激光钎焊及激光填丝熔焊在北京奔驰焊接中的应用

张 妍，韩 鹏，潘晓钢

（北京奔驰汽车有限公司，北京100176）

激光钎焊及激光填丝熔焊在北京奔驰焊接中的应用

张 妍，韩 鹏，潘晓钢

（北京奔驰汽车有限公司，北京100176）

从设备应用及质量调整等方面介绍了激光钎焊及激光填丝熔焊在北京奔驰白车身上的应用。开发了一套完善的激光钎焊及填丝熔焊接系统，激光源选择TRUMPF公司开发的TruDisk系列激光源，激光工作头选用SCANSONIC公司开发的ALO3系列，并选配Weldeye系统对焊接过程进行监控记录；设计了一套基于ALO3激光工作头的工艺调试办法和参数设计，介绍焊接姿态、焊接参数以及焊接轨迹的设计；总结裸眼判断焊缝质量的方法，列举了单边连接不良、熔深以及气孔等几种常见的焊接缺陷以及优化方法。结果表明，激光钎焊及激光填丝熔焊焊接质量良好且长期稳定，废品率低。

激光钎焊；激光填丝熔焊；白车身；焊接质量控制

0 前言

20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注[1]，经历使用改进，现已成为一种成熟的焊接技术。因其具有焊接速度快、焊接质量高等优点而被广泛应用于整车厂焊接、管道焊接及其他焊接质量要求较高的零部件加工。在此从设备使用及质量控制等方面，介绍激光钎焊及激光填丝熔焊在北京奔驰的应用。

1 设备系统选型

激光钎焊/填丝熔焊接系统主要由激光源、激光工作头、送丝系统、冷却系统、激光房、机器人、PLC、送丝系统、激光焊接质量检测单元及激光功率检测等组成。

1.1 激光源选型

激光源是产生激光的设备，本研究选用TRUMPF公司研发的碟式激光器TruDisk 4C系列激光源。激光源及相关设备选型如表1所示。

表1 激光源及相关设备选型

1.2 工作头选型

北京奔驰选用Scansonic公司开发的ALO3系列激光钎焊/熔焊工作头，且选配基本一致。唯一不同的是光学比，激光钎焊为保证对母材的良好润湿性，光学比选为2.1，激光填丝熔焊光学比选为1.0。ALO3激光头选配：自动调焦模块、摆臂模块、力平衡及重力平衡模块、伸缩臂模块、丝嘴位置调节模块，如图1所示。ALO3上还安装了Lessmuller公司开发的Weldeye模块来记录焊接过程信息。

图1 ALO3示意

（1）伸缩臂模块。伸缩臂内置直线电机，可以随着板件的上下浮动而浮动，并对板件施加一个相对恒定的压力。

（2）自动调焦模块。调节焦点位置，从而调节打在板件上的光斑大小。此模块可设置模式为随伸缩臂上下浮动，保证打在板件上的光斑不会随ALO3相对于板件上下浮动而改变，从而保证焊接过程稳定。

（3）摆臂模块。摆臂模块为焊缝追踪功能提供了自由度，可以随焊缝摆动而摆动。

（4）力平衡及重力平衡模块。ALO3的伸缩臂上安装有力传感器和倾斜传感器，用于测量摆臂所受到的外力（重力和机械结构施加的力）。摆臂模块上安装有电机来平衡此外力，从而保证摆臂不受外力影响，只受参数操控。

（5）丝嘴位置调节模块。为保证丝嘴丝末段和激光点重合，选用丝嘴调节模块，可以从x、y、z方向调节丝嘴位置去适应光斑位置。激光斑点位置不做调整。丝嘴位置调节模块如图2所示。

（6）Weldeye系统。ALO3激光工作头上选装有Weldeye摄像机，方便调整丝嘴位置（见图3a），精度0.1 mm，并记录焊接过程。Weldeye系统收集激光功率、丝速及ALO3工作过程中各参数值的变化，为焊接中出现的问题分析提供依据（见图3b）。

1.3 送丝系统选型

要求选择送丝精度高、可控性强的送丝系统。北京奔驰激光钎焊及激光填丝熔焊选用ABICOR

BINZEL公司开发的送丝机构，该送丝系统出丝端安装有拉丝马达机构，相比只安装推丝马达机构的送丝系统反应更加迅速，丝速控制更加精确。

图3 Weldeye功能简介

2 焊接过程方法及参数设计

2.1 焊接姿态设计

（1）丝嘴在光路方向投影与焊缝夹角为零，如图4a所示。此设计是准确施加焊缝追踪侧向力及伸缩臂压紧力的前提，确保了焊缝跟踪的准确、稳定和可控。

（2）ALO3在焊接方向上倾角大于7°，如图4b所示。此设计防止大量反射光返回ALO3激光头光路。

（3）ALO3激光头式与焊接平面呈适当角度，使激光斑点均匀地分布于两板之间。此设计保证两板上的焊缝均匀，熔深相似，如图4c～图4e所示。ALO3对于搭接焊缝，倾角为45°～60°；对于等高对接焊缝，倾角为0°；对于不等高对接，根据高度差选择倾角为20°～45°。

2.2 焊接参数设计

激光钎焊及激光填丝熔焊主要的工艺参数有焊接速度、激光功率大小、送丝速度、离焦量、伸缩臂给焊缝的压力（TA力）、侧向焊缝追踪力（SA力）等。北京奔驰正在使用的一套参数如表2所示。

（1）焊接速度。

焊接速度除了受到激光功率的制约，还受机器人及激光工作头的性能影响（信号传输及其反应速度是否满足高速焊接的需求）。为保证焊接质量及其稳定性，焊接速度设定为0.6～0.7 m/s。

（2）激光功率。

激光功率选取主要基于焊接速度、焊接工艺、焊接板厚、送丝速度及离焦量。激光钎焊所需激光功率相对激光填丝熔焊较小；焊接板厚越厚，为获得合适的熔深，所需激光功率也就越大；送丝速度增大或离焦量增大，所需的激光功率也随之增大。北京奔驰一般使用钎焊焊接的板件厚度为0.7～1.6 mm，激光功率设置为1 800～3 000 W，填丝熔焊焊接板件厚度为1.2～1.8 mm，激光功率设置为4 500～6 000W。

（3）送丝速度。

送丝速度主要根据板厚和焊接速度决定。板越厚，所需填充的焊丝也就越多，焊接速度一定时，所需的送丝速度就越大。

（4）离焦量。

离焦量调整的目的在于变化光斑的大小。对于激光钎焊，还影响到对母材的润湿性。打在焊缝上的光斑应大于焊丝直径以保证焊接稳定性及对母材充分的熔化或加热。对于激光填丝熔焊，光斑过大会使能量不够集中，过小则不能很好熔化母材，一般调整光斑大小约为1.5 mm。查表光学比1.0，光纤直径0.6 mm，离焦量为6～7 mm。对于激光钎焊，可使用较大光斑，中心能量高用于熔化焊丝，边缘能量低用于加热母材，保证良好润湿性，一般将光斑调整为2 mm。查表光学比为2.1，光纤直径0.6，离焦量15～18 mm。

（5）伸缩臂对焊缝压力（TA力）。

为了保证焊接过程中伸缩臂良好的仿形功能，

需要有一个沿伸缩臂方向作用于工件表面的TA力。过小的TA力会使焊接过程不稳定，甚至发生丝嘴跳出焊缝的现象；过大的TA力会使焊丝弯曲变形，影响焊接效果。对于碳钢焊丝，TA力设为2～ 3 N；对于钎焊焊丝，由于焊丝较软，TA力一般设为1.5 N。

图4 焊接姿态示意

表2 工艺参数

（6）侧向焊缝追踪力（SA力）。

为了保证焊缝追踪功能的准确有效，除了TA力外，还需要有侧向焊缝追踪力，尤其对于搭接焊缝效果显著。一般SA力设为0～0.7 N。SA力和SA力方向如图5所示。

图5 SA力和TA力方向示意

2.3 焊接轨迹设计

焊接轨迹设计为每段焊缝最少由8个点组成，每个点的焊接策略如表3所示，焊接轨迹设计如图6所示。

表3 焊接轨迹方案

图6 焊接轨迹设计示意

3 激光钎焊焊接缺陷控制

激光钎焊在北京奔驰用于焊接外观件，因此对焊缝外观要求较高。

3.1 良好焊缝特点

（1）钎焊搭接焊缝。

a.焊缝均匀平滑的连接上下两板件；b.足够的熔深：焊缝背面能看到焊缝区域均匀的浅棕色烧痕；c.焊缝饱满且呈凸起圆弧状，平滑过渡连接上下两板件；d.焊缝高度等于上板件高度，焊缝宽度约为板件厚度的2倍；e.焊缝颜色为光亮的金黄色；f.母材无烧蚀痕迹。

良好的钎焊搭接焊缝如图7所示。

图7 良好的搭接钎焊焊缝

（2）对接钎焊缝。

a.两板件上的焊缝宽度大致相同且大于板厚；b.两板件焊缝形貌呈凹陷圆弧，均匀连接两板件；c.足够的熔深：两板背面焊缝处能看到焊缝区域均匀的浅棕色烧痕，且两板烧痕颜色相近；d.整条焊缝均匀平滑；e.焊缝颜色为光亮的金黄色；f.母材无烧蚀痕迹。

良好的对接钎焊焊缝如图8所示。

图8 良好的对接钎焊焊缝

3.2 焊缝缺陷

以搭接钎焊焊缝为例，例举几个常见焊缝缺陷及其成因。

（1）单边焊接不良缺陷。

单边焊焊接不良缺陷是指焊缝中出现了只连接了一侧工件，而对另一侧无连接或连接不良的焊

缝段。表现为焊缝单侧无连接、单侧孔缺陷，如图9所示。

图9 单侧孔缺陷示意

形成原因是侧板件加热不足，产生因素为激光光斑位置不佳、光斑过小等，使焊缝连接不良一侧板件加热不足，导致熔化的焊丝无法良好润湿母材。

解决方法是保证焊丝末端与激光半点重合，调整激光工作头ALO3与工件夹角，增加激光斑点在缺陷板件端的分布。必要时适当调大离焦量，即增大光斑，增加受热区域。

（2）红斑缺陷。

红斑缺陷表现为焊缝表面有红色斑块；焊缝对上板连接不均匀；下板焊缝边缘烧蚀；焊缝表面不均匀；焊缝背面深褐色甚至黑色。红斑缺陷示意如图10所示。

图10 红斑缺陷

形成原因是打在板件上能量过高，产生因素为光斑过小、焊接功率过大等。

（3）熔深缺陷。

熔深缺陷表现为焊缝表面粗糙，焊缝凸起弧度大且高度略高于上板，焊缝背面烧痕浅，如图11所示。

图11 熔深缺陷

形成原因是打在板材上能量过小，产生因素有焊接功率小、送丝速度快、光斑过大等。

（4）气孔缺陷。

气孔缺陷指焊缝表面出现针眼大的小孔，如图12所示。

图12 气孔缺陷

形成原因是板件上镀锌层受热成气态挥发后从焊缝表面逸出。产生因素有两板间距过窄、焊接功率过高，上下两板间隙保持0.2 mm最佳。

（5）焊缝不饱满缺陷。

焊缝不饱满缺陷主要表现为上下两板焊缝连接呈凹陷的圆弧，甚至焊缝无法覆盖上板边缘，如图13所示。

图13 焊缝不饱满缺陷

形成原因是送丝速度过低或两板件间隙过大。解决方法是提高送丝速度或减小两板之间的距离。

4 结论

从系统设计选型、工艺参数设计以及质量缺陷控制等方面阐述了激光钎焊及激光填丝熔焊在北京奔驰的应用。北京奔驰激光钎焊及激光填丝熔焊技术在长期的生产实践中保证生产高质量，提高了生产效率。

[1]陆斌锋，芦凤桂，唐新华，等.激光焊接工艺的现状与进展[J].焊接，2008（4）：53-57.

Application of laser brazing and laser fillet welding in BBAC

ZHANG Yan，HAN Peng，PAN Xiaogang
（Beijing Benz Automotive Co.Ltd.，Beijing 100176，China）

With the background of the body shop in Beijing Benz Automotive Co.Ltd.，the application of laser brazing and laser fillet welding is described in this paper.The system of laser brazing and laser fillet welding was developed，which based on TruDisk laser source designed by TRUMPF and ALO3 optic designed by SCANSONIC.The Weldeye system amounted on the optic was used to monitor welding process.A method of process optimization and parameter setting was designed，including welding posture of the ALO3，welding parameter setting and robot path of the welding process.A method of checking quality of the welding seams using human eyes was concluded.Some kinds of defects and the ways to optimize them were illustrated like jointing fault and pores.The result shows that with the equipment choosing,welding technology，parameter design and quality control，laser brazing system and laser fillet welding system are stable,and the quality of the seams can meet the requirement.

laser brazing；laser fillet welding；BIW；welding quality control

TG456.7

B

1001－2303（2016）09－0048-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.12

2016-02-13；

2016-04-16

张妍（1989—），女，内蒙古人，工程师，硕士，主要从事激光焊接、点焊、电弧焊等设备的运营与维修工作。