激光填絲熔焊技術(shù)在白車身制造中的應(yīng)用

北京奔馳汽車有限公司(100176)

薄春雨

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激光填絲熔焊技術(shù)在白車身制造中的應(yīng)用

北京奔馳汽車有限公司(100176)

薄春雨

介紹了基于碟片片式固體激光器和自適應(yīng)式激光聚焦系統(tǒng)開發(fā)的激光填絲熔焊系統(tǒng)組成、工藝過程特點(diǎn)及質(zhì)量監(jiān)控方案，分析了過程/產(chǎn)品質(zhì)量問題的原因和對策。結(jié)果表明，通過優(yōu)化送絲機(jī)構(gòu)、夾具、零件、機(jī)器人軌跡及線纜捆綁方案，可解決粘絲問題。通過優(yōu)化光斑尺寸、透光隔板形式、維保方案，可控制焊接飛濺。通過對激光光束、送絲機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、板材間隙等過程變量進(jìn)行不同組合的優(yōu)化及制定系統(tǒng)的維保方案，可有效解決焊縫背部凹陷、焊縫氣孔/孔洞、焊縫偏移、焊縫熔深不足等問題。

激光填絲熔焊 碟片式固體激光器 自適應(yīng)式激光聚焦系統(tǒng) 過程/產(chǎn)品質(zhì)量問題解決方案

0 序 言

激光焊是以聚焦的激光束作為能源轟擊工件所產(chǎn)生熱量進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法，具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實現(xiàn)自動控制、無后續(xù)加工等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于白車身制造領(lǐng)域[1-4]。在奔馳車身制造工藝中，基于TRUMPF Trudisk 碟片式激光器、SCANSONIC ALO3自適應(yīng)式激光聚焦系統(tǒng)開發(fā)的激光填絲熔焊技術(shù)，結(jié)合了激光焊技術(shù)和填絲熔焊技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，展示出效率高、強(qiáng)度高和焊縫成形美觀等特點(diǎn)，在車身前縱梁區(qū)域得到了應(yīng)用。

文中主要對激光填絲熔焊技術(shù)的系統(tǒng)組成、工藝過程特點(diǎn)及質(zhì)量監(jiān)控方案進(jìn)行了介紹，并針對制造過程中出現(xiàn)的各類過程和產(chǎn)品質(zhì)量問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，提出了針對性的解決方案。

1 激光填絲熔焊技術(shù)

1.1 激光填絲熔焊系統(tǒng)組成

激光填絲熔焊系統(tǒng)主要由激光源、激光聚焦系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、激光房、機(jī)器人、PLC、送絲系統(tǒng)、激光焊質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、激光功率檢測系統(tǒng)和壓縮空氣單元組成。圖1為激光填絲熔焊系統(tǒng)工作原理示意圖。碟片式固體激光器和自適應(yīng)式激光聚焦系統(tǒng)是該系統(tǒng)的兩大亮點(diǎn)。

圖1 激光填絲熔焊工作原理示意圖

與其它類型激光器相比較，碟片式固體激光器的優(yōu)勢主要包括：①光電轉(zhuǎn)換率高，可達(dá)30%，與老式的燈棒式激光器相比，高了近10倍；②光束質(zhì)量高，其光束參數(shù)積[5](光束質(zhì)量評價因子，等于激光束束腰半徑與發(fā)散半角的乘積，數(shù)值越小，光束質(zhì)量越高)可達(dá)4 mm·mrad，優(yōu)于燈棒式或半導(dǎo)體激光器的光束參數(shù)積(>24 mm·mrad)；③ 維修成本低，無論光學(xué)系統(tǒng)還是電器系統(tǒng)都可以更換單個備件，而光纖及半導(dǎo)體激光器一旦損壞，只能整體更換光源；④使用光纖引導(dǎo)輸出，實現(xiàn)柔性加工和自動化生產(chǎn)；⑤閉環(huán)功率控制，輸出能量波動在1%以內(nèi)。

SCANSONIC ALO3自適應(yīng)式激光聚焦系統(tǒng)的自適應(yīng)功能：焊接過程中，如待焊板件Z向存在尺寸波動，傳感器臂將相關(guān)信息通過控制模塊傳遞至自適應(yīng)聚焦模塊，自適應(yīng)聚焦模塊將參照傳感器臂的移動方向重新調(diào)整聚焦點(diǎn)，實現(xiàn)聚焦點(diǎn)始終在施焊表面的目的。送絲系統(tǒng)與激光聚焦系統(tǒng)相對定位固定，以確保送絲位置和角度始終與激光束焦點(diǎn)重合。

1.2 激光填絲熔焊工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

激光填絲熔焊的工藝特點(diǎn)[4]主要為：利用焊絲的填充作用，彌補(bǔ)高溫焊接時材料的燒損，并避免激光能量的損失，從而獲得更高的焊縫強(qiáng)度。在焊接過程中，鍍銅碳鋼焊絲與母材同時熔化后達(dá)到原子間結(jié)合，成為保證焊縫強(qiáng)度的又一條件。在奔馳白車身制造中，激光填絲熔焊主要應(yīng)用于車身前縱梁區(qū)域搭接，如圖2所示，標(biāo)識區(qū)域為激光填絲熔焊焊縫。

圖2 車身前縱梁區(qū)域激光填絲熔焊焊縫(標(biāo)識區(qū)域)

1.3 激光填絲熔焊質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

在自動化填絲熔焊應(yīng)用過程中，分別應(yīng)用“焊接眼”在線過程監(jiān)控系統(tǒng)和E.H.R.焊縫質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)對焊接質(zhì)量進(jìn)行實時在線監(jiān)控。其中，“焊接眼”在線過程監(jiān)控系統(tǒng)集成在激光聚焦系統(tǒng)上，用于自動監(jiān)控激光填絲熔焊焊接過程。在焊接過程中，該系統(tǒng)以高分辨率拍攝焊縫表面形貌和激光束周圍焊接區(qū)域，每秒鐘可記錄300幅照片。將采集到的照片連續(xù)放映，形成實際焊縫形貌，并與預(yù)置的參考焊縫形貌作對比，實時檢測質(zhì)量缺陷。該系統(tǒng)可在焊接前測量焊縫間隙寬度，自動在線檢查焊縫-焊絲的位置。圖3為E.H.R系統(tǒng)檢測原理示意圖。E.H.R.焊縫質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要用于在線焊后質(zhì)量檢測。焊接完成后，對焊段質(zhì)量進(jìn)行檢測，主要利用查收光的傳輸來檢測激光焊段是否有穿透型孔洞，以防止這些部位漏水。

圖3 E.H.R.系統(tǒng)工作原理示意圖

2 填絲熔焊質(zhì)量問題解決方案

在激光填絲熔焊焊接過程中，相關(guān)的質(zhì)量問題主要包括過程質(zhì)量問題和產(chǎn)品質(zhì)量問題兩方面。

2.1 過程質(zhì)量問題

2.1.1 粘絲問題

粘絲指生產(chǎn)過程中焊絲偏離預(yù)設(shè)軌跡焊接到板件非預(yù)設(shè)焊縫位置或夾具上的情況。粘絲問題的產(chǎn)生原因和對應(yīng)解決方案主要有以下幾種：

(1)送絲問題。送絲機(jī)構(gòu)出現(xiàn)因送絲管接頭損壞等問題造成送絲控制與機(jī)器人移動不同步，焊絲偏離預(yù)設(shè)軌跡，形成粘絲。圖4為生產(chǎn)過程中出現(xiàn)粘絲缺陷。“焊接眼”監(jiān)控表明，在焊接過程中送絲速度不恒定，呈逐漸下降趨勢，激光功率停止時送絲速度依然存在。進(jìn)一步檢查送絲系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)送絲管接頭折斷，導(dǎo)致特定位置處送絲管折彎角度過大造成窩絲，在機(jī)器人駛離焊縫時送絲無法及時停止，過多的送絲偏離到上板與夾具處，引發(fā)粘絲問題。更換送絲管后，此問題得到解決。

圖4 送絲管接頭損壞導(dǎo)致粘絲問題

(2)零件變形導(dǎo)致零件未正確定位到夾具中，焊接位置在零件上發(fā)生偏移，焊接到單板或夾具上。對造成零件變形的積放式輸送板進(jìn)行優(yōu)化，解決了此問題。

(3)送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡被破壞。送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡，是用于追蹤焊絲Y向(垂直于焊縫方向)定位的力。設(shè)備日常維護(hù)時，如氣管捆綁過緊，導(dǎo)致在特定位置給旋轉(zhuǎn)軸一個很大的側(cè)向力，破壞送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡，也將出現(xiàn)焊絲偏出而焊接到夾具上的情況。為避免此類情況，在調(diào)試機(jī)器人軌跡時，需要對完整的激光聚焦系統(tǒng)運(yùn)行軌跡進(jìn)行試驗，確保在完整焊接過程中線纜和氣管無過度張緊的狀態(tài)，保證送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡處于正常狀態(tài)。

2.1.2 焊接飛濺問題

生產(chǎn)線投產(chǎn)初期，焊接飛濺較多，造成焊接質(zhì)量缺陷和激光聚焦系統(tǒng)二級保護(hù)鏡片消耗量過大的問題。焊接飛濺問題的解決方案如下：

(1)優(yōu)化光斑尺寸。試驗表明，當(dāng)光斑直徑減小到1.5 mm，鍍鋅層燒損量變小，飛濺減少。同時，激光功率密度增加，焊縫熔深增大，焊接質(zhì)量得到提升。

(2)改進(jìn)透光隔板。原透光隔板中光圈形狀如圖5a所示，光圈尺寸較大，對下方飛濺阻擋能力弱。通過計算得到保證激光以及導(dǎo)航光通過隔光板的最小透光孔直徑為18 mm，據(jù)此制作了新的隔光板，如圖5b所示。在保證透光能力的基礎(chǔ)上，減小光圈尺寸，增強(qiáng)對飛濺的阻擋作用。

(3)優(yōu)化設(shè)備維護(hù)方案。定期清理維護(hù)通風(fēng)設(shè)備，改善激光房內(nèi)煙塵大的問題。定期更換送絲內(nèi)襯管， 每天清潔氣刀和絲嘴，除去浮塵和焊渣；每天檢查、清潔、保養(yǎng)激光聚焦系統(tǒng)，并在無法穩(wěn)定工作時更換。

圖5 通過改變透光隔板降低飛濺

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量問題

2.2.1 焊縫背部凹陷

焊縫背部凹陷[6-7](圖6)的潛在原因和對策如下：

(1)激光功率過高，導(dǎo)致焊接熱輸入量過大，焊縫背部過燒而產(chǎn)生凹陷。解決方案為通過試驗確定最優(yōu)激光功率。

(2)焊絲與光斑位置偏差，導(dǎo)致焊絲偏出，預(yù)設(shè)焊縫位置因焊絲填充不足造成焊縫背部過燒，產(chǎn)生凹陷。解決方案為重新調(diào)試光斑軌跡或焊絲尖端軌跡，確保焊絲與光斑位置始終保持重合。

(3)板材間隙過大，焊絲熔化優(yōu)先填充到板材間隙，造成對應(yīng)位置焊絲填充不足，產(chǎn)生凹陷。解決方案為通過板材單件尺寸優(yōu)化降低板材間隙，或通過增加送絲量加大熔敷金屬厚度以吸收能量，減少母材熔化。

圖6 焊縫背部凹陷

2.2.2 焊縫氣孔、表面孔洞

焊縫氣孔[8-9]、表面孔洞(圖7)的潛在原因和對策主要有：

(1)氣孔。板材間隙過小(<0.15 mm)，導(dǎo)致板材表面蒸發(fā)的鋅蒸氣無法排出形成氣孔。解決方案為減少夾具夾緊力，增加夾具夾緊間隙，調(diào)整上、下板材間隙至最佳(0.15～0.20 mm)，為鋅蒸氣的排出創(chuàng)造條件。

(2)表面孔洞。焊絲與光斑位置偏差，焊絲偏出位置過度燒損，造成焊縫孔洞。解決方案是調(diào)整焊絲與光斑位置對中度。另外，激光功率密度過高，導(dǎo)致焊縫過度燒損形成孔洞，解決方案是優(yōu)化激光功率密度。

圖7 焊縫氣孔

2.2.3 焊縫偏移

焊縫偏移缺陷(圖8)的潛在原因和對策主要有：

(1)焊絲與光斑位置發(fā)生偏差，焊絲偏向上板或下板方向，導(dǎo)致焊縫在單板上成形，造成焊縫偏移缺陷。解決方案為優(yōu)化送絲軌跡。

(2)送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡被破壞，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生角度偏差，光斑和送絲位置同步發(fā)生偏差。解決方案為優(yōu)化線纜布線，避免機(jī)器人運(yùn)行時因線纜張緊破壞送絲機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸力平衡。

(3)光斑過小，功率密度過高，光斑僅能對中到單板而形成焊縫偏移。解決方案為優(yōu)化光斑尺寸。

圖8 焊縫偏移

2.2.4 焊縫熔深不足

焊縫熔深不足的潛在原因和對策主要有：

(1)外觀可見的焊縫表面凹陷、氣孔、焊縫偏移都會造成焊縫熔深不足。解決方案為參照上述方案對相關(guān)缺陷進(jìn)行改進(jìn)。

(2)光斑尺寸過大或激光聚焦系統(tǒng)保護(hù)鏡片污染、開裂，致使激光功率密度不足，造成焊縫熔深過淺。解決方案為優(yōu)化光斑尺寸或清潔、更換激光聚焦系統(tǒng)保護(hù)鏡片。

3 結(jié) 論

(1)通過對送絲機(jī)構(gòu)、定位夾具、零件變形、機(jī)器人軌跡及線纜捆綁方案設(shè)計等進(jìn)行控制和優(yōu)化，可有效解決焊接粘絲問題。

(2)通過優(yōu)化光斑尺寸、改進(jìn)透光隔板形式、優(yōu)化維護(hù)保養(yǎng)方案，可有效控制焊接飛濺問題。

(3)通過優(yōu)化激光參數(shù)(功率、光斑位置/尺寸)、送絲系統(tǒng)(焊絲尖端位置、送絲量)、夾具系統(tǒng)(夾緊力、夾緊間隙)、板材間隙等變量，可有效解決焊縫背部凹陷、氣孔、表面孔洞、焊縫偏移等問題。

[1] 潘際鑾，鄭 軍，屈岳波. 激光焊技術(shù)的發(fā)展[J]. 焊接，2009(2)：18-21.

[2] 陳 健，蘇金花，張毅梅. 《中國制造2025》與先進(jìn)焊接工藝及裝備發(fā)展[J]. 焊接，2016(3)：1-5.

[3] 王春生，劉慶祝. 焊接技術(shù)在軌道客車制造行業(yè)的推廣[J]. 焊接，2015(1)：1-6.

[4] 張 屹，李時春，金湘中，等．鍍鋅鋼板激光焊接關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47(7)：1401．

[5] 牛 奔，王寶華，郭渭榮，等. 基于光參數(shù)積的半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量描述與評價[J]. 中國激光，2015(2)：22-28.

[6] 張麗芳，趙澤洋，李坊平，等. 工藝參數(shù)對激光焊絲搭接焊成形的影響[J]. 應(yīng)用激光，2015,35(1)：72-76.

[7] 孟云飛，葉 兵,李 翠，等. 430鐵素體不銹鋼光纖激光填絲焊接工藝研究[J]. 焊接，2016(10)：28-33.

[8] 滕 彬，楊海鋒，王小朋，等. 激光小孔型氣孔產(chǎn)生原因及抑制方法[J]. 焊接，2015(9)：34-37.

[9] 王詩洋，王旭友，滕 彬，等. 激光全熔透工藝參數(shù)對不銹鋼焊接氣孔率的影響[J]. 焊接，2015(6)：30-34.

2016-06-21

TG456.7

薄春雨，1981年出生，碩士，高級工程師。主要從事白車身制造技術(shù)/質(zhì)量控制方面的研究，已發(fā)表論文5篇。