激光焊代替凸焊在天窗標(biāo)準(zhǔn)件上的應(yīng)用

方锳澤， 楊黃銳

(東風(fēng)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司，武漢 430056)

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，汽車成為人們生活中非常重要的一部分。汽車行業(yè)的發(fā)展使人們對(duì)個(gè)性化功能的需求越來(lái)越凸顯，汽車天窗在汽車的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中占有的地位也逐漸提升。天窗不僅能提升整車的美觀，能提高車的透光性和透風(fēng)性，從而在滿足汽車造型的同時(shí)增強(qiáng)汽車舒適度。2017年量產(chǎn)車型的天窗配置比達(dá)到60%，2020年將提上到75%以上。上汽大眾所生產(chǎn)車型的天窗配置比達(dá)到80%，很多車型全系標(biāo)配天窗，汽車天窗已經(jīng)成為一個(gè)集外觀與功能于一體的重要部件[1-2]。

汽車天窗的必需滿足密封性能，確保在開(kāi)啟/關(guān)閉天窗過(guò)程中及日常使用中不會(huì)出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致天窗漏水，天窗加強(qiáng)環(huán)還需要保證整車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在發(fā)生碰撞、翻滾等事故時(shí)，保證車內(nèi)乘員的安全，同時(shí)具備開(kāi)閉功能的天窗，需要和車身、電機(jī)、內(nèi)飾等眾多零部件裝配，因此一個(gè)全景天窗往往涉及到十幾個(gè)大小功能不同的連接標(biāo)準(zhǔn)件，同時(shí)對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)件的連接強(qiáng)度和尺寸精度有著非常高的要求。傳統(tǒng)一般是使用電阻凸焊工藝進(jìn)行天窗加強(qiáng)環(huán)上標(biāo)準(zhǔn)件的焊接，而現(xiàn)在全景天窗的尺寸可達(dá)到2 100 mm×1 100 mm以上，使用傳統(tǒng)人工的電阻凸焊，操作困難、焊接效率低，而且難以保證凸焊螺柱的垂直度，導(dǎo)致后續(xù)整車裝配環(huán)節(jié)的困難。而激光焊接具備自動(dòng)化程度高、焊接效率高、焊接變形小、尺寸精度高、焊接強(qiáng)度高等諸多優(yōu)點(diǎn)[3-4],在高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)合金等先進(jìn)材料上和汽車領(lǐng)域運(yùn)用廣泛[5-10]。

文中嘗試使用激光焊在不同板材上，進(jìn)行不同天窗用標(biāo)準(zhǔn)件的焊接，以探究激光代替凸焊在天窗標(biāo)準(zhǔn)件上應(yīng)用的前景。

1 試驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)件：①M(fèi)8小法蘭螺母，材料22A，表面鍍鋅鎳；②M8大法蘭螺母，材料15A，表面鍍鋅鎳；③M6短螺釘，材料10B21，表面黑色達(dá)克羅處理；④M6標(biāo)準(zhǔn)螺釘，材料10B21，表面黑色達(dá)克羅處理；⑤M6長(zhǎng)螺釘，材料10B21，表面黑色達(dá)克羅處理。板材化學(xué)成分見(jiàn)表1，22MnB5熱成形鋼表面鍍AlSi涂層，DX54D+Z鍍鋅鋼板，HC340LA高強(qiáng)鋼為裸板。

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

參照實(shí)際產(chǎn)品搭配組合設(shè)計(jì)5組試驗(yàn)：①HC340LA+大法蘭螺母；②DX54D+Z+短螺釘；③22MnB5+小法蘭螺母；④DX54D+Z+標(biāo)準(zhǔn)螺釘；⑤DX54D+Z+長(zhǎng)螺釘。使用Rofin光纖激光焊接平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高效遠(yuǎn)程激光焊接，焊接主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接完成后，使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量熔深，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)件剝離的頂出力，綜合評(píng)價(jià)焊接效果。

2 結(jié)果與討論

文中使用的遠(yuǎn)程激光焊，是通過(guò)激光束入射到掃描振鏡的X，Y軸兩個(gè)反射鏡上，計(jì)算機(jī)控制反射鏡的角度，實(shí)現(xiàn)激光束的任意偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置，實(shí)現(xiàn)焊接功能，同時(shí)掃描場(chǎng)鏡的線性移動(dòng)，使焦點(diǎn)位置在Z方向上具有一定的調(diào)節(jié)范圍，激光掃描焊接的原理如圖1所示。由于聚焦鏡聚焦距離長(zhǎng)，反射鏡小角度偏轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)激光束在焊點(diǎn)(縫)之間可快速切換，其定位時(shí)間幾乎為零。在國(guó)外，激光掃描焊接一般以長(zhǎng)焦距、大掃描范圍和高度靈活的激光束偏移為主要優(yōu)點(diǎn)，其可以利用500 mm或更長(zhǎng)的焦距，掃描焊接范圍一般超過(guò)1 m。在此基礎(chǔ)上，加上工藝機(jī)器人多個(gè)自由度的靈活移動(dòng)，可以將振鏡掃描頭定位到任意一點(diǎn)和任意的角度，針對(duì)大零件、復(fù)雜曲面零件進(jìn)行快速的焊接，焊縫形狀可以任意設(shè)定，圓形、方形、橢圓等均可；焊縫方向可以任意設(shè)定，橫向、縱向、斜向等均可；焊縫分布可以根據(jù)需要任意設(shè)定，這是目前最為高效的焊接技術(shù)。而針對(duì)天窗產(chǎn)品，涉及到眾多不同部位，不同結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件，只需要一套設(shè)備，一套工裝就能實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)。

圖1 遠(yuǎn)程激光焊接原理

激光焊接之后，焊接外觀如圖2所示。圖2a是HC340LA+大法蘭螺母試驗(yàn)組焊縫外觀，焊縫外觀平整光滑，焊縫輕微內(nèi)凹；圖2b是DX54D+Z+短螺釘試驗(yàn)組外觀，焊縫外表面有輕微氣孔，焊縫整體均勻，焊縫輕微內(nèi)凹；圖2c是22MnB5+小法蘭螺母試驗(yàn)組焊縫外觀，焊縫外觀平整光滑，焊縫輕微內(nèi)凹；圖2d是DX54D+Z+標(biāo)準(zhǔn)螺釘試驗(yàn)組焊縫外觀，焊縫外表面有輕微氣孔，焊縫整體均勻，焊縫輕微內(nèi)凹；圖2e是DX54D+Z+長(zhǎng)螺釘試驗(yàn)組焊縫外觀，焊縫外表面有輕微氣孔，焊縫整體均勻，焊縫輕微內(nèi)凹。

圖2 激光焊接后外觀形貌

文中使用的遠(yuǎn)程激光焊為自熔化焊接，主要是利用高能量的激光對(duì)被焊接材料進(jìn)行局部加熱，激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成熔池，熔池冷卻形成冶金結(jié)合的一種焊接方式。試驗(yàn)組的所有標(biāo)準(zhǔn)件，與板材貼合面有圓角，在焊接前就是內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)，激光焊接后，板材和標(biāo)準(zhǔn)件材料熔融在一起，冷卻后自然形成焊縫內(nèi)凹的形貌。而2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)試驗(yàn)組，因?yàn)榘宀腄X54D+Z是鍍鋅板，在焊接過(guò)程中鋅受熱蒸發(fā)，導(dǎo)致表面有微小氣孔的產(chǎn)生，而在焊縫內(nèi)部沒(méi)有氣孔的現(xiàn)象，在圖3中有體現(xiàn)。

焊縫熔深形貌如圖3所示，激光焊接頭根據(jù)組織的不同可以分為2個(gè)不同區(qū)域，分別為焊縫區(qū)(WM)、熱影響區(qū)(HAZ)，可見(jiàn)所有試樣焊接接頭焊縫形貌無(wú)明顯焊接缺陷，未見(jiàn)明的氣孔、夾雜、焊接裂紋，熱影響區(qū)很窄，得到了成形良好的焊縫。焊縫熔深測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 焊縫熔深形貌

表3 焊縫熔深測(cè)量結(jié)果

使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照PSA集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)件頂出力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試螺母和螺釘?shù)暮附訌?qiáng)度，測(cè)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，1號(hào)和3號(hào)焊接螺母的頂出力超過(guò)了25 kN，按PSA的標(biāo)準(zhǔn)M8螺母焊接要求，頂出力大于等于8 kN，激光焊接螺母超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的3倍，1號(hào)試驗(yàn)組為3.20倍，3號(hào)試驗(yàn)組為3.54倍。2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)焊接螺釘?shù)捻敵隽Τ^(guò)了17 kN，按PSA的標(biāo)準(zhǔn)M6螺釘焊接要求，頂出力大于等于4.5 kN，激光焊接螺釘超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的3.5倍，2號(hào)試驗(yàn)組為3.84倍，4號(hào)試驗(yàn)組為4.31倍，5號(hào)試驗(yàn)組為4.08倍。

表4 頂出力測(cè)試結(jié)果

圖4 測(cè)試示意圖

頂出力測(cè)試力和位移曲線圖如圖5所示，頂出后破壞形式外觀如圖6所示。1號(hào)焊縫并未見(jiàn)明顯失效，無(wú)明顯裂紋，板材明顯變形，用于頂出力試驗(yàn)陪試螺柱變形，螺紋失效；2號(hào)焊縫未見(jiàn)明顯失效，板材處撕裂；3號(hào)縫并未見(jiàn)明顯失效，無(wú)明顯裂紋，板材無(wú)明顯變形，用于頂出力試驗(yàn)陪試螺柱變形，螺紋失效；4號(hào)焊縫未見(jiàn)明顯失效，板材處撕裂；5號(hào)焊縫未見(jiàn)明顯失效，板材處撕裂。

圖5 頂出力曲線圖

圖6 頂出后外觀圖

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，1號(hào)和3號(hào)焊縫都未失效，1號(hào)板材發(fā)生塑性變形，3號(hào)因板材為22MnB5，屈服強(qiáng)度高達(dá)950～1 250 MPa，未見(jiàn)變形，失效體現(xiàn)在螺紋失效，試驗(yàn)螺母的強(qiáng)度等級(jí)為8級(jí)，陪試螺栓選用9.8級(jí)，可見(jiàn)激光焊接強(qiáng)度十分優(yōu)異，滿足性能要求；2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)，失效都在板材側(cè)，主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，激光焊接效果優(yōu)秀，滿足使用性能要求。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在性能上，激光焊接標(biāo)準(zhǔn)件更優(yōu)于電阻凸焊，且有著明顯的優(yōu)勢(shì)。從工業(yè)化生產(chǎn)角度分析，天窗加強(qiáng)環(huán)這樣的大型零部件，電阻凸焊一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)需要操作工2人，平均一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件焊接時(shí)間15 s，按一個(gè)天窗24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件計(jì)算，一個(gè)天窗總成焊接標(biāo)準(zhǔn)件需要360 s，同時(shí)因?yàn)槿斯る娮柰购福瑫?huì)導(dǎo)致焊接標(biāo)準(zhǔn)件的垂直度不穩(wěn)定，額外需要一名操作工，進(jìn)行檢測(cè)和返修。而使用激光焊接，可以大大提高生產(chǎn)效率，減少人工投入，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本，對(duì)比分析見(jiàn)表5。相對(duì)而言，激光焊接的缺點(diǎn)就是設(shè)備投入成本較大、前期調(diào)試投入較高，但對(duì)于產(chǎn)量大的車型，在整個(gè)車型的生命周期當(dāng)中，使用激光焊接的綜合成本還是更低的。因此，激光代替凸焊在天窗標(biāo)準(zhǔn)件上的運(yùn)用前景光明。

表5 激光焊接與電阻凸焊對(duì)比

3 結(jié)論

(1)使用遠(yuǎn)程激光自熔焊，在不同材料：22 A,15 A,10B21,不同類型：螺母、螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)件，在HC340LA,22MnB5,DX54D+Z板材上均獲得了良好的焊接效果。

(2)激光焊接M8螺母的頂出力超過(guò)了25 kN，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求的3倍以上，激光焊接M6螺釘?shù)捻敵隽Τ^(guò)了17 kN，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求的3.5倍以上。

(3)激光焊接在生產(chǎn)效率、焊接質(zhì)量、焊接強(qiáng)度、生產(chǎn)成本等方面相對(duì)電阻凸焊有明顯優(yōu)勢(shì)，在天窗標(biāo)準(zhǔn)件焊接上的運(yùn)用很有前景。