轿车白车身顶盖激光钎焊的应用研究

宋扬 李银宗

1. 概述

激光钎焊的技术优势吸引了越来越多的汽车厂家及汽车焊接技术人员的关注。推动激光钎焊在汽车行业的应用，将会使中国汽车行业焊接领域发生质的改变，因此我们有必要进行激光钎焊技术原理和工艺设计的研究。本文结合神龙汽车有限公司B73/MX3项目顶盖激光钎焊工业化实例，详细介绍激光钎焊在汽车顶盖焊接中的工业应用，以提供一定的技术经验和探讨空间。

2. 激光钎焊工艺

（1）激光钎焊原理 激光钎焊是在电弧钎焊的基础上发展起来的一种新的局部硬钎焊技术（见图1），是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面上，焊丝被光束能量加热，并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，在界面层中生成均匀的固熔体及共晶组织，使之与工件间形成良好的冶金结合。即工件间的连接是通过钎焊层实现的，而母材本身不会被激光严重熔蚀损伤，因此焊缝成形美观、质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理。

激光钎焊是一个独特的焊接冶金过程，除了有光和热，在焊接过程中还伴随着特有的声和电荷的产生。这是因为激光的高能量输入使焊缝上方的环境气体及因受热气化的金属镀层蒸汽发生了电离，而焊缝上方的这层电离层被形象地称作等离子云。等离子云伴随出现在激光钎焊整个过程的焊件熔池上方，在某种程度上起到了一定的类似焊接保护气的作用，因此目前激光钎焊工艺已不再需要单独的增加保护气就可以得到良好的焊缝外观。

（2）激光钎焊特点 首先，技术优势。①激光钎焊焊接速度快，噪声小。②可钎焊几何形状复杂或特殊结构的工件。③局部加热，且可精确调节和控制热输入，零件不易产生热损伤，热影响区小，可在不伤及母材的情况下施焊，保证质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理。④负离焦加热，熔化带宽，无飞溅，填充剂熔化后自然浸润，焊缝外观质量良好，可用于外观区域的钢板拼焊。⑤由于在激光填丝钎焊时焊件间的间隙被渗透，所以焊缝具有防腐性。当采用适当的工艺参数，焊缝可不经处理进行油漆。⑥通过外光路系统可以使光束改变方向和传播路径，因而可以方便的与机器人连接构成柔性加工系统。⑦激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。⑧光束容易传输和控制，不需要经常更换焊枪、喷嘴，显著减少停机辅助时间，有荷系数和生产效率高。⑨容易实现自动化，能有效地控制光束强度和精细定位。

图1 激光钎焊原理

结合以上优势，激光钎焊正在逐渐成为一种替代普通弧焊的工艺手段，而备受人们的广泛关注。激光钎焊与普通焊接工艺指标比较如表1所示。

其次，技术局限性。①激光钎焊以激光作为热源，而激光经过聚焦后光斑尺寸较小，产生焊缝较窄，这便要求焊接工件的装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移，若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。②激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资相对较大。③焊接技术复杂，技术难度大，涉及到光学、焊接、自动化系统工程等专业技术，使得激光钎焊系统调试的难度较大，且系统设备需要专业维护，若核心设备故障停机或损坏后其修复难度大，无形中增加了工业成本。④激光属不可见光，危险性大，防护等级高，工业化中需要投入特殊的安全防护设施。

3. 激光钎焊工业化流程

（1）激光钎焊系统设计 图2为神龙汽车公司顶盖激光钎焊的工艺系统，该系统已经过专业验证、批量工业化及技术改进，现已形成神龙公司激光钎焊较为成熟的工业化体系和技术标准，并已经开始在其他项目中批量版复制模，成本如表2所示。

系统中核心设备功能如下：

激光发生器: 产生激光后耦合并输出成一定波长的激光光束（配合冷却系统使用）。

光纤：负责传输激光器发出的激光束到激光焊接头（为保证设备的正常使用，一般需要有1条备用光纤，图2中设备3）。

表1 激光钎焊与钎焊、CO2焊的比较

图2 激光钎焊工业化系统

焊接头：传输激光经过光头校准处理后，可以变成具备一定加工性能的能量光束。

机器人系统：负责焊接轨迹行走，调用焊接参数，给出适当的电气信号。

独立焊接工作间：由于大功率激光器的激光光束能量巨大，可伤人，所以焊接须在封闭空间内进行。

自动化控制电柜：负责各种电气信号处理，协调机器人、激光焊接头、激光器和自动化焊接夹具的信号交换。

工装夹具：确保零件装配尺寸，保证焊缝位置的重复精度。

抽风系统：焊接时镀锌层高温气化会产生烟雾、有害气体，需要安装抽风系统。

系统设备使用率：①节拍。顶盖激光钎焊的焊接速度为75mm/s，起弧与收弧各需耗损8mm/s，以1 500mm左右焊缝长度为准，纯激光焊接时间约为28s。②能耗。主要能耗产生在光源上（其他设备忽略不计），光电效率约30%，节拍1.5，光源工作时间30s。为提高光源的使用率，可以通过光闸实现增加光源的分时功能。

（2）白车身顶盖激光钎焊全工艺流程 顶盖激光钎焊是较为典型的激光钎焊实例。为输出令客户满意的激光焊接质量，需要从白车身制造源头进行工艺控制。其中焊装车身线是其中最为重要的一环，以下结合神龙公司B73/MX3项目实例，介绍为完成顶盖激光焊接所设计的车身线工艺流程（见图3）。

成形机：通过成熟的车身成形机构实现地板、侧围、后围板、后隔板、横梁的拼接成形，完成白车身壳体的主体框架，它基本完成了车身的主体尺寸控制。激光钎焊的特点决定其对于工件拼接的间隙有严格的要求和较高的敏感度，而成形机的主要贡献就是能够有效的保证车身的几何尺寸，尤其是车身开度，由此保证顶盖与侧围间隙的可调和可控。同时，成形机的基准定位可以有效的保证车身合装在工业化批量过程中重复性和稳定性。

顶盖成形工装：该工装的主要功能是在顶盖前后焊接若干个焊点（试验表明在顶盖前部焊接两个焊点，顶盖后部焊接2~4个焊点时焊接质量最为稳定）来确定顶盖在车身的位置，即顶盖相对于侧围的基本位置。该工装设计了Y向浮动（见图4）和Z向压紧功能，可通过这两项设计辅助调整侧围与顶盖间的间隙尺寸。

激光焊浮动工装（见图5）：由若干个弹性压头组成（压头的数量取决于顶盖的整体长度），通过调节弹簧的弹性系数来调整对顶盖的Z向压紧力，以辅助完成对侧围与顶盖的间隙尺寸调整。

表2 神龙公司顶盖激光钎焊系统成本参考（2012年）

图3 车身线顶盖焊接工艺流程

图4 浮动机构原理

图5 顶盖激光焊浮动工装

激光焊返修工序：激光钎焊的良好外观是我们积极广泛使用该项技术的主要出发点。但由于激光的敏感性，难免会出现质量的细微波动，对于不能满足我们质量要求的车辆，我们必须在节拍范围内留有一定的返修工序。

顶盖后续焊：在完成顶盖激光钎焊后，完成前后部剩余点焊即完成整个顶盖在白车身上的焊接工作。

（3）顶盖激光钎焊的质量控制 对激光钎焊产生影响的因素包括：光斑参数、母材的冶金属性、激光功率、材料吸收率、焊接速度、保护气体、焦点位置、激光束位置，在焊接时会对焊缝产生不同影响。

神龙公司焊装车身顶盖激光焊接，经过若干项目的经验积累和总结，已基本掌握了影响车身顶盖激光钎焊焊接质量因素（见图6）的控制方法，并形成了顶盖激光钎焊质量接收及返修工艺标准。

对于顶盖激光钎焊，质量标准：宽度（2±0.5）mm，表面平滑，收弧起弧良好。为获得完美激光焊缝，大量工艺试验证明：①激光加热位置在焊丝与母材接触处可获得最好的铺展效果和焊缝成形。②焊丝与镀锌板的夹角越小，越容易获得成形美观的焊缝。角度过大，焊缝表面成形不均匀，焊接过程不稳定。③焊丝从光束后方送入，焊缝成形良好，焊接过程稳定；焊丝从光束前方送入则易出现粘丝、焊缝表面易呈鱼鳞状。④焊丝填料方向与焊接方向相反（机器人的行走方向即焊接方向）更易获得好的焊缝质量。⑤光斑直径的选取应与所要求的焊缝表面宽度相匹配（钎焊光斑直径=2倍钎丝直径）。⑥在镀锌层的存在下 ，加氩气保护对钎焊缝成形无显著影响。在无钎剂惰性气体保护或活性气体作用下的氧化膜去除机理有待于进一步的研究。⑦激光功率过小，钎料未能完全润湿铺展，焊缝表面不光滑。激光功率过大，钎料向焊缝的过渡不连续，出现了间断的焊缝。试验结果表明，激光功率选择高于使焊丝恰好熔化的功率200～300W时可获得成形良好的焊缝。⑧送丝速度与焊接速度相差越小，越容易获得稳定焊接过程和成形良好的焊缝。但两者具体取值，还与焊缝所要求的钎料填充量有关。

通过比较有镀锌层和去镀锌母材钎焊发现，镀锌层的存在有利于钎料润湿铺展，钎缝成形良好。机器人行进过程中每两个轨迹点最大间距以60mm为最佳。

（4）零件设计工艺要求 激光钎焊是在两个工件拼接缝处进行钎丝熔融的过程。对于顶盖激光钎焊所涉及的工件为顶盖和侧围，那么我们根据经验提出对工件设计的工艺要求。

首先，冲压件尺寸要求（见图7），顶盖公差（Z±2）mm、（X±1）mm、（Y±1.5）mm。侧围外板上与顶盖Y向贴合处连续8mm范围内面的位置度要求±0.5mm，面的轮廓度要求0.6mm，且平整，过渡均匀，不可有明显凸凹；表面接刀痕台阶高差＜0.2mm，在焊接区域型面避免镶块工艺过度凸起；顶盖上与侧围外板贴合处位置要求±0.5mm，面轮廓度要求0.6mm，不可有明显凸凹；表面接刀痕台阶高差＜0.2mm；顶盖上与前后横梁Z向贴合面位置要求0/+1.5mm，向Z+方向偏置。

其次，冲压件形态设计。顶盖激光钎焊焊接方向一般从车身的后部向前部焊接，收弧位置，我们建议在顶盖边缘处，侧围设计成明显的坡度形式（见图8），这样光头可以更为方便避开工件，保证收弧质量稳定性。

顶盖左右翻边R角的大小会影响焊丝熔化后浸润和平铺效果。试验表明，R设计的越小，焊缝浸润及平铺效果就越好，焊缝表面越光滑。同时发现，如果侧围和顶盖的R皆接近90°时，所得到的焊接效果最为理想。

图6 顶盖激光钎焊的质量影响因素

图7 冲压件尺寸要求

图8 侧围坡度设计示意

4. 结语

激光焊接是新兴的焊接技术领域，但却有着传统焊接工艺无法比拟的优势。同时，随着近些年国内外汽车厂家积极广泛地推动激光焊接技术的工业化应用，促进了激光焊接工艺和激光设备技术的不断成熟，有效地降低了激光焊接工业化成本，也培养了大批激光焊接方面的技术人才，开辟了薄板焊接新领域，为汽车厂家降低汽车白车身质量，增加车身强度，改善零件焊接工艺性，提供了新的解决思路。我们相信，激光焊接技术必然得到更加广泛地应用和更为深入研究。