激光角焊縫在白車身自動化生產上的可行性應用

顏劍航

摘要：隨著自動化生產要求越來越高，激光焊在汽車行業應用是越來越廣泛。文章介紹了激光焊接常用的接頭形式以及搭焊中平焊縫（穿透焊）和角焊縫（邊緣焊）的區別，介紹了兩種焊縫方法的優劣勢；并對激光角焊縫的可行性進行了分析，同時提出可行性解決的方法及實時跟蹤系統的新技術。

關鍵詞：激光角焊縫；激光邊緣焊；汽車安全件；實時跟蹤；白車身；自動化生產 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG456 文章編號：1009-2374（2017）10-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.069

1 概述

隨著自動化生產要求越來越高，更加快速地生產零件，更好保證產品的質量要求，激光焊接在汽車行業的應用越來越廣泛，因為激光焊接不僅可以減少材料的使用，從而減輕白車身的重量，并保證了強度要求，且提高了焊接的生產效率，所以有越來越多的汽車廠家將激光焊接工藝應用到實際的生產中。在白車身的激光焊接接頭形式主要有搭接焊和對接焊兩種。其中搭接焊以焊接位置區分，一般常用有兩種焊接方式：一為搭焊：平焊縫（穿透焊）；二為搭焊：角焊縫（邊緣焊）。我們來先了解兩種焊道的差異性，如圖1和圖2，平焊縫是激光光束先作用于頂板并穿透頂板從而作用于底板的焊接方式。角焊縫是激光光束同時作用于兩板的焊接方式。其中平焊縫的焊接方式在汽車地板、門蓋、側圍、總車架等零部件的應用比較廣泛，相對而言，角焊縫方式應用比較少。

2 激光角焊縫劣勢

為什么平焊縫在白車身搭焊會相對較廣，而角焊縫較少。行業內，眾所周知，激光焊對搭焊工件之間的間隙要求是比較高的，在激光焦距選擇合理的情況下，其工件之間的貼合間隙應不超過焦斑的1/3，否則將會大大地影響焊接的效果。但對于角焊縫的搭焊來說，它不僅對板材的貼合間隙有一樣的要求，而且還進一步對板材的切邊也提出了要求。

對于汽車白車身的零部件來講，通常都是采用沖壓成形的加工工藝，以白車身的A柱或B柱為例，一般的行業切邊精度在1.0～1.4mm之間，對于此類型工件的特性，我們一般選擇是低于0.6mm焦斑的激光頭，在此精度下，意味著角焊縫方法的焊接，如果是采用自動化的方式很容易造成實際焊接的位置與工件所需的焊接位置不一致，從而影響焊接質量，如果需要保證角焊縫的焊接質量，用新增加生產設備或采用新的加工方法來保證板件的加工精度，那顯然是一筆不菲的投資。這就造成了激光角焊縫實現自動化生產成本高，極大地制約了其廣泛的使用。

3 激光角焊縫優勢

雖然有其上述的制約性，但激光角焊縫也有其優勢：

3.1 材料的節省

常規的行業標準，平焊縫的焊接位置要求焊縫中心到邊緣的距離大于3mm，三層板的平焊縫要求距離大于5mm，采用角焊縫，因為外部焊接的原因，則可不需要此值，如圖1、圖2說明。以白車身的B柱零件來講，一般的材料為高強度鋼或熱成形鋼，材料價格比較昂貴，通過角焊縫的方式可以節省不少的材料成本。

3.2 不同厚度工件組合可焊范圍

激光焊在白車身通常焊接不高于3mm+3mm薄板件，如果焊接1mm+1mm的板件時采用兩種焊接工藝都是可行的。但焊接3mm+2mm的組合工件時，在激光功率合適的情況下，采用兩種焊接工藝都可以將其有效焊接在一起，且能保證強度。但在平焊縫焊接方式下，由于需要保證焊接強度，激光功率會較大，在此功率下會對頂板的表面損壞非常大，需要進行后處理，會造成有多余的工序，按汽車生產廠家的標準來說這是不能接受的。而采用角焊縫就可以保證強度同時也能兼合表面質量，在不同厚度工件組合焊應用受限制更少。

3.3 焊接功率與焊接強度

（1）要達到同樣的剪刀力等強度要求，兩者要求的d值是不同，如圖1和圖2所示，以1.5mm+1.5mm工件說明。平焊縫d≥0.8t，角焊縫d≥0.6t，A值越高，需要功率也越高，從節能角度來看角焊縫優勢更大；（2）從焊縫本身來講，由于角焊縫的結構性決于其抗剪性能高于平焊縫，也更加適合汽車白車身中A柱和B柱等重點安全件的焊接。

3.4 鍍層工件的焊接

對于有鍍層的板材來說，例如鍍鋅板，采用平焊縫焊接方式時是不能讓板材過于良好的配合，需要在板材與板材之間有一定間隙，通常在0.1～0.2mm之間，激光焊接下會產生鋅氣體，這種氣體對于焊接效果是有害的，必須有間隙使鋅氣體有效的排出，但間隙又不能過大，過大會同樣也影響其焊接效果，因此要采用一定的措施來解決問題。比如，通過改變板材的沖壓形面或控制夾具壓緊力量或增加襯墊等方法，但不管采用何種方法，都會給設計者帶來新的設計難度或需要增加額外的工裝、設備等，而外部焊接的角焊縫不需要考慮此間隙。

4 激光角焊縫自動化可行性

既然角焊縫有如此多的優勢，那有沒有辦法在不改變白車身沖壓加工工藝的情況下，使角焊縫焊接自動化生產呢？答案是有的。視覺拍照系統應用隨之而來，它能對焊接所需要的焊縫位置進行判斷，并通過相應的控制器使機器人控制激光焊接頭移動到相應的位置。但此系統也有不足之處，因為其采用方式是機器人移動到焊縫附近先進行拍照識別，再移動機器人進行焊接，不斷循環操作，直到焊接完成。相當于機器人會多移動一倍的距離，幾乎會增加一倍的生產時間。以廣汽傳祺某熱賣車型來講，對下游零部件生產廠家規劃的節拍是55s/件，可謂是一秒寸金，增加時間去采用新工藝生產，這顯然不是最優的選擇，所以對于激光角焊縫，我們需要一種更有效率的方法，使之更為自動化，隨著科技的進步，視覺實時跟蹤系統應運而生。它不僅有視覺拍照系統能對焊縫進行識別且能在識別過程中實現同時控制外部移動裝置對實際的焊縫位置進行準確焊接。現在國際上主要有Precitec、Blackbird等品牌，以PRECITCE為例，主要結構有激光焊接頭、視覺裝置、移動裝置等，如圖3。其檢測原理如如圖4。通過此方法有效地解決角焊縫對工件邊線要求高的問題，使之自動化生產更加高效率。目前有部分具有相關研發能力自動化非標廠家已經進行此焊接系統的研發集成，角焊縫自動化焊接具有很高的可行性。如圖5所示：

5 結語

隨著汽車生產自動化程度越來越高，汽車白車身在輕量化的同時也要保證強度，激光角焊縫在白車身安全零部件的使用會越來越廣泛，因為激光角焊縫的使用不僅僅進一步節省了材料的使用，同時了節省能源，并能提高白車身安全件的焊接強度，使汽車更加安全可靠。相信激光角焊縫的焊接工藝會促使激光焊接在汽車白車身焊接應用中更上一層樓。

作者簡介：顏劍航（1988-），男，廣東海豐人，廣州松興電氣股份有限公司助理工程師，研究方向：機器人自動化。

（責任編輯：王 波）