吳黎，吳歡輝，李榮，李小春

激光打點(diǎn)對鍍鋅鋼板激光飛行焊的影響研究

吳黎，吳歡輝，李榮，李小春

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司 產(chǎn)品工程技術(shù)中心，湖南 長沙 410082）

文章以廣汽菲克焊裝車間為背景，介紹了激光飛行焊技術(shù)及鍍鋅鋼板常見焊接缺陷與工藝優(yōu)化措施。通過金相分析及配對T檢驗(yàn)方法，驗(yàn)證預(yù)先激光打點(diǎn)工藝對車門激光飛行焊焊接缺陷的顯著影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光打點(diǎn)可以在95% 置信區(qū)間減少（2.706，4.361）個(gè)焊接缺陷。T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)技術(shù)替代破壞性試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，在焊接工藝優(yōu)化中得到越來越多的應(yīng)用。

激光飛行焊；激光打點(diǎn)；金相分析；配對T檢驗(yàn)

前言

鍍鋅鋼板因其良好的抗腐蝕性能在汽車制造中應(yīng)用廣泛，其表面低熔點(diǎn)、低電阻率的鋅層，使得電極燒損較快，焊接時(shí)金屬氣化嚴(yán)重，影響熔核的形成和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[1]。激光焊接由于焊接速度高、單位熱輸入量少、鋅層損耗低等優(yōu)點(diǎn)逐步被認(rèn)為是鍍鋅鋼板最有前途的焊接方法[2]。近年來，越來越多的自主汽車品牌也都建立了激光焊接生產(chǎn)線，如眾泰汽車，北汽福田等車門線都采用了激光飛行焊技術(shù)[3-4]。

激光焊接速度極高，鍍鋅鋼板貼合面處的鋅層極易氣化，形成的鋅蒸氣被壓入熔池內(nèi)部形成氣泡，使焊縫形成氣孔、飛濺、未熔合等缺陷，外觀質(zhì)量及焊縫性能均變差[2]。本文圍繞鍍鋅鋼板激光飛行焊常見缺陷及工藝優(yōu)化方法, 重點(diǎn)研究了激光打點(diǎn)對車門激光飛行焊焊接質(zhì)量的影響，運(yùn)用配對T檢驗(yàn)方法驗(yàn)證了激光打點(diǎn)對焊接缺陷數(shù)量的顯著性影響。

1 鍍鋅鋼板激光飛行焊技術(shù)介紹

1.1 激光飛行焊介紹

激光飛行焊即激光機(jī)器人的掃描焊接，機(jī)器人攜帶的激光工作頭通過振鏡進(jìn)行高速掃描，不接觸工件的情況下完成高速焊接[5]。激光飛行焊具有生產(chǎn)效率高，焊縫靈活，焊接搭接面小，變形量小等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。激光飛行焊通常在激光房完成，由房體、安全防護(hù)（光柵、掃描儀）、監(jiān)控系統(tǒng)、進(jìn)風(fēng)口、除塵口、觀察窗、維修安全門、進(jìn)出件快速開關(guān)門、光纖懸掛系統(tǒng)等組成，房體大小根據(jù)實(shí)際工裝夾具、機(jī)器人臂長、工藝布局等因素決定[3]。圖1為廣汽菲克車門激光飛行焊系統(tǒng)。

圖1 車門激光飛行焊系統(tǒng)

1.2 鍍鋅鋼板激光飛行焊常見缺陷及工藝優(yōu)化

激光飛行焊接時(shí)，零件結(jié)合狀態(tài)及配合間隙、激光功率、焊接速度、激光聚焦?fàn)顟B(tài)、起弧及收弧參數(shù)設(shè)置等都會影響鍍鋅鋼板焊接質(zhì)量。鍍鋅鋼板激光飛行焊常見的焊接缺陷如：氣孔、飛濺、焊渣、穿孔、未焊透、未熔合、開裂等。圖2為本司車門線激光飛行焊常見焊接缺陷。

圖2 車門線常見激光飛行焊接缺陷

生產(chǎn)中，鍍鋅鋼板激光焊接采用搭接接頭較為常見，減少鋅層蒸發(fā)和改善鋅蒸氣的排出是提高鍍鋅鋼板激光焊接質(zhì)量的根本途徑。湖南大學(xué)張屹總結(jié)了提高鍍鋅鋼板激光焊接質(zhì)量的工藝措施，包括板激光填絲釬焊、脈沖激光焊接、雙光束激光焊接、添加元素法、板間間隙法、開排氣孔法、吹送保護(hù)氣體、立焊、激光束的來回?cái)[動焊接以及焊前預(yù)先去除焊縫處的鋅層等方法[2]。

本司引入菲克集團(tuán)激光飛行焊生產(chǎn)線，通過預(yù)先激光打點(diǎn)改善焊接質(zhì)量。由于激光打點(diǎn)需額外投入激光房設(shè)備，且需要增設(shè)一道工序進(jìn)行取件及重新裝夾，現(xiàn)場班組及工廠提質(zhì)降本小組對于新項(xiàng)目是否配備激光打點(diǎn)設(shè)備及激光打點(diǎn)對焊縫質(zhì)量的作用存在較大爭議?；谀壳皣鴥?nèi)對于打點(diǎn)工藝的研究較少，特?cái)M定課題對此進(jìn)行研究，選取自由光右前門內(nèi)板焊接線進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

2 激光打點(diǎn)對焊接質(zhì)量影響實(shí)驗(yàn)分析

廣汽菲克車門線激光飛行焊系統(tǒng)使用意大利COMAU機(jī)器人及德國通快激光源，自由光車門內(nèi)板為MS-6000-55材料。右前門內(nèi)板共44道焊縫，包括內(nèi)板與窗框、內(nèi)板與玻璃導(dǎo)槽金屬支架等小件的連接。

2.1 焊縫金相分析

生產(chǎn)準(zhǔn)備預(yù)先激光打點(diǎn)與未打點(diǎn)右前門內(nèi)板各一套，完成內(nèi)板與窗框及玻璃導(dǎo)槽金屬支架等小件焊接。各選取3個(gè)位置焊縫切割樣件送理化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行金相分析。樣品A都預(yù)先進(jìn)行激光打點(diǎn)，樣品B未打點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4及表1所示。

圖3 右前門內(nèi)板焊點(diǎn)分布

圖4 樣品焊接處橫截剖面金相照片 10×

表1 樣品1#，3#，5#金相試驗(yàn)結(jié)果

從金相結(jié)果來看：所有樣品熔深及熔寬都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，樣品A-1#&B-1#激光焊接方向和板材角度偏差較大，焊縫凹陷較深。樣品B-3#可見基材燒穿。樣品A-5#&B-5#無明顯缺陷?？傮w來看，樣品A樣品狀態(tài)稍好于樣品B，基于樣品量過少，且其他影響因素不確定，單個(gè)車門焊接樣件金相分析無法給出明確結(jié)論。

2.2 配對T檢驗(yàn)分析

金相分析驗(yàn)證激光打點(diǎn)的影響需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，由于樣品準(zhǔn)備需要對車門進(jìn)行切割，屬于破壞性試驗(yàn)，成本較大。考慮從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，對比兩種工藝產(chǎn)生的焊接缺陷數(shù)量，運(yùn)用假設(shè)檢驗(yàn)方法來判定預(yù)先激光打點(diǎn)對焊接缺陷是否存在顯著性影響。

圖5 激光打點(diǎn)（左）與未打點(diǎn)零件（右）

制定實(shí)驗(yàn)條件如下：同班次同批次零件同時(shí)進(jìn)行預(yù)先激光打點(diǎn)與不打點(diǎn)兩種工藝（圖5），記錄焊后缺陷狀態(tài)及數(shù)量，不可抽取首件，抽樣結(jié)果以檢查記錄表反饋。實(shí)際抽取視當(dāng)日生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整，焊點(diǎn)缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示：

表2 激光打點(diǎn)與未打點(diǎn)缺陷數(shù)量

假設(shè)檢驗(yàn)亦稱“顯著性檢驗(yàn)”，是根據(jù)問題需要對所研究的總體作某種假設(shè)，記作H0。選取合適的統(tǒng)計(jì)量，這個(gè)統(tǒng)計(jì)量的選取要使得在假設(shè)H0成立時(shí)，其分布為已知。由實(shí)測的樣本，計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量的值，并根據(jù)預(yù)先給定的顯著性水平進(jìn)行檢驗(yàn)，給出拒絕或接受假設(shè)H0的判斷。由于驗(yàn)證樣件為同班次同批次零件，默認(rèn)試驗(yàn)條件僅為激光打點(diǎn)與未打點(diǎn)的差異，且不同班次間工藝條件相近，考慮采用配對T檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

（1）假設(shè)檢驗(yàn)的第一步是建立假設(shè)，建立兩個(gè)假設(shè)如下：

原假設(shè)H0：_差=0；

備擇假設(shè)H1：_差≠0（_差：打點(diǎn)與未打點(diǎn)缺陷差值的均值）。

（2）計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

根據(jù)表2記錄焊接缺陷數(shù)據(jù)，利用Minitab軟件計(jì)算得到如下表3描述性統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)：

表3 描述性統(tǒng)計(jì)量

計(jì)算得出_差的95% 置信區(qū)間：（-4.361, -2.706），P 值 = 0.000。

所謂P值就是當(dāng)原假設(shè)成立時(shí)，出現(xiàn)目前狀況的概率。利用P值和給定的顯著性水平可以建立如下判斷法則[6]：

若P≤值，則拒絕原假設(shè)H0；若P＞值，則保留原假設(shè)H0。

一般設(shè)置顯著水平=0.05，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，P值小于顯著水平0.05，否定原假設(shè)H0，即_差≠0，說明激光打點(diǎn)與未打點(diǎn)焊點(diǎn)缺陷數(shù)均值存在顯著差異，并且95%的置信度可認(rèn)為激光打點(diǎn)比未打點(diǎn)會少產(chǎn)生（2.706，4.361）個(gè)焊接缺陷。

預(yù)先在鋼板表面激光打點(diǎn)形成凸點(diǎn)，可以增大搭接兩層鋼板間隙，從而使中間鍍鋅層產(chǎn)生的蒸氣快速從間隙中排出，如圖6所示[7]。凸點(diǎn)高度的設(shè)置影響板間間隙的大小，最終影響焊接過程及焊接穩(wěn)定性。凸點(diǎn)高度需根據(jù)實(shí)際情況不同而定，如：鍍層厚度、母材厚度、焊縫長度、激光束參數(shù)、焊接速度等。通過持續(xù)工藝優(yōu)化，本司凸點(diǎn)高度目前控制在0.03mm~0.05mm。

圖6 激光打點(diǎn)圖示

3 結(jié)論

激光飛行焊接由于其諸多的優(yōu)勢目前已經(jīng)在越來越多的主機(jī)廠得到應(yīng)用，鍍鋅鋼板的激光焊課題也不斷得到整車廠工藝人員及高校研發(fā)人員的探討及持續(xù)優(yōu)化。本司研究課題表明，激光打點(diǎn)對激光飛行焊焊接質(zhì)量有顯著影響，能極大的減少焊接缺陷數(shù)量，提高焊接質(zhì)量穩(wěn)定性。本文試驗(yàn)采用的配對T檢驗(yàn)方法是一種非常有效的分析工具，對焊接過程的工藝優(yōu)化具有很好的指導(dǎo)作用。

[1] 李曉娜,許先果,邊美華.激光焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2006,36(4):47-49.

[2] 張屹,李時(shí)春,金湘中,陳根余,梅麗芳.鍍鋅鋼板激光焊接關(guān)鍵技術(shù)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2010,47(07):33-41.

[3] 胡德志,周帥帥.激光飛行焊技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用[J].激光飛行焊技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用. 2019.(12):60-61+67.

[4] 姜海濤.激光飛行焊技術(shù)在汽車焊接領(lǐng)域的應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工). 2017,(16):10-12.

[5] 張妍.激光焊接在白車身上的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電焊機(jī).2016.346(3): 122-126.

[6] 楊春,T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)技術(shù)在拉伸試驗(yàn)質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].酒鋼科技. 2015,(4): 94-98.

[7] 李旭,鍍鋅鋼板的激光焊接工藝研究[J].工藝與新技術(shù).2016.145 (1):49-51.

Study on influence of laser dot on laser flight welding of Galvanized Steel

Wu Li, Wu Huanhui, Li Rong, Li Xiaochun

（PETC, GAC FIAT CHRYSLER Automobiles Co., Ltd., Hunan Changsha 410082）

With the background of the body shop in GAC FIAT CHRYSLER Automobiles Co., Ltd., laser flight welding technology of galvanized steel plate and common welding defects and process optimization measures are introduced. By means of metallographic analysis and paired T test, the significant influence of pre-laser dot technology on the defects of laser flight welding was verified. The results show that the laser dot can reduce the welding defects (2.706,4.361) in 95% confidence interval. Instead of destructive test, t-test statistical technique has been used more and more in welding process optimization through effective analysis of test data.

Laser flight welding; Laser dot; Metallographic analysis; Paired T-test hypothesis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.043

U466

B

1671-7988(2021)07-136-04

U466

B

1671-7988(2021)07-136-04

吳黎，碩士，中級工程師，就職于廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司產(chǎn)品工程技術(shù)中心，從事白車身下車體研發(fā)工作。