李興陽 周 麗

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春建筑學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130607）

車身頂蓋和側(cè)圍激光釬焊以光束傳輸熱源，熔化釬料，連接兩基材，此種焊接方式較傳統(tǒng)激光釬焊需要更為嚴(yán)格的工裝夾具，以保證車身拼配，達(dá)到穩(wěn)定的接頭間隙，以利于形成穩(wěn)定的焊接接頭。與此同時(shí)，對(duì)涉及焊接系統(tǒng)內(nèi)的激光焊機(jī)、焊接鏡頭、送絲系統(tǒng)和保護(hù)氣體等設(shè)備的穩(wěn)定性要求甚高。因此，激光釬焊焊接工藝影響因素和此系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備息息相關(guān)，只有匹配好各個(gè)設(shè)備間的運(yùn)行參數(shù)和焊接工藝要求，并保證逐個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，才能得到合格并穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量。

1 工裝夾具和板材匹配

頂蓋和側(cè)圍的搭接屬于卷接方式，且在X、Y、Z 直線系內(nèi)均需保證一定的功能尺寸定位和車身匹配。側(cè)圍和頂蓋的車身定位在Y 向需要采用電機(jī)帶動(dòng)直線和回轉(zhuǎn)類工裝夾具進(jìn)行定位和夾持固定，機(jī)械化的傳動(dòng)方式涉及氣動(dòng)傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等；在Z 向需要對(duì)頂蓋進(jìn)行下壓，以保證和側(cè)圍的貼合度，采用了真空閥傳動(dòng)方式。激光釬焊的完成借助于SEF 機(jī)器人，其重復(fù)定位達(dá)到0.02mm，機(jī)器人焊接任務(wù)的完成相對(duì)于夾具屬于變位置焊接，因此，對(duì)變位機(jī)械夾具應(yīng)具備如下性能：變位機(jī)械需要有較寬的調(diào)速范圍，穩(wěn)定的運(yùn)行速度以及良好的結(jié)構(gòu)剛度；直線傳動(dòng)過程中需要穩(wěn)定的滑道系統(tǒng)，并有自鎖和軟性緩沖功能；與焊接機(jī)器人和精密焊接作業(yè)配合的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度控制在0.02 至0.05mm 之間；良好的水、電、氣連接和防護(hù)措施；整個(gè)結(jié)構(gòu)要有良好的密閉性，以免焊接飛濺物對(duì)滑道和汽缸拉桿造成損傷；頂蓋和側(cè)圍焊接區(qū)域干凈整潔無異物，防止因灰塵造成熔池污染或損傷焊接鏡頭鏡組和真空吸盤；夾具夾頭（夾爪）在X、Y、Z方向可調(diào)，便于增減墊片，針對(duì)弧形薄板接觸夾頭采用硬樹脂材質(zhì)，減少接觸沖擊力，防止零件變形；應(yīng)滿足導(dǎo)線接地、隔磁和絕緣等方面的特殊要求。

除上述要求外，焊接夾具的設(shè)計(jì)原則和其他機(jī)械設(shè)計(jì)原則一樣，首先必須使焊接機(jī)械裝備滿足工作職能的要求，在這個(gè)前提下還應(yīng)該滿足操作、安全、外觀、經(jīng)濟(jì)上的要求。

2 激光功率和送絲設(shè)備

固體激光器光束可以通過光纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，將激光焊機(jī)和焊接工位分開以保證焊接工位封閉對(duì)操作人員的安全，這一優(yōu)點(diǎn)正是該類型激光器得以廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)的原因。焊接過程中金屬對(duì)激光的吸收與激光波長(zhǎng)、材料性質(zhì)、溫度、表面狀況、偏振特性等一系列因素有關(guān)。

激光被加工材料吸收后將光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能。在不同的激光輻射照度下，材料表面狀態(tài)將發(fā)生不同的變化，這些變化包括溫度的升高、熔化、汽化并形成小孔、產(chǎn)生等離子體等，材料表面物態(tài)的變化反過來又極大地影響材料對(duì)激光的吸收。綜合熱鍍鋅、釬料Cusi3 和基材碳鋼的材料性質(zhì)，在保證離焦量和焊絲位置不便的情況下，激光釬焊對(duì)功率的需求在2500-3500W 之間，但這個(gè)功率需要同焊接速度和送絲速度做匹配。

激光束照射到焊絲上時(shí)，對(duì)焊絲將發(fā)生三方面的作用：一部分激光被焊絲吸收，使焊絲升溫、熔化，成為熔池的一部分；一部分被焊絲反射掉；余下的一部分則加熱焊絲熔化形成熔池后的兩側(cè)基材并通過焊絲中形成的小孔，穿透焊絲對(duì)下面的工件加熱。焊絲對(duì)激光的吸收、反射和被透射的具體形式以及三部分能量的分配比例，隨著焊接參數(shù)的變化而變化。研究表明，當(dāng)送絲速度超過5m/min 后，被反射的光束能量達(dá)到一個(gè)飽和值，為光束能量的35%，而50%的光束能量被吸收，余下的15%則是透過焊絲和被金屬蒸氣等離子體帶走能量的總和。除送絲速度外，焊絲和光束位置、送絲方向、焊接速度都有交叉影響，因此，互相制約的參數(shù)選擇必須嚴(yán)格控制和匹配。

與此同時(shí)，功率的匹配需要和焊接鏡頭發(fā)射的光束同焊接區(qū)域的夾角做考慮，不同的夾角，對(duì)板材的吸收和發(fā)射率不同。該夾角對(duì)于送絲設(shè)備而言，即送絲角度，送絲角度是焊絲和板材表面的夾角，為激光釬焊的一個(gè)重要的參數(shù)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，夾角通常選在35-45°，角度過大或過小對(duì)送絲的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都是不利的。因?yàn)?，為避免工件或管束的干涉，焊絲導(dǎo)向嘴需要安裝在距離焦點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，使焊絲從導(dǎo)向嘴外伸的非導(dǎo)向段過長(zhǎng)，影響Cusi3 焊絲對(duì)熔池的指向性。

焊絲同光束的相對(duì)位置是激光釬焊的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅影響焊絲的熔化速度，而且對(duì)焊縫的成型質(zhì)量也有很大的影響。理想的要求是光束焦點(diǎn)位于工件表面，而焊絲位于光斑的中心，此時(shí)焊縫成型最好，焊絲熔化量最大；焊絲如偏離焦點(diǎn)位置，無論在高度（Z 向）或橫向（Y 向，與焊接方向垂直）偏離焦點(diǎn)，熔化量都會(huì)下降。為確保每件焊縫起始端焊絲位于焦點(diǎn)中心，常采用激光切絲或切絲機(jī)切絲。

關(guān)于焊絲對(duì)激光的反射和送絲速度的關(guān)系，幾乎所有的研究均表明，隨著送絲速度的增加，焊絲對(duì)激光的反射增強(qiáng)。不同激光功率時(shí)送絲速度與焊絲對(duì)激光束反射比的關(guān)系，在一定激光功率下，送絲速度越高，被焊絲反射的激光功率越高，反射比也越大；而送絲速度一致時(shí)，激光功率越大，則反射比越小。例如，當(dāng)入射激光功率為1kW 時(shí)，送絲速度由1m/min 增加到5m/min 時(shí)，焊絲對(duì)激光的反射比從12%增加到47%；當(dāng)激光功率為5kW 時(shí)，相應(yīng)的反射比曾由4%增加到9%。

3 激光焊接鏡頭和保護(hù)氣體

自適應(yīng)性焊接鏡頭將激光光纜傳輸?shù)墓馐M(jìn)行準(zhǔn)直聚焦后，得到所需要的的光斑和相應(yīng)的功率密度，其準(zhǔn)直和聚焦透鏡需要進(jìn)行水冷，以防止鏡組漫反射造成灼燒。為了彌補(bǔ)焊縫在高度（Z 向）和寬度（Y 向）位置的變化，鏡頭廠家提供的焊接鏡頭在Z 向增加了壓力彈簧和直線位移傳感器；在Y 向采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使送絲頭部一直沿著焊縫區(qū)域?qū)蛳氯?。Z 向和Y 向的偏離量將通過鏡頭控制軟件反饋，以便操作者對(duì)軌跡進(jìn)行修正和試教。為了保證焊接鏡頭的運(yùn)行穩(wěn)定性，在機(jī)器人程序編制過程中需要依據(jù)鏡頭焊接模式進(jìn)行切換，尤其在鏡頭探測(cè)模式，需要較寬裕的空間并避免夾具干涉，防止鏡頭報(bào)警。在焊縫模式下，匹配合適的導(dǎo)向力，以適應(yīng)頂蓋和側(cè)圍的搭接Y 向偏差，但需要注意，一旦±Y≧0.2mm，鏡頭Y 向電機(jī)將出現(xiàn)過載報(bào)警，鏡頭導(dǎo)向模式已超出最大工作范圍，導(dǎo)向功能消失并使鏡頭產(chǎn)生報(bào)警，此時(shí)需要人為調(diào)整頂蓋和側(cè)圍的匹配。

［1］胡倫驥.汽車板激光焊工藝研究[J].鋼鐵研究，1995（5）.

［2］陳俐.YAG/MAG 激光電弧復(fù)合焊工藝研究[J].工藝與新技術(shù).2004（4），33（4）：21-23.

［3］Kazutoshi NISHIMOTO，and Hiroaki MORJ，Effect of Nitrogen and Solidification Mode on Hot Cracking Susceptibility in Laser Weldsof Austenitic Stainless Steels[J]，Proc.of SPIE Vol.4831：214-222.