷产生的可能原因或者说是误差源：
1）激光设备的原因：
脏了的保护玻璃镜片或激光器中老化的弧光灯都会降低激光的功率。
激光的焦点位置不正确。当激光焦点的直径太小时，太多的激光能量被集中在焊条上，因此使焊料变得过热，而同时加工件的侧边却没有得到足够的加热，这样焊料就不容易流到加工件的缝隙中去。而激光焦点的直径太大时，激光能量不集中，焊不牢。
2）焊条的原因：
·焊条预热温度错误。
·焊条材料合金成分改变（这样就有可能不符合加工要求）。
·焊条引导的速度不恒定或是与激光设备加工头速度不相符。
3）其它辅助设备的原因：
·由于熔液的凝固而引起的气体分子的泄漏。
·由于程序给定错误的进给速度或是机器人速度出现波动。
4）间隙尺寸：
·被焊接零部件之间的间隙尺寸超过激光设备要求。
·汽车激光焊接的质量控制
1）设备保养：
在汽车激光焊接的质量缺陷及影响的因素中，提到了大多数质量缺陷都是由于设备故障造成的，因此日常的设备保养和维修显得尤为重要。以下总结了激光设备保养的几个要求：
·每天检测保护玻璃镜片，对损坏的镜片及时更换。
·每天需清理夹具的焊接飞溅残留物并紧固夹具的固定螺栓。
·每周检查激光器中的弧光灯，及时更换老化的弧光灯。
·对一些辅助设备例如机器人、送丝机构等等都需进行一些日常保养。
2）焊接工件的尺寸精度要求：
激光焊对焊件装配精度要求也非常高，如工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷，所以良好而精确的夹紧技术是激光焊接的保证。普通焊接对被焊接零件间的配合间隙要求在2mm左右，而激光焊接理想的情况是配合间隙越小越好，通常在白车身生产中以被焊接零件间的配合间隙0.2mm来控制。
3）车身功能尺寸的质量控制：
根据现场白车身激光焊接质量控制经验，成立一个尺寸小组对影响激光焊接质量的关键尺寸进行监控是很有必要的。尺寸小组由测量部门、生产部门、质保部门、样板部门组成。小组成员定期召开尺寸会议讨论并解决出现的尺寸偏差。测量部门需每天对关键尺寸进行测量并提供相应的报告，生产部门需及时的反馈信息，质保部门对产生的质量问题进行判定，并协同样板部门制定解决方案。
激光焊缝质量的检验及返工标准
判定激光焊缝的质量好坏一般分为非破坏性检验和破坏性检验。
1）非破坏性检验：激光焊缝非破坏性检验主要是目视检验。检验者采用一些适宜的工具如放大镜、相机、或其它测量检验工具对焊缝的存在、数量、长度、外观及位置按照图纸要求进行检查。在上面提到的激光焊接质量缺陷中，气孔、焊接飞溅、焊穿、中断的焊缝、边缘熔接等问题都是可以通过目视检验出来。在汽车白车身生产过程中要求对每一条焊缝都进行目视检验来评判它的质量。
2）破坏性检验：激光焊缝的破坏性检验分金相试验和凿击检验两种。
金相试验是通过显微镜对激光焊缝的横断面磨片进行判定的一种检验方法。常见的缺陷一般为无连接、边缘缺口、根部突起等。检验的频次取决于工艺的可靠性，实际生产中由生产部门和各主管的质保部门协商确认，每月至少一次。对由于设备故障或质量缺陷对激光参数进行调整后，必须对焊缝做金相试验评定。
凿击检验是借助凿子，使激光焊缝受力凿打直至出现断裂，然后测量断裂面（焊缝的长度和宽度）的一种检验方法。凿击检验能反映出激光焊接设备的功能可靠性，所以凿击检验一般在离生产线很近的地方进行，当焊缝被发现有不合格时，就可以通知相应工艺和维修人员。在汽车白车身生产中对所有激光焊缝以2次/月的频次检验。
3）返工方法：对通过上述各种检验方法发现缺陷的激光焊缝，需进行返工。一般汽车白车身激光焊接返工方法如下：
·电阻点焊，但电阻点焊要求有较高的接触位置或法兰边宽度，而且在这种情况下不允许焊点在激光焊缝上、点焊的焊点与激光焊缝连接在一起。当零件法兰边很短的情况下（8mm）或不能钻孔时，可在搭接处用MIG焊。
·当搭接接头成角焊缝时可使用MIG、MAG焊接。
·重新进行激光焊接，但新焊缝不允许焊在有缺陷的焊缝上，而只能焊在焊缝之间的空缺处，返工焊缝长度应与焊缝缺陷位置的长度相同。
结束语
21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性模块式生产的方式，传统加工工艺已不能满足新生产方式的需要。随着激光焊接技术及其他激光加工技术在汽车领域中的不断应用，它必将成为汽车工业中重要的加工方法之一。(end)
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(1/6/2006) |
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