激光飛行焊在白車身上的應用

趙廣力

摘要：本文主要從兩方面針對激光飛行焊進行了闡述，一方面為激光飛行焊工作站系統構成、工作原理、設備參數對焊接質量的影響。另一方面為工藝分析，從常見質量缺陷、質量缺陷發生機理以及返修標準等方面展開論述。

關鍵詞：激光、飛行焊、振鏡

隨著汽車工業的發展，汽車產品精細化、感官質量在不斷的提升，精美的車身設計也對制造工藝提出更高的要求。突破傳統制造工藝，制造出更加精致的產品，才能立于市場的不敗之地，汽車車身窄邊焊就是發展方向之一。常規的焊接法蘭面為16mm以上，如今一些領先主機廠，焊接法蘭面已經縮短到6mm，傳統的點焊已經不能滿足，需進行工藝突破，激光飛行焊可以有效的解決窄邊焊問題，本文主要針對激光飛行焊連接技術進行分析。

激光飛行焊系統構成及原理

1. 激光飛行焊工作站組成

激光飛行焊本質上還是激光熔焊，除激光掃描頭與常規激光熔焊頭原理有差異外，其他設備構成并無不同。激光飛行焊工作站也是由機器人、激光房、激光源（激光發生器）、光纖、激光頭、除塵系統、水冷機、激光源房、激光源環境監測系統、激光功率測試臺、激光功率自動檢測儀、軟件功能包等構成。激光飛行焊系統原理如圖1所示。

2. 激光飛行焊工作原理

激光飛行焊屬于激光熔焊，但工作原理又區別于激光熔焊，主要體現在激光束定位方式不同。

激光飛行焊工作原理為：激光發生器中的激光束通過光釬傳遞到安裝在機器人上的可編輯聚焦掃描頭中，光束在掃描頭內部振鏡的X，Y軸兩個反射鏡中折射，計算機精準控制反射鏡角度，促使激光束按照編程路徑進行高速精確運動。同時通過透鏡的線性移動，使光束焦點位置在Z向一定范圍內進行調節，變換焦點位置。最終具有一定功率密度的激光束聚焦在工件表面實現掃描焊接。工作原理見圖2。

在每道焊縫焊接過程中，激光掃描頭距離工件約500mm左右，且掃描頭不動，依靠掃描振鏡X，Y軸兩個反射鏡角度變化而改變光束掃描焊接位置，光束從一道焊縫移動到另外一道焊縫時間幾乎為零。因此相對于熔焊或點焊，通過機器人移動激光頭或焊槍而改變焊縫或焊點位置的方式，效率極大提升。

3.? 激光飛行焊主要參數

激光飛行焊主要參數包括機器人速度、掃描焊接速度、焊接功率、離焦量等，合理的參數相互配合，可以提升焊接效率、保證焊接質量。參數的定義及對工藝影響見表1。

激光飛行焊工藝分析

1. 激光飛行焊常見焊接部位

在主機廠，激光飛行焊常見部位為白車身車門窗框，門洞止口、行李箱蓋等部位，主要是為解決焊接部位搭接面較窄（6mm）問題。車門窗框為最常見焊接部位見圖3。

2. 激光飛行焊焊縫形式

在白車身上常見的激光飛行焊焊縫為一字型和C型，見圖4，另外根據需要還可以為S型、凵型等樣式。

產品設計過程中，主要以一字型為主，焊縫長度一般為20-30mm，一字型便于調試及質量控制。對于搭接面較小的區域為增加連接強度會設計C型焊縫，相對于一字型焊縫質量缺陷概率要高，調試難度要大。

3. 激光飛行焊凸點

鍍鋅板激光飛行焊時，需考慮鋅蒸汽逸出，需要在待焊接板件表面打凸點，即常說的Dimple。

凸點形成原理：通過“小孔效應”（為熔池前段穿透焊件而形成一個小孔，焰流穿過母材而噴出）金屬材料蒸發后急速冷卻而在工件表面形成的凸點。

凸點工藝要求：用激光頭在板件上打凸點，凸點高度控制在0.15-0.25mm，分布在焊縫橫向兩端，離焊縫的距離建議控制在1-3mm，凸點之間的距離建議控制在8-10mm，凸點數量依據焊縫長度而定，最終保證板件搭接后的間隙在0.15-0.25mm之間。凸點常見分布見圖5。

當焊縫小于0.15mm時，鋅蒸氣不能通過間隙有效排除，而從焊縫表面排除，易產生氣孔缺陷；當焊縫間隙大于0.25mm時，熔化金屬不能完全填充間隙，造成強度不足。

針對凸點，通過多組試片實驗，最終得出結論：參數為功率4KW、離焦量40mm、掃描時間10ms時打出的凸點高度為0.15mm ，焊接后質量較好且穩定，見圖6

4. 激光飛行焊主要質量缺陷

激光飛行焊在調試過程中存在的主要質量缺陷包括凹陷、氣孔、虛焊、穿孔、未完全熔透五類問題（見圖7）。

影響激光飛行焊焊縫質量的主要因素主要包括五方面，功率、Dimple、匹配、表面、參數，以上因素往往以綜合問題的形式呈現，相互作用，需要綜合去判斷。見圖8

（1）焊接缺陷發生主要原因分析? 1）凹陷：焊縫處板件間搭接間隙過大，焊接時金屬熔液不能完全填充間隙，溶液下沉，冷卻后形成凹陷；2）氣孔：焊縫處板件間搭接間隙過小，焊接時鋅蒸汽無空間逸出，只能從熔池逸出，冷卻后產生氣孔，多伴隨有飛濺的產生；3）虛焊：虛焊主要是因為熔深不夠，原因可能為板件間隙過大，或者焊接速度過快導致熱量不足，或者離焦量過大導致熱量不足；4）穿孔：熱輸入量過大；5）未完全熔透：間隙不均、焊接速度過快，離焦量設計不合理均可導致熔深不夠。由此可見，零件搭接間隙以及焊接參數對激光飛行焊質量影響極大。

（2）影響搭接間隙的主要因素? 影響搭接間隙的主要因素為兩類，一類為沖壓件質量問題，一類為工裝夾具問題。沖壓件問題主要包括尺寸公差過大、沖壓件局部變形、凹坑、波浪、毛刺、切邊不合格等。工裝夾具問題主要包括夾緊點選取不合理、夾緊面過小、夾具夾緊力過大等因素導致零件翹起，從而導致焊縫處間隙不均。

5. 激光飛行焊調試注意事項及經驗總結

（1）有密封要求的區域避免激光飛行焊? 由于受沖壓件本身品質波動、工裝夾具變化以及其他外部因素影響，穿孔問題無法徹底消除，但通過不斷優化調整，穿孔概論能夠降低至1%以下。由于穿孔導致漏雨風險極大，因此有密封要求的區域盡量避免設計激光飛行焊。

（2）激光飛行焊縫不得設計于產品外觀面? 由于飛行焊縫普遍存在凹坑問題，影響產品外觀精細感知，因此外觀面應避免設計焊縫。

（3）焊接法蘭面不得低于6mm? 焊接面應盡量做大，不得低于6mm，見圖9。若法蘭面過窄，夾具夾緊后易出現局部翹起，零件搭接間隙不均從而出現虛焊、未完全熔透等缺陷。

（4）搭接面應平直，弧面等復雜曲面避免設計焊縫? 夾具夾頭設置在焊縫兩端，弧面處零件搭接后間隙難以控制，易出現氣孔、凹陷、虛焊等缺陷。

（5）C型等形狀復雜的焊縫應避免? 正常情況下以一字型焊縫為主，只有搭接面比較小的區域為了增加焊縫長度而設計C型焊縫，但C型焊縫曲線過渡處能量密度較高，故此處穿孔概率較高，質量缺陷風險較大。見圖10

（6）鋼板鋅層厚度? 激光焊板料搭接面處的鍍鋅層標準厚度不應超過20μm。當鍍鋅層厚度超過20μm時，將會對工藝的穩定性造成顯著的影響，產生孔洞和較差的焊接強度。

（7）板件搭接方向? 一般采用薄板在上，厚板在下

（8）沖壓件切邊接刀口避免設計在焊縫處? 為防止溜邊焊，需把焊縫往里面調整，不滿足焊縫離邊緣1-3mm標準要求；見圖11。焊縫離零件邊緣遠，焊縫處零件搭接間隙難以控制，焊縫不穩定，虛焊、未完全熔透等缺陷概率增加。

（9）焊道附近夾具壓緊單元使用銅質壓塊

激光焊飛濺大，焊渣易粘連鐵質夾頭上難以清理，同時影響激光焊接質量;

（10）夾具設計時需滿足焊縫間隙處塞尺測量需求

工件之間的搭接間隙對焊縫的質量影響極大，因此設計夾具時要充分考慮間隙測量的可操作性。

（11）夾緊點要充分

為保證鈑金件夾緊后狀態的穩定性，通常每道焊縫兩側均需夾緊，因此夾緊單元設計能充分對工件進行夾持。見圖12。

（12）激光焊縫和輔料（密封膠道、焊接劑道）的最小距離為10mm；

6. 激光飛行焊優缺點

相對于傳統點焊，激光飛行焊有明顯的優勢，也有明顯的缺點，具體見表2：

7. 激光飛行焊檢查及返修標準

通過目視并借助塞尺、鋼板尺、游標卡尺等工具，檢測激光飛行焊焊縫質量缺陷，判定及返修標準見表3

結語

本文主要為我們在激光飛行焊調試過程中積累的一些經驗總結，希望能為同行在調試過程中提供一些參考。