激光焊保护镜片消耗优化策略及其应用

张 明，李冠群，潘晓刚

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

激光焊接目前已经成为工业发达国家汽车车身制造中应用广泛的一种成熟工艺。采用机器人激光焊接技术取代传统的焊接工艺，不仅可以提高焊接质量，改善车身部件的机械力学性能，而且可以节省材料，大大降低车身的制造成本[1]。

目前北京奔驰选用Scansonic 公司开发的ALO3 系列激光熔焊工作头，并配置送丝系统，实现填丝熔焊功能，其实物如图1 所示[2]。

图1 ALO3 实物和结构

由于激光焊工艺，尤其是填丝熔焊设备，由于其能量密度高、功率大、焊接速度与送丝速度快，导致熔池稳定性差，造成飞溅状态严重。激光头前端接近焊源部位有保护镜模块和气帘模块，保护镜片及气帘模块如图2 所示。其中保护镜片可以根据污染程度进行清洁和更换，气帘模块通过喷嘴输出一层压缩空气形成保护层，减少飞溅对保护镜片的污染。针对北京奔驰装焊车间主要发生的问题，提出优化方案，保证设备运行的稳定性。

图2 保护镜片及气帘模块

1 现状及影响因素分析

目前激光填丝熔焊的飞溅形成原理复杂以及防飞溅措施单一，造成保护镜片更换频率较高，达到每班次10 次左右水平，每次更换镜片都需要停线3 min，对线体的正常工作造成较大影响。另外，由于保护镜片造价较高，频繁的更换镜片也为生产运营成本带来较大负担。通过分析，其影响因素包括以下三类。

1.1 固定因素

主要包括设备因素，主要体现为不同品牌的激光焊产品虽然在大致原理上相似，都可以保证工艺质量的要求，但在具体的细节实现上还是有差别。比如在飞溅防护措施，不同厂家的构造原理、采用的媒介、使用的强度等都有所不同，这就造成了不同设备之间天然的飞溅差距。固定因素还指不同的工艺要求，比如说熔焊与钎焊，由于工艺方法的不同，所以焊接功率，焊接速率等都会不同，造成焊接飞溅的差距。即使都是熔焊，飞行焊和填丝熔焊也有本质的差别，在焊接中加入焊丝填充，会导致熔池的不稳定，所以也会造成飞溅的不同。最后一个固定因素体现在工作量的不同，即使设备及工艺的选择是一样的，但不同工位的零件焊缝长度是不一样的，由此带来在相同零件产量下，不同工作量的工位产生的飞溅量是不一样的，所以保护镜片的使用量也会不一样。讨论固定因素的用意在于把此类因素当作背景条件，说明在研究如何减少保护镜片消耗的问题上，比较具有不同固定因素的两个工位没有意义，只有在固定因素相同的情况下比较才有意义。

1.2 飞溅产生因素

针对北京奔驰使用的激光熔焊的设备与工艺进行分析。

（1）影响飞溅产生的因素为机器人TCP 的偏移。对于填丝熔焊来说，TCP 指焊丝的尖端，激光光斑以及机器人工具坐标原点的重合点，其中调整重合度是设备可以正常使用的前提。在填丝焊接过程中，激光首先作用在焊丝上，焊丝被加热熔化后填充搭接焊缝法兰边，在激光继续作用下，基体金属熔化并形成匙孔。填充焊丝的加入，使得在激光填丝焊工艺过程中，光束与焊丝相互作用的机理比较复杂，当激光束照射在填充焊丝上时，能量被吸收，一部分用于熔化焊丝，一部分使得金属汽化，部分能量从焊丝的表面反射。在焊丝的端部，固态焊丝的熔滴均可反射激光束，熔滴的反射占总焊丝反射的70%左右。

材料对激光的吸收率随着温度升高而增大，金属材料在室温时的吸收率都很小，当温度升高至接近熔点时，其吸收率可达40%～50%，如温度接近沸点，其吸收率高达90%。另外，金属材料在高温下形成的氧化膜会使吸收率显著提高。

焊丝与激光束的相对位置关系是填丝激光焊的一个重要参数，它不仅影响焊丝的熔化速度，而且对焊缝的成形质量也有很大影响。文献[3]表明，当送丝位置偏离焊缝中心线0.25 mm 时，对于1 mm 的焊丝熔化效率会降低36%左右。一般情况下，送丝位置应尽可能对准焊缝中心线，即TCP 调至正中位置，TCP 及Weldeye 记录焊接过程如图3 所示。车间使用的ALO3 焊接头配备Weldeye 焊接监控系统，能够实时检测焊接过程中光丝的相对位置，并记录。

图3 TCP 及Weldeye 记录焊接过程

（2）送丝系统稳定度。激光填丝熔焊的填丝，使得激光焊接的工艺非常复杂，掌握不同焊接条件下激光填丝焊的送丝特性是获得优质焊缝的先决条件[4]。送丝速率是激光填丝焊的重要工艺，合理选择送丝速率可以充分利用激光能量，提高生产效率。送丝速率太快或太慢，会导致过渡到熔池中的焊丝熔滴堆积或欠缺，同时也会影响激光与焊丝、母材之间的相互作用，从而影响焊缝的成型。一般使用的送丝机构需带有反馈作用，能够在焊接过程中保持设定的送丝速率不变。文献表明，激光焊接过程中焊丝几乎100%过渡到焊接熔池中，因此可通过焊接过程的物质平衡来计算送丝速率，焊缝截面的余高和拼焊的间隙均依靠焊丝填充。根据焊件厚度与间隙的大小，送丝速率与焊接速率存在如式（1）所示：

式中 α——焊丝插入搭接焊缝的焊接角度，°

δ——工件厚度，mm

VR——焊接速度，m/min

D——焊丝直径，mm

VW——送丝速度，m/min

K——成形系数，由余高的要求确定，取0.85～1.1

该工位为搭接焊缝，搭接上下板的板厚均为1.65～1.75 mm，使用的焊丝为低碳钢，焊丝直径为1 mm，使用带有负反馈功能E-BOX 送丝控制系统，能够保证焊接过程具有稳定的丝速。

经计算，焊接丝速的合理调整区间为5.3～6.5 m/min。调试过程中，采用5.5 m/min、6 m/min、6.5 m/min 的送丝速率，对比观察在不同焊接丝速对焊接飞溅的影响，并对焊接熔深、A 值等质量标准进行对比。

（3）板件搭接缝隙。为了保证焊缝饱满，不存在过多的凹陷、咬边等缺陷，送丝速率与焊缝搭接间隙成正比。但是，过大的焊接间隙会导致焊丝熔液从缝隙中流出，无法更好的加热上板，焊接飞溅变大。同时焊丝熔液无法填充焊缝搭接法兰边，造成焊缝凹陷，形成质量缺陷，搭接间隙过大的金属液流动及焊缝剖面如图4 所示。

图4 搭接间隙过大的金属液流动及焊缝剖面

（4）离焦量变化。离焦量是焦点到板材之间的距离量。离焦量与光斑直径的对应关系如图5 所示，离焦量不同，激光光斑落在板材的直径就不同，从而影响光斑的功率密度，进而影响焊接过程。车间激光填丝熔焊使用的ALO3 加工头具有的自动聚焦模块，能够通过TA 轴的伸缩量调节离焦量。

图5 离焦量与光斑直径的对应关系

调试过程中，采用LA=60、55、50、40、25，测试不同离焦量对焊接飞溅的影响，同时对比焊缝熔宽以及表面质量。

1.3 飞溅阻挡因素

（1）焊接轨迹角度。填丝熔焊中，一般要求焊丝在铅垂面上与焊缝共面，这样当送丝过程发生微小变动时，也能保证熔滴的稳定过渡。焊丝的直线度对于焊接的稳定性非常重要，影响焊丝对光束能量的吸收与焊接过程的稳定性，为了保证焊丝正好送到光轴与母材的交汇点，在焊丝末端有金属丝嘴引导焊丝。调试过程中，通过Weldeye 优化调整每一个轨迹点的焊丝投影，焊丝垂直投影与焊缝平行如图6 所示，保证整个焊接过程中焊丝投影。

图6 焊丝垂直投影与焊缝平行

一般焊丝与焊接方向的夹角在30°～75°较为合适。同时，由于板材对激光有反射作用，同时，激光焊接过程中造成的飞溅的主要方向是垂直于焊接焊缝的，所以为了避免反射的激光通过透镜进入激光头甚至是激光源，以及避免焊接飞溅直接飞入激光头，优化调整每一个焊接点激光的入射角度，保证在整个焊接过程中入射角度为6°。

（2）气帘模块。实际激光焊接过程中，对于高功率激光的光学系统，有老化、被污染问题，同时焊接过程会产生热透镜效应等现象，对焊接过程和焊接质量会产生影响。车身二工厂激光填丝熔焊系统使用的是Scansonic 公司生产的ALO3 激光加工头，其结构如图2 所示，在靠近焊缝位置有cross-jet 气刀模块，通过横向吹气的方式吹散焊接飞溅，保护其上部的保护镜片。

气刀模块使用空间压缩空气，气体压力可以在0～0.7 MPa 进行调整，气流量在0～620 L/min。

2.3.5 SaO2 纳入4篇文献，各研究间存在异质性（P＜0.000 1，I2=90%），采用随机效应模型进行Meta‐分析，见图5。结果显示治疗前后试验组SaO2增加值显著大于对照组，差异有统计学意义［MD=5.32，95%CI（3.14～7.50），P＜0.000 1］。

调试过程中，气刀压力及气流量采用0.4 MPa（360 L/min）、0.5 MPa（450 L/min）、0.6 MPa（540 L/min）、0.7 MPa（620 L/min）四组保护气体流量，对比观察保护气体压力/流量对焊接飞溅及焊缝质量的影响。

2 方案提出

由于上文所述的固定因素实际上为一个工位的固定属性，不能更改。所以接下来只针对飞溅的产生因素以及阻挡飞溅的因素进行优化方案的提出及验证。

2.1 TCP 影响

激光填丝焊中，入射的激光束在透过表面的等离子云之后，首先作用在焊丝上，许多研究表明，激光束照射在焊丝上时通常会发生三方面的作用：一部分激光能量被焊丝吸收，使焊丝升温、熔化，成为熔池的一部分；一部分被焊丝表面反射；剩余部分穿过焊丝对工件进行加热，形成匙孔。其中，反射比、吸收比与投射比满足式（2）：

式中 R——反射比

A——吸收比

τ——透射比

焊丝与与光束横向偏离时，会导致焊丝熔化量下降。在实际调试过程中发现，TCP 在横向发生-0.1 mm、-0.2 mm 的少量偏移时能够避免低功率时焊接飞溅的急剧增加；但是，当偏离超过-0.3 mm 时，熔化量急剧下降，焊丝容易弯曲，造成横向摆动，引起焊丝熔化不均匀，成形不稳定；在横向偏移为+0.1 mm 时飞溅也急剧增加，经分析认为光斑过多的照射上板，导致丝熔液倾向于附着在上板，形成的焊缝垂直方向较高，同时熔液在重力作用下有向下板流动的趋势，造成熔池不稳定，飞溅急剧增加。相对光斑横向偏离的TCP 如图7 所示。

图7 相对光斑横向偏离的TCP

依据红外线激光与金属材料相互作用的基本理论，同种材料不同温度下对红外激光的吸收比：

ρ20——金属材料在20 ℃的电阻率，Ω·cm

γ——电阻温度系数，℃-1

λ——激光波长，cm

T——金属板材的温度，℃

在同样条件下，TCP 横向偏离时，光斑更多的加热板材，板材温度越高其对电阻率影响越大，对激光的吸收比越高，反射比越低，导致熔池的不稳定状态，从而导致焊接飞溅增大。

2.2 送丝速率及离焦量的变化影响

焊接功率和送丝速率是激光填丝焊的重要参数，并且相互影响。送丝速率对焊丝的熔化行为以及对激光的吸收、反射性能有很大影响。在较低的送丝速率下，焊丝在与激光直接接触前已经熔化，熔化的焊丝形成大的熔滴，激光束直接照射在金属基材上，但焊丝熔滴的不确定晃动会造成照射在金属基材的激光束不稳定，匙孔的不稳定会引起焊接飞溅增大，同时焊缝凹陷，外观质量不良。送丝速率过高时，激光被焊丝全部屏蔽，焊丝被连续熔化，但其下部仍为固态，激光束无法传递至金属基材，造成焊接熔深不足，强度不满足使用要求。

调试过程中采用不同的焊接送丝速率，发现送丝速率在6.5 m/min 时功率稍低焊接飞溅就非常大，不利于飞溅的控制，同时过大的送丝速率需要同时匹配高焊接功率，不利于焊接工艺的稳定。5.5 m/min 的送丝速率已经能够满足焊缝的饱满，故送丝速率5.5 m/min、焊接功率4.45 kW 可以满足焊接要求。

在焊接功率不变的情况下，降低焊接离焦量能够减小光斑直径，增大光斑的功率密度，有利于焊接熔深。但是，实际调试中发现，当离焦量低于40 时，光斑直径Φ＜1 mm，光斑直径比焊丝直径小，不能稳定的熔化焊丝，熔池不稳定，对焊接飞溅的控制有负面影响。同时，小光斑无法对金属基材进行预热，造成焊丝熔液与板材润湿性不足，焊缝呈圆柱形趋势，外观质量差。

2.3 气帘模块

焊接飞溅的控制，一方面是为了保证合格的焊接质量，另一方面是为了保护光学镜片，降低成本。气刀是阻止飞溅污染光学镜片的唯一途径，是防止光学镜片污染的重要一环。

实际调试过程中，调整气刀压力值0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，对比观察其对飞溅的屏蔽效果。结果发现，气刀压力为0.7 MPa 时保护镜片更易污染。分析认为，气刀横向吹气时，在气刀上方会形成负压状态，激光房的空气会被吸入空腔，落在光学镜片上，过大的气刀压力形成的负压大，更多的空气被吸入，进而更容易污染镜片。同时，气刀上若有缺口会造成保护气流部分的紊流状态。过大的压力会放大造成紊流的影响面积，进而将焊接飞溅吹到光学镜片上。

调整中发现，在更换气刀模块之后，保护镜片的更换频次急剧下降，最终认为最可能的原因是气刀模块表面有焊渣或缺口损坏，造成保护气流形成紊流，将飞溅吹至光学镜片，造成镜片污染，如图8 所示。

图8 气刀口有损坏，形成紊流

3 效果验证及结论

3.1 镜片消耗数量

自8 月中旬至10 月下旬，保护镜片使用量日均17 片，超出正常水平的13 片。通过上述因素分析及优化方案的实施，能达到每天4 片的状态，镜片昂贵，节省运营成本。

3.2 结论

经过几个月的一系列的调试，总结如下：

（1）当出现换镜片数量短时间内加剧的情况时，首先判断气刀模块是否损坏。

（2）焊接时的前进角应保证在7°。

（3）工装焊件缝隙应调整至0.2 mm 以下，否则会出现焊段质量报警和飞溅大问题。

（4）当出现TCP 必须偏着调才能保证质量时，说明轨迹不适合当前焊缝，需要调整。

（5）在保证焊接质量前提下，且焊接过程中焊丝抖动较小，减小LA 值可帮助减小飞溅。

（6）丝速问题会使飞溅一定程度的增加，注意丝速异常，将丝速控制在合理水平。

（7）内镜片出现脏污应及时清理。