汽車剎車接頭激光自動焊接系統的設計與研究

高金乾，沙玲

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

汽車剎車接頭生產的傳統工藝主要是人工釬焊，釬焊的特點是工作溫度較低，對工件影響較小。但是，由于母材和釬料成分相差較大，焊接接頭處強度往往比較低，嚴重情況下會導致汽車剎車系統失靈，造成安全事故。激光焊接具有速度快、熔深大、能夠保證焊接強度、焊縫成形好、熱影響區小、工件變形小等優勢[1]。針對汽車零部件廠家的生產需求，設計了一種汽車剎車接頭激光自動焊接系統，并對影響接頭質量的工藝參數進行分析，利用響應曲面法對工藝參數進行優選。在改進生產工藝、提高生產率的同時，通過優選工藝參數，進一步提高接頭的加工質量。

1 汽車剎車接頭激光自動焊接系統組成

1.1 汽車剎車接頭焊接要求

汽車剎車接頭也稱為球形油管接頭，主要用于汽車剎車油路系統的連接，其結構如圖1 所示。該接頭由定位銷、球形套以及凸臺3 部分組成，先將定位銷安裝到球形套中，然后通過工裝夾具帶動凸臺部分做旋轉運動，同時激光以一定的入射角度對定位銷和球形套連接處進行焊接，如圖2 所示。

圖1 汽車剎車接頭外觀圖Fig.1 Appearance drawing of automobile brake joints

圖2 激光焊接過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser welding process

1.2 自動焊接系統組成

汽車剎車接頭激光自動焊接系統主要有5 個組成部分：激光焊接控制系統、激光焊接主機（光源和焊接頭）、冷卻系統、工裝夾具和監控系統，由激光焊接控制系統對其他4 個部分進行信號處理和整體控制，如圖3 所示。

圖3 汽車剎車接頭激光自動焊接系統組成Fig.3 Composition of laser automatic welding system for automobile brake joints

激光焊接主機包括光源(光纖激光器)和焊接頭，負責完成對剎車接頭工件的焊接操作。冷卻系統采用的是外置水冷機，主要負責對光源(光纖激光器)和焊接頭進行冷卻。工裝夾具負責在焊接過程中夾緊固定工件并按要求進行旋轉運動，配合激光器完成工件的環形焊接。監控系統負責對焊接過程進行實時監控。該系統的工作流程如圖4 所示。

圖4 汽車剎車接頭激光焊接工作流程圖Fig.4 Work flow chart of laser welding of automobile brake joints

激光自動焊接系統實體如圖5 所示。

圖5 汽車剎車接頭激光自動焊接系統Fig.5 Laser welding system for automobile brake joints

2 汽車剎車接頭激光自動焊接系統影響因素分析

激光焊接質量由多方面工藝參數決定。從目前的激光焊接工藝來看，影響激光焊接的因素主要有焊接功率、焊接速度和離焦量[2]。在實際焊接中也存在激光入射角、焊接保護氣、焊接初始階段和結束階段激光輸出功率的設定等影響因素[3]。本文主要對激光焊接功率、焊接速度和離焦量進行分析。

2.1 激光焊接功率

激光焊接功率的大小將會直接決定熔深的大小，進而影響激光焊接的質量。在其他參數都相同的條件下，增加激光功率可提高激光焊接速度、增大焊接熔深。激光焊接功率、焊接速度與焊接熔深之間的基本關系如圖6 所示[4]。

圖6 熔深與焊接速度和激光焊接功率的關系Fig.6 Relationship between laser welding power,penetration depth and welding speed

2.2 焊接速度

在一定的激光焊接功率下，熔深受焊接速度的影響較大[5]。當加快焊接速度時，熔深變小；當減小焊接速度時，熔深變大[6]。當改變焊接速度時，熔池的流動方式和尺寸將會改變，焊縫的成形情況也會隨之改變[7]。采用較高的焊接速度時，匙孔尾部液態金屬來不及流向焊縫中心就已經冷卻凝固，會出現咬邊狀況，如圖7（b）所示[8]，在縱截面上會形成凸起，如圖7（c）所示。降低焊接速度時，熔池會變寬變大，熔融狀態的材料變多，質量變大，液態的金屬材料不能很好地限制熔池，因而熔池會因為重力產生下塌現象，如圖7（d）所示[9]。

圖7 焊接速度對焊縫的影響Fig.7 Effect of soldering speed on welding seam

2.3 離焦量

一般情況下，光纖激光器功率確定時，處于焦平面(激光聚焦點所處的平面)的功率會超過設定的焊接功率，因此在這個位置會出現過度焊接，出現材料汽化、熔孔等現象[10]。由于焦平面能量過于集中，會使金屬材料蒸發，能量過高，不僅難以控制，也會容易產生缺陷[11]，因此會將工作平面離開焦平面一段距離，這段距離就是離焦量[12]。如圖8 所示，以工件表面為基準，有正離焦和負離焦2 種離焦方式，工作平面在焦平面上方為負離焦，工作平面在焦平面下方為正離焦[13]。根據光學原理，當正離焦距離等于負離焦距離時，其所在的平面能量效果相似，但是熔池產生情況會不同，采用負離焦時，能夠得到較大的熔深[13]。通常情況下，為了使焊接焊縫外觀良好穩固，在熔深方面沒有要求時選用正離焦，而為了滿足焊接強度需要一定熔深的工件則采用負離焦[14]。

圖8 離焦量示意圖Fig.8 Schematic diagram of defocus

3 汽車剎車接頭激光焊接系統工藝參數優選

汽車剎車接頭在剎車系統中起至關重要的連接作用。有關調查發現，多數交通事故都是由剎車故障引起的[15]。在剎車系統的頻繁使用下，接頭的穩定性需要更高的質量指標來保證。其中，接頭上定位銷與球形套之間的拉脫力是衡量接頭質量的關鍵指標，決定了接頭的穩定性。因此，考慮對汽車剎車接頭激光自動焊接系統進行工藝參數優選，以獲得更高的拉脫力，達到汽車剎車接頭的最佳質量指標，優選步驟如下：

（1）確定試驗方案；（2）根據試驗方案設計試驗，根據試驗結果建立數學模型，分析該數學模型是否能夠進行參數預測。如適合預測進入下一個步驟，否則，重新進行試驗設計；（3）根據建立的數學模型以及質量要求進行工藝參數優選；（4）根據優選的工藝參數進行焊接試驗，驗證優選的工藝參數結果與試驗結果是否具有一致性。如一致性較好，說明優選的工藝參數有效，能夠滿足焊接工藝的要求。

3.1 試驗方案的確定

響應曲面法是優化過程的統計學試驗方法，在響應值范圍內設置相關的水平值，構建工藝參數與響應值之間的數學模型，通過數學模型可以優選出目標響應值下的工藝參數[16]。響應曲面法主要包括3K 因子設計、中心組合試驗設計和Box-Behnken 設計。3K 因子設計能夠體現所有效果之間的聯系，但是需要大量的試驗次數；中心組合試驗設計模型預測準確，缺點是預測的工藝參數可能會不符合設定的條件[17]；Box-Behnken 設計是一種分析相關工藝參數和響應值之間關系的試驗設計方法[18]。相比于中心組合試驗設計，Box-Behnken 設計試驗次數較少，因此相對容易，適合進行三因素三水平試驗設計，工藝參數取值如圖9 所示，處于正方體中心點和各個邊的中點。

圖9 Box-Behnken 設計示意圖Fig.9 Box-Behnken design schematic

3.2 Box-Behnken 設計

Box-Behnken 設計主要包括以下步驟：

（1）確定響應值與3 個因素，即汽車剎車接頭定位銷拉脫力與激光輸出功率、焊接速度和離焦量；（2）確定3 個因素的取值范圍，根據取值范圍設定3 因素3 水平分析表；（3）根據3 因素3 水平分析表設計的方案進行試驗，得到試驗結果；（4）根據試驗結果數據，建立數學模型，擬合出響應值與3 個因素的多元二次回歸方程，并檢驗回歸方程的顯著性與預測精度。

借助試驗設計分析Design-Expert 實現本文的Box-Behnken 設計。Design-Expert 在軟件內進行參數設置，對試驗結果進行分析，擬合出多元二次回歸方程，并可導出模型的響應曲面圖以及優化結果。

首先，確定激光輸出功率、焊接速度和離焦量的取值范圍。激光輸出功率為200～300 W，焊接速度為6.75～14.11 mm/s，離焦量為-5～+5 mm。為便于數據分析，將離焦量轉化為工作平面離聚焦鏡的豎直距離D，如圖10 所示，則焊接工作平面離聚焦鏡的距離D 的變化范圍為145～155 mm。

圖10 工作平面位置示意圖Fig.10 Sketch map of working plane position

根據工藝參數的取值范圍，確定激光輸出功率P、焊接速度V 和豎直距離D 的3 水平分析，見表1。

表1 工藝參數的各個水平值Tab.1 Each level value of process parameters

采用Design-Expert 軟件進行Box-Behnken 設計，將表1 中的參數和各水平值輸入到軟件中，并進行焊接試驗測出每組數據的拉脫力，得到了相應的試驗結果，如圖11 所示。

圖11 Box-Behnken 設計拉脫力試驗結果Fig.11 Pull-off force test results of Box-Behnken design

通過Design-Expert 軟件，得到了汽車剎車接頭定位銷的拉脫力K 與激光輸出功率P、焊接速度V 和豎直距離D 的線性多元二次方程式：

式中：K——拉脫力；P——激光輸出功率；V——焊接速度；D——豎直距離。

3.3 線性多元二次回歸方程模型顯著性檢驗

根據Design-Expert 得到的線性多元二次回歸方程導出了方差與顯著性分析表，見表2。

表2 拉脫力方差與顯著性分析表Tab.2 Variance and significance analysis of pull-off force

根據表2 的數據，接頭定位銷的拉脫力線性多元二次回歸方程中的激光焊接功率P、焊接速度V 和豎直距離D（離焦量）所對應的P-Value 值均小于0.05，說明這3 個影響因素對汽車剎車接頭定位銷的拉脫力的影響均有顯著性。借助Design-Expert 軟件，得到了殘差的正態分布圖，如圖12所示。圖12 中殘差正態分布接近線性關系，說明擬合的線性二次方程符合要求，且精度較高。

圖12 殘差正態圖Fig.12 Residual normal graph

利用拉脫力與激光輸出功率P、焊接速度V 和豎直距離D 的數學模型，分析各因素對拉脫力的影響效果。借助Design-Expert 軟件得到了汽車剎車接頭定位銷的拉脫力與各因素的響應曲面圖，如圖13—圖15 所示。

圖13 拉脫力與P 和V 的響應曲面圖Fig.13 Response surface of pull-off force and P and V

圖14 拉脫力與P 和D 的響應曲面圖Fig.14 Response surface of pull-off force and P and D

圖15 拉脫力與V 和D 的響應曲面圖Fig.15 Response surface of pull-off force and V and D

由圖13 可知，當激光焊接功率P 和焊接速度V 一起改變時，拉脫力響應曲面圖變化幅度較大。

由圖14 可知，當激光焊接功率P 和豎直距離D（離焦量）同時變化時，拉脫力的響應曲面圖變化幅度趨于平緩。

由圖15 可知，當焊接速度V 和豎直距離D 同時變化時拉脫力的響應曲面圖變化幅度較大，但比激光輸出功率和焊接速度同時變化時幅度小。

綜合對比以上3 種情況，激光輸出功率和焊接速度對拉脫力的影響最為顯著，豎直距離D 對拉脫力的影響相對較小，汽車剎車接頭定位銷的拉脫力對激光輸出功率P、激光焊接速度V 和豎直距離D（離焦量）的線性多元二次回歸方程模型效果顯著，可以進行拉脫力的預測和分析。

3.4 汽車剎車接頭激光焊接工藝參數優選

根據企業要求，拉脫力不能低于2.5 kN，因此優選工藝參數的目標條件如下：

約束條件為

為了提高生產效率，速度應采用最大速度14.11 mm/s。為便于調節離焦量，對豎直距離取整：147，148，149 mm，各預測2 組數據，通過Design-Expert 進行工藝參數優選，最終得到6 組參數，見表3。

表3 工藝參數優選Tab.3 Optimization of process parameters

根據優選的工藝參數進行焊接試驗，得到實際的拉脫力試驗值K 填入表3，將試驗值與預測值進行對比。結果表明：試驗值和預測值雖有一定的誤差，但在可控范圍內，預測數據有效，優選的汽車剎車接頭激光自動焊接系統的工藝參數能夠滿足拉脫力 K ≥2.5 kN 的指標，因此本文所采用的工藝參數優選方案可行，對提高汽車剎車接頭質量具有指導意義。

4 結論

本文針對汽車剎車接頭的焊接方式進行了改進，將傳統的釬焊工藝改進為激光焊接工藝，克服了釬焊的缺陷，能夠有效保證焊接強度和質量，并且提高了工作效率。借助Design-Expert 分析軟件，進行汽車剎車接頭工藝參數優選，并根據優選的工藝參數進行焊接試驗以驗證預測的合理性。經過焊接試驗驗證，優選的工藝參數滿足質量要求。目前，該自動焊接系統已在某汽車零部件企業投入使用，經過實際的焊接驗證，該自動焊接系統提高了汽車剎車接頭的強度和焊接效率，并且該方案還可以推廣到同類環形零部件的焊接研究中。