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激光钎焊的质量控制 |
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作者：奇瑞汽车股份有限公司 何雪梅 |
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20世纪80年代中期，激光焊接技术开始被大量应用到汽车领域。自1993年德国大众首次在汽车顶盖焊接生产线中采用YAG激光焊接进行大批量生产，如今，激光焊接已经被作为一种成熟的技术应用于越来越多的汽车生产厂家。
激光钎焊及其质量评价标准
目前，应用于车身的激光焊接主要有两种方式：一种为熔焊，不需要填充物质，激光直接作用在工件表面上进行焊接，主要用于难以接近的部位，实施非接触远程焊接，如汽车四门内板分总成、B柱内板总成等工件的焊接；另一种为填充焊，即业界通常所说的“钎焊”——激光发生器发出的激光束聚焦在焊丝表面上加热，使焊丝受热熔化（母材未熔化）润湿母材，填充接头间隙，与母材结合，形成焊缝（原理见图1），实现良好的连接，主要用于汽车顶盖、行李箱盖等工件的焊接，表面质量要求非常高。
图1 激光钎焊原理
奇瑞公司A5车型的行李箱盖外板就采用了激光钎焊工艺进行焊接（设备组成见图2）。奇瑞A5的行李箱盖外板为冷轧低碳钢板，采用卷对接接头，焊缝长约1.2m，焊丝为φ1.2mm的硅青铜焊丝。
图2 激光钎焊系统的组成
激光焊接是一种高精度、高自动化、高柔性的焊接工艺，要实现完美的焊接质量，不仅需要先进的设备，更需要与之匹配的工艺参数，其加工过程中的众多参数公差范围窄，要求非常苛刻。此外，激光钎焊有着比激光熔焊更高的表面质量要求，故其焊接质量的控制难度更高。
对于车身的钎焊焊缝质量，主要的评价标准有：
1.焊缝无中断、未熔合、无连接等现象；
2.焊缝上没有气孔或仅有1～2个小孔或凹孔（转角处）；
3.焊缝两侧母材无烧损；
4.焊缝或母材上无裂纹；
5.焊缝表面光滑平整且宽度均匀，应避免呈鱼鳞状、凸型和宽窄不均；
6.焊缝与母材之间无咬边或假焊（无钎料， 母材直接熔焊）缺陷；
7. 焊缝始端与末端无钎料的堆积或缺失或残余未熔化的焊丝等现象。
结合这些质量标准，我们对实际生产中的焊缝质量控制问题进行了深入的研究和实践。
影响激光钎焊质量的因素及质量控制
在激光钎焊的项目调试及批量生产阶段，结合现场以往的各类质量问题，我们发现，影响激光钎焊焊缝质量的因素主要有送丝位置、焊接参数、母材尺寸的稳定性、焊接夹具以及焊接表面油污等，并针对这些因素进行参数优化和控制，保证焊接质量。
1.送丝位置
送丝位置是指焊丝与激光束及母材的相对位置，包括两个参数：送丝角度和焊丝高度（见图3）。
图3 送丝角度与焊缝质量
（1）送丝角度与焊缝质量
送丝角度包括两个角度：一个是焊丝与焊缝平面所形成的夹角α；另一个是焊丝在焊缝所在平面投影位置与焊缝中心线所形成的夹角β。由于钎料熔化后，熔融钎料受到焊丝界面张力作用，阻碍钎料向母材润湿铺展。当夹角α增大时，界面张力向上的分力变大，钎料所受的阻碍作用增强，使得熔融钎料的流动性变差，不易向前铺展，易聚积成小球状，不利于焊缝成形，故夹角α越小，焊缝成形越好。当夹角β增大时，界面张力偏离焊缝中心线的分力变大，钎料所受的阻碍作用增强，使得熔融钎料的流动性变差，不易向前铺展，使焊缝偏离中心线，故夹角β越小焊缝成形越好。因此，在工艺编程时，应适当控制夹角，通常α<30°、β<15°可获得良好的焊缝质量。当然实现控制夹角并获得良好焊缝质量的前提是送丝嘴不与母材发生干涉，并且机器人的动作范围可以到达此位置。
（2）焊丝高度与焊缝质量
焊丝高度是指焊丝末端距母材的距离h。由于焊丝末端熔化后会受到表面张力及重力的作用，表面张力促使熔化的钎料在焊丝末端收缩成小球状，重力的作用使熔化的钎料脱离焊丝，当h大于钎料所能形成的最大的液滴（即熔化的钎料液滴仅在重力的作用下脱离焊丝）直径时,焊缝呈珍珠状排列；当h小于钎料所能形成的最大的液滴直径并大于零时，焊接初期,钎料熔化后液滴与母材接触时并未脱离焊丝,此时，熔融的钎料受到的表面张力、重力与焊丝对它的拉力达到动态的平衡，液滴在母材表面润湿铺展的过程相对稳定。随着焊丝的送进与熔化，焊丝和熔融钎料之间的拉力不断变化，使焊接过程中的受力平衡不断遭到破坏，形成焊缝中断或气孔。试验证明，h越小，焊接过程越稳定。若h=0，并使焊丝与母材之间保持一定压力（焊丝被母材稍微抵变形），此时焊丝与母材完全接触，焊丝熔化后会立即在母材上铺展，并在重力作用下填充接头，焊接过程相当稳定，焊缝成形均匀美观，可达到最佳焊接效果。
2.焊接参数
影响激光钎焊的焊接参数主要有：光斑直径、激光功率、送丝速度和焊接速度。
(1)光斑直径
光斑的直径对钎料的铺展影响较大。光斑直径过小，激光集中在钎料上，对母材的加热不足，钎料在母材上铺展时冷却过快，使钎料不易铺展；光斑直径过大，如果激光功率不够则无法及时熔化焊丝，如果激光功率足够则会严重烧损母材。对于卷对接接头，光斑直径与焊缝宽度（填充面宽度）基本一致时，钎料的铺展较充分。例如A5车型的行李箱盖外板对接焊缝宽度为3mm左右，光斑直径调节为3～4mm，可获得良好的焊接质量。
(2)激光功率
焊丝熔化的速度取决于激光能量的大小，即激光功率。当激光功率不足时，焊丝熔化速度慢，铺展不充分，且作业时间长，生产效率低；当激光功率过大时，焊丝熔化速度快，如果送丝速度跟不上，则焊缝的铺展会间断。激光功率的最大值受设备限制，调节激光功率的大小主要考虑其与焊接速度及送丝速度的匹配。
(3)焊接速度和送丝速度
焊接速度决定作业时间的长短和生产效率的高低，所以应根据设备可提供的激光功率的大小选择适当的焊接速度以提高生产效率。通常焊接速度越快，生产效率越高，但对于半径较小的圆弧段焊缝或过渡段焊缝，过快的焊接速度产生的离心力将会阻碍熔融钎料的铺展，使焊接过程不稳定。选定了焊接速度（其最大值由机器人的性能决定）之后，需根据焊缝填充量的多少来匹配适当的送丝速度。送丝速度过快，焊缝表面会出现钎料的堆积，影响外观质量，送丝速度过慢则会使焊缝表面的出现下陷，过少的填充量会影响焊缝的焊接强度。当然，送丝速度的调节也需要同时考虑激光功率的大小。
3.其他因素
影响激光钎焊焊缝质量的其他因素主要有以下几个方面：母材尺寸的稳定性、焊接夹具和焊接表面油污等。
(1)母材尺寸的稳定性
母材的定位孔尺寸及卷对接接头的尺寸对焊接质量及其稳定性的影响极大，当这两个尺寸偏差较大时，实际的焊缝中心就会偏离理论的焊缝中心，焊丝随着焊缝中心的偏离而偏离激光束的中心，熔融钎料也会偏离焊缝中心铺展凝固，导致单侧产生气孔，接头强度降低。如果母材的尺寸偏差始终一致，则可以通过调整夹具及送丝位置来保证焊接质量。如果母材的尺寸稳定性差，则无法通过上述方法来保证焊接质量。
(2)焊接夹具对焊接质量的影响
要保证焊接质量，焊接夹具应首先保证焊缝中心的位置精度，即保证卷对接接头的位置精度。由于汽车薄板冲压件存在一定的反弹量，因此，夹具的定位夹紧点应靠近焊缝中心，并且有足够的定位夹紧力。其次，夹具定位夹紧装置应具备良好的导热性能及抗热变形性能，以保证夹具不会因长期受热变形而影响自身的精度及耐用性，或者可以在定位夹紧装置中增加冷却装置提高散热效果。其三，夹具体的固定方位应尽量使所有对接面垂直于水平面，以便熔融的钎料可以利用自身重力更好地填充对接面。
(3)焊接表面油污对焊接质量的影响
油污在焊接过程中很容易被气化形成气孔，影响焊接质量，所以母材在焊接前应处理掉焊缝表面及对接面的油污。
上述各种因素在调试和生产中都需工程技术人员密切关注，当出现质量问题时，应根据焊接缺陷的现象，分析其相关影响因素的工艺参数是否发生变化，确定产生问题的原因，采取相应措施，此外还应排除由于送丝嘴磨损、透镜磨损等机械故障原因造成的影响。
结论
根据长期生产实践跟踪和分析，送丝位置、焊接参数、母材尺寸的稳定性和焊接夹具等因素对激光钎焊的焊接质量有着决定性的影响，设置合理的工艺参数是保证低碳钢激光钎焊质量稳定性的前提。
从市场需求的角度来看，现代化汽车工业的快速发展要求汽车生产厂家在提高效率的同时提高制造质量，因而汽车厂的主要生产线都在逐渐向全自动化的方向发展，车身焊装生产线也不例外。激光焊接技术的应用正迎合了这种发展需求，不仅实现了自动化，使生产效率大幅提高，而且可以达到很高的焊接质量，实现了完美的车身外观，对汽车企业的品牌提升也发挥着重要的作用。
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(10/9/2009) |
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