激光釬焊焊接工藝影響因素分析

李興陽 周 麗

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000；2.長春建筑學院，吉林 長春 130607）

車身頂蓋和側圍激光釬焊以光束傳輸熱源，熔化釬料，連接兩基材，此種焊接方式較傳統激光釬焊需要更為嚴格的工裝夾具，以保證車身拼配，達到穩定的接頭間隙，以利于形成穩定的焊接接頭。與此同時，對涉及焊接系統內的激光焊機、焊接鏡頭、送絲系統和保護氣體等設備的穩定性要求甚高。因此，激光釬焊焊接工藝影響因素和此系統內的各個設備息息相關，只有匹配好各個設備間的運行參數和焊接工藝要求，并保證逐個環節的穩定性，才能得到合格并穩定的焊縫質量。

1 工裝夾具和板材匹配

頂蓋和側圍的搭接屬于卷接方式，且在X、Y、Z 直線系內均需保證一定的功能尺寸定位和車身匹配。側圍和頂蓋的車身定位在Y 向需要采用電機帶動直線和回轉類工裝夾具進行定位和夾持固定，機械化的傳動方式涉及氣動傳動、液壓傳動和電力傳動等；在Z 向需要對頂蓋進行下壓，以保證和側圍的貼合度，采用了真空閥傳動方式。激光釬焊的完成借助于SEF 機器人，其重復定位達到0.02mm，機器人焊接任務的完成相對于夾具屬于變位置焊接，因此，對變位機械夾具應具備如下性能：變位機械需要有較寬的調速范圍，穩定的運行速度以及良好的結構剛度；直線傳動過程中需要穩定的滑道系統，并有自鎖和軟性緩沖功能；與焊接機器人和精密焊接作業配合的傳動機構的重復定位精度控制在0.02 至0.05mm 之間；良好的水、電、氣連接和防護措施；整個結構要有良好的密閉性，以免焊接飛濺物對滑道和汽缸拉桿造成損傷；頂蓋和側圍焊接區域干凈整潔無異物，防止因灰塵造成熔池污染或損傷焊接鏡頭鏡組和真空吸盤；夾具夾頭（夾爪）在X、Y、Z方向可調，便于增減墊片，針對弧形薄板接觸夾頭采用硬樹脂材質，減少接觸沖擊力，防止零件變形；應滿足導線接地、隔磁和絕緣等方面的特殊要求。

除上述要求外，焊接夾具的設計原則和其他機械設計原則一樣，首先必須使焊接機械裝備滿足工作職能的要求，在這個前提下還應該滿足操作、安全、外觀、經濟上的要求。

2 激光功率和送絲設備

固體激光器光束可以通過光纜進行遠距離傳輸，將激光焊機和焊接工位分開以保證焊接工位封閉對操作人員的安全，這一優點正是該類型激光器得以廣泛地應用于汽車行業的原因。焊接過程中金屬對激光的吸收與激光波長、材料性質、溫度、表面狀況、偏振特性等一系列因素有關。

激光被加工材料吸收后將光熱效應轉化為熱能。在不同的激光輻射照度下，材料表面狀態將發生不同的變化，這些變化包括溫度的升高、熔化、汽化并形成小孔、產生等離子體等，材料表面物態的變化反過來又極大地影響材料對激光的吸收。綜合熱鍍鋅、釬料Cusi3 和基材碳鋼的材料性質，在保證離焦量和焊絲位置不便的情況下，激光釬焊對功率的需求在2500-3500W 之間，但這個功率需要同焊接速度和送絲速度做匹配。

激光束照射到焊絲上時，對焊絲將發生三方面的作用：一部分激光被焊絲吸收，使焊絲升溫、熔化，成為熔池的一部分；一部分被焊絲反射掉；余下的一部分則加熱焊絲熔化形成熔池后的兩側基材并通過焊絲中形成的小孔，穿透焊絲對下面的工件加熱。焊絲對激光的吸收、反射和被透射的具體形式以及三部分能量的分配比例，隨著焊接參數的變化而變化。研究表明，當送絲速度超過5m/min 后，被反射的光束能量達到一個飽和值，為光束能量的35%，而50%的光束能量被吸收，余下的15%則是透過焊絲和被金屬蒸氣等離子體帶走能量的總和。除送絲速度外，焊絲和光束位置、送絲方向、焊接速度都有交叉影響，因此，互相制約的參數選擇必須嚴格控制和匹配。

與此同時，功率的匹配需要和焊接鏡頭發射的光束同焊接區域的夾角做考慮，不同的夾角，對板材的吸收和發射率不同。該夾角對于送絲設備而言，即送絲角度，送絲角度是焊絲和板材表面的夾角，為激光釬焊的一個重要的參數。依據經驗，夾角通常選在35-45°，角度過大或過小對送絲的穩定性和準確性都是不利的。因為，為避免工件或管束的干涉，焊絲導向嘴需要安裝在距離焦點較遠的位置，使焊絲從導向嘴外伸的非導向段過長，影響Cusi3 焊絲對熔池的指向性。

焊絲同光束的相對位置是激光釬焊的一個重要參數，它不僅影響焊絲的熔化速度，而且對焊縫的成型質量也有很大的影響。理想的要求是光束焦點位于工件表面，而焊絲位于光斑的中心，此時焊縫成型最好，焊絲熔化量最大；焊絲如偏離焦點位置，無論在高度（Z 向）或橫向（Y 向，與焊接方向垂直）偏離焦點，熔化量都會下降。為確保每件焊縫起始端焊絲位于焦點中心，常采用激光切絲或切絲機切絲。

關于焊絲對激光的反射和送絲速度的關系，幾乎所有的研究均表明，隨著送絲速度的增加，焊絲對激光的反射增強。不同激光功率時送絲速度與焊絲對激光束反射比的關系，在一定激光功率下，送絲速度越高，被焊絲反射的激光功率越高，反射比也越大；而送絲速度一致時，激光功率越大，則反射比越小。例如，當入射激光功率為1kW 時，送絲速度由1m/min 增加到5m/min 時，焊絲對激光的反射比從12%增加到47%；當激光功率為5kW 時，相應的反射比曾由4%增加到9%。

3 激光焊接鏡頭和保護氣體

自適應性焊接鏡頭將激光光纜傳輸的光束進行準直聚焦后，得到所需要的的光斑和相應的功率密度，其準直和聚焦透鏡需要進行水冷，以防止鏡組漫反射造成灼燒。為了彌補焊縫在高度（Z 向）和寬度（Y 向）位置的變化，鏡頭廠家提供的焊接鏡頭在Z 向增加了壓力彈簧和直線位移傳感器；在Y 向采用電機驅動，使送絲頭部一直沿著焊縫區域導向下去。Z 向和Y 向的偏離量將通過鏡頭控制軟件反饋，以便操作者對軌跡進行修正和試教。為了保證焊接鏡頭的運行穩定性，在機器人程序編制過程中需要依據鏡頭焊接模式進行切換，尤其在鏡頭探測模式，需要較寬裕的空間并避免夾具干涉，防止鏡頭報警。在焊縫模式下，匹配合適的導向力，以適應頂蓋和側圍的搭接Y 向偏差，但需要注意，一旦±Y≧0.2mm，鏡頭Y 向電機將出現過載報警，鏡頭導向模式已超出最大工作范圍，導向功能消失并使鏡頭產生報警，此時需要人為調整頂蓋和側圍的匹配。

［1］胡倫驥.汽車板激光焊工藝研究[J].鋼鐵研究，1995（5）.

［2］陳俐.YAG/MAG 激光電弧復合焊工藝研究[J].工藝與新技術.2004（4），33（4）：21-23.

［3］Kazutoshi NISHIMOTO，and Hiroaki MORJ，Effect of Nitrogen and Solidification Mode on Hot Cracking Susceptibility in Laser Weldsof Austenitic Stainless Steels[J]，Proc.of SPIE Vol.4831：214-222.