趙旭東，劉曉曦，沈張燁

愷博座椅機(jī)械部件有限公司 上海 201315

1 序言

激光焊接是將高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法。因其生產(chǎn)效率高、熱變形小、過程穩(wěn)定性高，以及在大批量生產(chǎn)時(shí)成本低于傳統(tǒng)的CO2氣體保護(hù)焊，故而自20世紀(jì)80年代以來，激光焊接在汽車車身及零部件行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要探討和研究激光焊接技術(shù)應(yīng)用于汽車座椅調(diào)角器零件時(shí)碰到的焊縫疏松問題。

2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及因子說明

2.1 激光焊接組件及焊縫位置說明

本文研究對象的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上連接板、調(diào)角器核心件、加強(qiáng)板及下連接板組成。其中，核心件采用激光焊接方式分別與上連接板和下連接板連接，加強(qiáng)板與下連接板也采用激光焊接進(jìn)行連接，而容易出現(xiàn)焊縫疏松缺陷的焊縫位置如圖2所示，即為加強(qiáng)板區(qū)域的焊縫1～6[1]。

圖1 汽車座椅調(diào)角器總成

圖2 加強(qiáng)板區(qū)域焊縫

2.2 激光焊縫的疏松缺陷說明

本文分析的對象是一種激光焊接中常見的連接方式，常被稱為疊加焊或深熔焊。具體操作方式為將兩塊待焊接件進(jìn)行疊加放置，激光光束從上往下進(jìn)行焊接。

按照客戶端標(biāo)準(zhǔn)輸入（見圖3），可接受的疏松長度h＜0.3f（f為焊道熔池深度，包括上層板厚度t1及下層板的熔深深度fL）。

圖3 客戶標(biāo)準(zhǔn)輸入示意

焊縫熔深截面A（以t1＝4mm，t2＝4mm舉例）及焊縫熔深截面B（以t1＝4mm，t2＝3.5mm舉例）如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可見，疏松的形貌特征為沿焊縫截面上下貫穿方向的細(xì)長縮孔，具體如2.75mm及2.14mm劃線處所示。

圖4疏松長度h＝2.75mm，f＝t1+fL＝4.02mm+1.77mm＝5.79mm，h＞0.3×5.79mm＝1.737mm；同理，圖5疏松長度h＝2.14mm，f＝t1+fL＝4.1mm+2.05mm＝6.15mm，h＞0.3×6.15mm＝1.845mm。

當(dāng)疏松長度h＞0.3（t1+fL）時(shí)，判定該熔深截面的疏松特征不可接受。故圖4、圖5的狀態(tài)均判定為不良。

圖4 焊縫熔深截面A（含h＞0.3f疏松特征）

圖5 焊縫熔深截面B（含h＞0.3f疏松特征）

2.3 影響因素及難點(diǎn)

導(dǎo)致激光焊縫疏松缺陷的主要原因包括：原材料化學(xué)成分；激光焊接設(shè)備的功率、速度、離焦量，以及機(jī)器人夾持的聚焦槍擺動(dòng)頻率；焊接冷卻時(shí)間；夾具吹排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；多條焊縫的焊接次序設(shè)定；焊接工裝的壓頭設(shè)計(jì)；待焊接件的貼合間隙及匹配應(yīng)力；周邊其他焊縫的拉拽應(yīng)力影響；焊縫位置精度影響等。

該問題的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三方面。

1）影響因素多，需通過多輪假設(shè)檢驗(yàn)才能找到關(guān)鍵因素。

2）焊縫數(shù)量多，一共存在6條焊縫（見圖2）。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，疏松出現(xiàn)的具體位置在同一條焊縫上存在波動(dòng)，在靠近起弧、收弧或位于中段的位置均有發(fā)生。

3）焊縫1～6的名義幾何位置非常集中，且為厚板焊接（在對第一層板進(jìn)行激光穿透時(shí)，厚度＞2mm的厚板需要更多的額外能量輸入），而大量的焊接熱輸入對焊縫產(chǎn)生了彼此的拉拽效應(yīng)。

難點(diǎn)2）和3）是因加強(qiáng)板的空間大小而導(dǎo)致的，屬于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原因，無法更改，需通過工藝優(yōu)化來解決。

3 分析過程

3.1 原材料碳當(dāng)量分析

根據(jù)國際焊接協(xié)會(huì)（IIW）的碳素鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：碳當(dāng)量Ceq值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即

當(dāng)Ceq≤0.4%時(shí)，焊接性好；當(dāng)Ceq=0.4%～0.6%時(shí)，焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱；當(dāng)Ceq≥0.6%時(shí)，焊接性較差，屬于難焊材料，建議采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。

加強(qiáng)板的材質(zhì)為S500MC，板厚為4.2mm，下連接板的材質(zhì)為S500MC，板厚為3.5mm。在試驗(yàn)室環(huán)境下，對實(shí)際零件進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)其成分符合Q/BQB 311—2009《冷成形用高屈服強(qiáng)度熱連軋鋼板及鋼帶》要求。具體分析結(jié)果見表1。

表1 S500MC化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

對于Cr、Mo等微量元素，電鏡設(shè)備無法探測其具體數(shù)值。但考慮到其貢獻(xiàn)值，對Ceq公式進(jìn)行簡化，即

根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，所得8件樣品的Ceq值的波動(dòng)范圍為0.195%～0.336%，接近0.4%的臨界值，仍屬于焊接性較好的范圍。然而本焊接案例應(yīng)用的t1及t2板厚均＞3.5mm，屬于厚板焊接。如果能夠在焊接過程中增加預(yù)熱，則會(huì)改善應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而降低疏松出現(xiàn)的概率。由于激光焊接設(shè)備是沿用平臺生產(chǎn)，如果進(jìn)行改動(dòng)，則會(huì)影響其他項(xiàng)目且投資巨大，因此并不具備工藝可行性。

3.2 疏松截面取樣方法優(yōu)化

針對上述難點(diǎn)2），打破首件切割取樣的傳統(tǒng)思路。原先切割1個(gè)零件，一共取9個(gè)截面（長度＜50mm的焊縫，在中間取1個(gè)截面，長度在50～100mm之間的焊縫，在1/3及2/3處各取1個(gè)截面。如圖2所示，外圈焊縫均需取2個(gè)截面，累計(jì)為9個(gè)截面）。而優(yōu)化后的過程，需切割3個(gè)零件，即對總數(shù)量27個(gè)截面進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)疏松長度h＞0.3f的發(fā)生概率。雖然在一定程度上增加了熔深切割的工作負(fù)荷，但是對疏松結(jié)果的評價(jià)更為準(zhǔn)確。根據(jù)該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)h＞0.3f的初始缺陷比例為22%。

3.3 顯著因素識別

利用上述的取樣及判定方法，將方案3中所羅列的多個(gè)因素進(jìn)行驗(yàn)證，最終識別出：①功率、速度、離焦量所形成的焊縫截面形態(tài)。②加強(qiáng)板焊縫的焊接次序。③周邊其他焊縫的拉應(yīng)力均與焊縫疏松狀況存在較強(qiáng)的相關(guān)性[2]。

3.4 焊接參數(shù)的選擇與驗(yàn)證

本案例使用的設(shè)備為德國Trump公司的Trudisk 8000系列激光器。使用功率為3.5～4.8kW，焊接速度為10～30mm/s，離焦量為0～-5mm，進(jìn)行參數(shù)組合驗(yàn)證。通過DOE試驗(yàn)組合驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)降低功率、調(diào)快速度，同時(shí)使離焦量趨近于0，此時(shí)疏松不良率達(dá)標(biāo)的情況會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢，h＞0.3f的缺陷情況從22%下降到10%。其核心原理為，通過降低單位時(shí)間內(nèi)的能量輸入，使焊縫之間的應(yīng)力影響減小，直觀表現(xiàn)為t1和t2層板以下部分的截面面積減小[3]。

但是，激光焊接的熔深截面評價(jià)需要結(jié)合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考量。實(shí)際情況是，一旦將上述的截面面積減小后，會(huì)造成熔寬測量值趨近于極限，熔寬的規(guī)范要求為＞1.1mm，實(shí)測值為1.2mm（見圖6），已經(jīng)接近極限。不僅如此，當(dāng)采用該方法后，甚至?xí)霈F(xiàn)熔深不足的情況，如圖7所示。由圖7可明顯看出，激光焊縫未穿透2層板的分界線。此時(shí)不僅無法達(dá)到規(guī)范所要求的＞1.0mm的深度要求，且直接造成焊接失效，雖然優(yōu)化了疏松問題，卻帶來了更為惡劣的失效模式。而在批量生產(chǎn)時(shí)，由于受到焊接等離子云及鏡片污染等環(huán)境因素的影響，激光焊接的熔深會(huì)產(chǎn)生逐漸遞減情況，直至完全失效，這會(huì)加劇過程中焊縫強(qiáng)度失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 熔寬示意（極限狀態(tài)）

圖7 熔深示意（不良狀態(tài)）

因此，在綜合考慮了熔寬、熔深、疏松的綜合情況后，最終采用如下參數(shù)組合，即使用功率為4.3kW、焊接速度為25mm/s、離焦量為-5mm。通過驗(yàn)證，該參數(shù)組合使疏松的不良率從22%下降到14%。

3.5 焊縫的焊接次序研究

本文研究對象的焊縫數(shù)目較多，且位置較為集中，但是焊縫疏松部位在同一條焊縫上并未呈現(xiàn)較強(qiáng)的一致性。按照前述提到的取樣方法進(jìn)行大樣本取樣切割，發(fā)現(xiàn)先焊接完成的焊縫出現(xiàn)疏松的概率較高。

這一現(xiàn)象存在的理論支撐是：當(dāng)焊接完成后，因?yàn)樵诰植糠磸?fù)焊接產(chǎn)生大量熱沖擊，所以造成局部應(yīng)力不均，先焊接的焊縫受后焊接的熱影響，在高溫下生成了奧氏體晶粒的同時(shí)受周邊內(nèi)應(yīng)力拉扯產(chǎn)生了再熱疏松，從而證實(shí)了嘗試?yán)蠛缚p間距或調(diào)整焊接順序給予零件熱脹冷縮空間的改善方法是可行的。

針對焊縫1和焊縫2進(jìn)行舉例，其中焊縫1為外圈封閉形狀，焊縫2為中間線形。在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)完全封閉形狀先焊接，因其形狀構(gòu)造更為堅(jiān)固，所以后焊接的焊縫2對其產(chǎn)生的相應(yīng)內(nèi)應(yīng)力減小。通過該方法，同步優(yōu)化后續(xù)4條焊縫，這樣使h＞0.3f的缺陷情況從14%下降到8%，其中主要貢獻(xiàn)量來自中心焊縫的改善。

3.6 周邊其他焊縫的拉應(yīng)力影響研究

如前所述，局部應(yīng)力集中是造成激光焊縫疏松的核心原因。而在研究對象（即6條加強(qiáng)板焊縫）的附近，存在著一條核心件長焊縫（197mm），具體如圖8中紅色箭頭所指十字花形焊縫。原始設(shè)定的焊接順序是在完成焊縫1～6之后，再進(jìn)行該處焊接。其工藝設(shè)計(jì)初衷是為了降低焊縫1～6對調(diào)角器核心件的熱影響，但是此舉卻使焊縫1～6處的應(yīng)力狀態(tài)處于更加惡劣的情形。在完成加強(qiáng)板焊接后，顯然核心件十字花形焊縫會(huì)再次對焊縫1～6產(chǎn)生影響，尤其使焊縫1～4產(chǎn)生橫向拉拽效應(yīng)。

圖8 十字花形焊縫焊接

為進(jìn)一步驗(yàn)證十字花形的側(cè)向拉應(yīng)力影響，進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，如圖9所示。原假設(shè)H0：十字花形不焊接的疏松長度均值-十字花形焊接的疏松長度均值＝0，備擇假設(shè)H1：十字花形不焊接的疏松長度均值-十字花形焊接的疏松長度均值＞0。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)P值＝0.011＜0.05，拒絕原假設(shè)，選擇備擇假設(shè)，即十字花形不焊接會(huì)使疏松長度顯著增加。在核心件十字花形長焊縫優(yōu)先進(jìn)行焊接后，側(cè)向拉應(yīng)力狀態(tài)改善，疏松的不良率得到了進(jìn)一步下降，從8%下降到0。

圖9 假設(shè)檢驗(yàn)分析

但與此同時(shí)，核心件出現(xiàn)了摩擦力大的情況，這再次證明：①周邊焊縫對焊縫1～6的拉拽效應(yīng)的確存在，且比較顯著。②說明原始整體工藝順序設(shè)定的合理性。對疏松進(jìn)行持續(xù)改善，必須要考慮到對調(diào)角器核心件的影響。

最后的改善步驟是針對難點(diǎn)3），即對核心件受熱后產(chǎn)生的焊接熱變形展開研究，需反向去研究焊縫1～6以及核心件197mm焊縫的先焊和后焊對核心件尺寸的影響。然后通過核心件內(nèi)部尺寸的優(yōu)化，進(jìn)而使優(yōu)先焊接焊縫1～6成為可能。該工藝調(diào)整使焊接疏松的不良率得到了徹底解決。

3.7 改善結(jié)果

綜上所述，通過焊接參數(shù)優(yōu)化，疏松不良率從22%降到14%，通過加強(qiáng)板焊接次序優(yōu)化，疏松不良率下降至8%，最后通過核心件十字花形的焊接應(yīng)力改善，最終使疏松不良率降為0。

4 結(jié)束語

對焊縫疏松問題的探索和研究，讓我們不僅深刻認(rèn)識到工藝過程設(shè)計(jì)的重要性，而且在激光焊接領(lǐng)域有了進(jìn)一步的知識積累。

1）原材料碳當(dāng)量達(dá)到0.4%臨界值時(shí)，增加激光焊接預(yù)熱雖然是解決問題的常規(guī)方法，但由于設(shè)備投資較大，因此經(jīng)濟(jì)性較差。

2）焊縫疏松的產(chǎn)生位置具有一定的隨機(jī)性，可以增加抽樣樣本數(shù)量來準(zhǔn)確掌握問題的實(shí)際情況，同時(shí)也有利于判斷改善效果。

3）焊接參數(shù)組合、焊縫的焊接順序、周圍焊縫的拉應(yīng)力影響，是該問題中的3個(gè)顯著影響因素，也是重點(diǎn)研究方向。使用功率為4.3kW、焊接速度為25mm/s、離焦量為-5mm，是兼顧疏松改善及熔深結(jié)果的最優(yōu)組合。外圈焊縫優(yōu)先進(jìn)行焊接，會(huì)使中心焊縫的疏松概率下降。通過核心件十字花形焊縫的優(yōu)先焊接，可以降低拉應(yīng)力，顯著改善疏松缺陷。

4）在疏松問題解決的同時(shí)，卻導(dǎo)致了調(diào)角器核心件摩擦力的問題。此時(shí)需要作對應(yīng)分析，并將核心件單件尺寸進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，這樣在最終保證疏松問題得到解決的同時(shí)，也沒有帶來其他新的問題。

在經(jīng)過工藝優(yōu)化后，我公司的調(diào)角器產(chǎn)品質(zhì)量被國外主機(jī)廠認(rèn)可，因此這一工藝過程研究具有重要意義。