王晓兵 岳智 邓大伟 李学梅
摘 要：为了提高车体使用寿命和增强车体材料的抗腐蚀性能，表面带镀层的低碳钢板被大量应用于汽车工业中，由于锌的熔点和沸点温度较低，在焊接加热过程中极易挥发，从而导致气孔、飞溅等缺陷。激光钎焊以其光束能量密度高、热影响区域小、焊接速度快、变形小等优点，可有效解决镀锌板焊接的上述问题，因而在白车身制造领域得到广泛应用，激光钎焊已逐渐成为汽车顶盖制造的标准工艺。本文重点论述了汽车顶盖激光钎焊的基本原理和特點，系统基本组成和焊接参数规范的选择，分析了激光钎焊主要质量缺陷的种类及影响焊接质量的关键因素，介绍了长安福特激光钎焊质量的评价标准。
关键词：激光;钎焊;镀锌板;汽车顶盖
1 前言
激光钎焊是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在焊丝表面，焊丝在光束能量持续加热下熔化形成高温液态金属，液态金属浸润到被焊零件连接处，在适当的外部条件下，使之与工件间形成良好的冶金结合，完成零件的连接[1]。该方法的独特性在于，在钎焊过程中冶金结合的形成只通过熔化填充金属而不是熔化母材。激光钎焊焊接光束能量密度高、热影响区域小、焊接速度快、变形小、噪声小;可精确调节和控制热输入，且热输入低，镀锌层烧损更少，可减小焊件的变形;焊缝成形美观、质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理;能够钎焊复杂几何形状的焊件和特殊结构;精确控制加热光斑尺寸及焊丝的熔化;使用光纤激光器可以方便地与机器人连接构成柔性加工系统等优点，因此被广泛应用在汽车制造的过程中[2-3]。随着激光技术的成熟及成本的下降，激光焊接被认为是白车身车顶与侧围的最佳连接方式。在锐界上应用的激光钎焊是填丝硬钎焊，主要用于顶盖激光钎焊。顶盖激光器钎焊接头形式为截面卷对接，填充钎料为SG-CuSi3。白车身车顶与侧围的连接强度对于整车的安全性至关重要，当汽车发生碰撞颠覆时，车顶强度不足会危及车内乘务人员的安全[4-5]。由于顶盖激光钎焊在产品车上是无任何饰条覆盖的，涂装车间直接在激光钎焊焊缝上进行涂装，这对激光钎焊焊缝质量要求非常高。激光钎焊对于焊接工艺参数的敏感度很高，激光束入射角度、位置、焊接速度、功率都会影响到最终的焊缝质量[6]。由于制造过程的复杂性以及影响因子众多，为了满足质量要求，稳定生产过程，必须对影响焊接质量的各种因素做深入的研究，同时为全新车型投产提供工艺调试和质量优化的依据。
2 激光钎焊系统介绍
2.1 系统构成
激光钎焊系统由激光源、激光加工头、工业机器人、送丝机构等部分组成，其系统构成见图1所示。杭州工厂使用激光源为IPG YAG激光源，型号是YLS-4000-S4-TR，最大输出功率4000w，发射波长1065nm。激光头型号为HIGHYAG PDT-B最大输出功率6Kw，波长范围1025-1080nm，激光焦点直径3.2mm。填充钎料为SG-CuSi3，焊丝直径1.6mm。
2.2 焊接过程
顶盖自动装配后，先进行定位点焊，然后顶盖胎模下压保证侧围与顶盖搭接间隙小于0.2mm。机器人控制器获得程序号发射给激光控制器，激光控制器得到程序号调用对应的激光器通道，激光功率，送丝机参数开始工作，机器人开始移动，当垂直焦距位置和Y向随动分别达到设定值时，激光器运行，发出激光，并沿顶盖与侧围搭接的焊缝开始焊接，激光焊接路径如图2所示。到达结束点后激光关闭，机器人沿示教轨迹返回，直至回归原位，至此整条焊缝焊接完成。
3 激光钎焊主要缺陷
激光钎焊有着很高的表面质量要求，故其焊接质量的控制难度很大，下面介绍几种主要的激光钎焊缺陷类型和评价指标。
3.1 表面气孔和针孔
如图3中所示的在接缝表面的孔隙，典型地是由气体（如锌蒸气或气态杂质）在凝固完成前逃出了熔融金属填料熔池造成的。评价目标是上表面的气孔和针孔都不存在。上表面气孔和针孔的公差上限为：单个直径最大为0.4*tmin，50毫米钎焊长度中允许最大数量为10。
3.2 飞溅
如图4中所示飞溅被定义为在激光钎焊操作期间被驱逐的金属颗粒。评价目标是在任何情况下都不出现。
3.3 咬边
如图5中所咬边是指在焊接路径方向上，钎料熔融后与钣金形成锯齿形铺展不良的质量缺陷类型。它们通常是由于钎料及母材的受热不均匀或光斑的居中性偏差导致的钎料融化后不能均匀的覆盖在母材表面而产生的，钎焊整条路径上不允许有连续的咬边缺陷。
3.4 钎焊中断
如图6展示了钎焊中断的例子。钎焊中断的公差上限为任何50毫米钎焊段中累计发生10mm。更严格的要求，对于搭接带有特殊表面完成、防腐、密封和静态/动态强度要求的，可以在装配图或CAD的系统中指定。
4 影响激光钎焊质量的关键因素
激光钎焊外观质量良好、焊缝均匀、平整光滑，且这种焊接工艺钢板不熔化，热变形小，大大增强了车身整体的刚性，要实现完美的焊接质量，不仅需要先进的设备，高质量的车身尺寸，更需要与之匹配的工艺参数，由于制造过程的复杂性以及众多的影响因素，为了满足质量要求，稳定正常生产，下面对其主要因素做详细研究。
4.1 激光功率
激光功率作为钎料融化的重要衡量指标，若激光功率设置偏小，能量密度会相应降低，能量输出将不能有效融化单位时间内输出的钎料，对于形成的熔池不能提供持续的能量，会造成熔融的钎料的流动性不佳，钎料在两个片件联接处的铺展不均匀，不能形成平滑的，填充均匀饱满的有效连接，虽然可以通过降低焊接速度以保证钎料对能量的输入，但因为热输入的增加导致的熔池冷却时间会相应变长，钎料表面也会因为热量的持续输入而导致表面过烧而造成发黑，钎料的铺展性也会收到不利影响，焊缝外观较差且零件镀锌层破坏严重，严重者造成母材烧穿而报废。通过试验，在激光输出功率低于1500W时，无法形成良好的焊缝; 当激光功率升至在2200-2500W区间时，钎料融化后的铺展及润湿效果会得到很大改善，焊缝的外观及填充率满足工艺要求; 若输出功率过高，则光斑能力密度增加，容易使钎料过热造成钎料的气化及焊缝周边母材的烧损，即使通过提高焊接速度，可以降低钎料单位时间的热输入，但是由于激光加热速度快，钎料的局部温度仍然偏高，而造成钎料有向外喷射的迹象，同时两侧的母材并没有得到提前预热，熔池快速冷却也会造成焊接飞溅等缺陷，图7 为激光功率过大时焊缝金相照片。
4.2 激光焦点及形状
激光源产生的光斑的直径大小和形状与本身的光学系统相关，焊接能量通过光学聚焦系统形成光斑，将能量集中于一点，光斑照射在钎料表面上，被钎料吸收，另一部分照射在母材表面可以作为母材的预热提升焊接质量。推荐的光斑聚焦直径一般是焊丝直径的2倍，如果光斑过小，激光全部被焊丝遮住，导致母材得不到预热，钎料熔化不均不能有效润湿铺展，且会因为熔池周围的温度低而造成焊接飞溅;若光斑直径过大，能量密度随之降低，虽然可以通过增加激光输出功率来提升能量输出，但会造成母材表面的损伤，钎料的润湿铺展效果依然很差。经实际调试发现，在激光头对母材施加的压力相同情况下，激光在垂直入射时由于离焦量较小，即形成的激光光斑较小，钎料不能良好润湿铺展。在相同的离焦量下，将激光沿焊接方向倾斜45-60°，垂直沿顶盖方向保持10°倾角入射，光斑由圆形变为椭圆形光斑，此时获得的焊缝外观质量最佳。
4.3 焊接速度和送丝速度
激光钎焊焊接表面质量受机器人的移动速度以及送丝速度的共同制约，激光钎焊焊缝的钎料充量由焊缝截面积与焊缝长度来决定，而焊丝单位时间的输出量由送丝速度与焊丝的截面积来确定。这些工艺参数须与焊接机器人的焊接运行速度相协调才能保证所需的钎料填充量，从而得到饱满匀称的焊缝。焊机送丝速度和机器人焊接速度的匹配，决定了焊缝钎料的填充量，填充量对焊缝的外观质量及强度将产生直接影响。图8为焊丝填充量过少造成的焊縫塌陷缺陷，该缺陷产生的主要原因为相对于焊接速度来讲送丝速度较低，不能满足单位时间单位截面积的填充需求。
在汽车白车身顶盖与侧围钎焊的实际应用中，一般会采用较低的焊接运行速度和较高的送丝速度配合适当的激光功率。经过试验表明，在较低的焊接速度下，机器人的运行精度保持性更佳，同时较高的送丝速度能够使单位截面积的焊缝填充的更加饱满，焊接强度更好，同时能够避免产生气孔、针孔，咬边等缺陷产生。若送丝速度过大，会造成单位时间内钎料未及时熔化，导致未熔焊丝在焊缝表面堆积而形成焊瘤，如图9所示。
5 结束语
汽车顶盖侧围制造采用的激光钎焊不仅拥有传统点焊、MIG/MAG 焊难以比拟的焊缝强度和良好的焊缝外观，而且焊接效率高，便于实现自动化，柔性化。本文从激光钎焊缺陷类型和评价指标入手，结合工艺参数研究了影响焊缝成型质量的因素，提出了保证焊缝质量的方法，研究为全新车型投产提供工艺调试和质量优化的依据，极大缩短了调试及质量提升周期。
参考文献：
[1]林平. 激光钎焊在汽车行业的焊接应用[J]. 电焊机，2010，40（5）：40.
[2]肖广志，陈云，徐娟.激光钎焊与激光熔焊在白车身制造中的应用[J]电焊机，2019，49（2）：99-102.
[3]陈晓东， 张纪珠. 影响激光钎焊焊缝质量的因素探析[J]. 上海汽车， 2012，（10）：58-62.
[4]陈雄亮.车顶强度易被忽视的安全隐患[J].汽车与安全，2005，（10）：52-54.
[5]卢兵兵.白车身车顶侧围激光焊接工艺参数分析与优化[J].中国激光，2010，37（05）：1375-1379.
[6]虞钢，赵树森，张永杰，何秀丽，庞铭.异种金属激光焊接关键问题研究[J].中国激光，2009，36（2）：7-14.