激光焊接及其質量控制

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        目前激光焊接在汽車行業的大量應用，說明了激光焊接技術已趨于成熟。但激光焊接技術和傳統的焊接技術相比顯得較復雜，質量控制環節和傳統的焊接質量控制也有所不同，因此加強質量控制，對于激光焊接的發展有著重要的意義。

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            激光最基本的特點就是：單色性、方向性、相關性。這些獨特性質加上由此而來的高亮度、超短脈沖等性質使它非常適合焊接加工。激光焊接技術在制造領域的應用由脈沖到連續，由小功率到大功率，由薄板到厚件，由簡單單焊縫到復雜形狀，已經逐步成為一種成熟的現代加工工藝技術。

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            激光焊接技術在汽車工業中的應用
            激光焊接分為脈沖激光焊接和連續激光焊接，在連續焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的提高，特別是高功率激光器的出現，激光深穿透技術在國內外都得到了迅速發展，最大的焊接深寬比已經達到了12:1，激光焊接材料也由一般低碳鋼發展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料，激光焊接速度也達到了每分鐘幾十米，激光焊接技術日益成熟，并大量應用到生產線上，在汽車生產線上如車頂焊接，汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊，并已取得了巨大的經濟和社會效益。

            汽車激光焊接的優缺點
            優點
            “激光”能在一個很小的作用點上集中起非常大的能量。與傳統的焊和熔焊工藝相比，這會帶來很多優點：
            加工精度成倍提高。激光焊縫高溫區因熱量的原因會發生反應。由于激光焊縫寬度相對較窄，這些較小的高溫區也使得隨之帶來的熱變形非常小。
            可以實現激光焦點的功率和大小按加工要求動態地進行調節，同時對加工過程進行實時監控，實現各種各樣的應用可能。
            在使用固體激光器時，可以靈活地遠離操作地輸送激光，這樣一來把能量源和加工設備從空間上分隔可以毫不困難得實現。
            激光束不會帶來任何磨損，而且能長時間穩定地工作。
            據有關資料統計，在歐美發達工業國家中，有50%~70%的汽車零部件是用激光加工來完成的。其中主要以激光焊接和激光切割為主，激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝。激光用于車身面板的焊接可將不同厚度和具有不同表面涂鍍層的金屬板焊在一起，然后再進行沖壓，這樣制成的面板結構能達到最合理的金屬組合。由于很少變形，也省去了二次加工。激光焊接加速了用車身沖壓零件代替鍛造零件的進程。采用激光焊接，可以減少搭接寬度和一些加強部件，還可以壓縮車身結構件本身的體積。僅此一項車身的重量可減少50kg左右。而且激光焊接技術能保證焊點連接達到份子層面的接合，有效提高了車身的剛度和碰撞安全性，同時有效降低了車內噪聲。

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            缺點
            要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為激光聚焦后光斑尺寸小，焊縫窄。如工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺陷。

            激光器及其相關系統的成本較高，一次性投資較大。
            激光加工的過程技術
            要想使激光焊接真正發揮作用，其各個功能組之間可靠的協調工作以及對設備的安全操作和正確保養都是必不可少的。下列四種技術是現代加工技術的支柱，其相互之間可靠的功能聯系以及對其全面的掌握是安全可靠地引入激光加工技術所必須的，如圖1所示。

            圖1 激光加工的過程技術
            汽車激光焊接的質量控制
            汽車激光焊接的質量缺陷類型
            由于汽車激光焊接過程的復雜性以及眾多的影響因素，當出現加工質量下降時，無法用一個概括的原因來進行解釋。一般激光焊縫軌跡的開始和結尾段被認為是最為關鍵的部份。以下是汽車白車身激光焊接的一些典型缺陷：

            　　·毛孔：正常的毛孔（比微小毛孔大）的直徑最大不超過1.0mm。
            　　·微小毛孔/空洞：當毛孔的直徑小于0.2mm時就是微小毛孔；當毛孔的直徑大于1.0mm，就被稱為空洞。
            　　·熔焊型焊縫：在焊縫中沒有焊料，焊縫的樣子就像是激光熔焊焊縫。
            　　·低劣的焊料連接：焊條未在加工件的側面連接起來。在焊縫連接的位置處，焊縫看起來“散成一縷縷的”。
            　　·焊料的單面連接：焊料只與一個側面連接了起來。
            　　·香腸現象：加工件沒有連接起來，在焊縫處焊料筆直地伸展堆積。
            　　·焊縫不規則：焊縫塌陷或凸起。
            　　·鱗狀堆積：焊縫表面不光滑，顯得很粗糙。
            焊縫開頭/焊縫結尾問題：在加工件的邊緣會出現焊縫填充不足或過剩的現象，或者是在軌跡上發現有未熔化的焊條殘余。
            汽車激光焊接的質量影響因素
            白車身生產中質量缺陷產生的可能原因或者說是誤差源：
            1）激光設備的原因：
            臟了的保護玻璃鏡片或激光器中老化的弧光燈都會降低激光的功率。
            激光的焦點位置不正確。當激光焦點的直徑太小時，太多的激光能量被集中在焊條上，因此使焊料變得過熱，而同時加工件的側邊卻沒有得到足夠的加熱，這樣焊料就不容易流到加工件的縫隙中去。而激光焦點的直徑太大時，激光能量不集中，焊不牢。

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            2）焊條的原因：
            　　·焊條預熱溫度錯誤。
            　　·焊條材料合金成分改變（這樣就有可能不符合加工要求）。
            　　·焊條引導的速度不恒定或是與激光設備加工頭速度不相符。
            3）其它輔助設備的原因：
            　　·由于熔液的凝固而引起的氣體分子的泄漏。
            　　·由于程序給定錯誤的進給速度或是機器人速度出現波動。
            4）間隙尺寸：
            　　·被焊接零部件之間的間隙尺寸超過激光設備要求。
            　　·汽車激光焊接的質量控制
            1）設備保養：
            在汽車激光焊接的質量缺陷及影響的因素中，提到了大多數質量缺陷都是由于設備故障造成的，因此日常的設備保養和維修顯得尤為重要。以下總結了激光設備保養的幾個要求：

            　　·每天檢測保護玻璃鏡片，對損壞的鏡片及時更換。
            　　·每天需清理夾具的焊接飛濺殘留物并緊固夾具的固定螺栓。
            　　·每周檢查激光器中的弧光燈，及時更換老化的弧光燈。
            　　·對一些輔助設備例如機器人、送絲機構等等都需進行一些日常保養。
            2）焊接工件的尺寸精度要求：
            激光焊對焊件裝配精度要求也非常高，如工件裝配精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接缺陷，所以良好而精確的夾緊技術是激光焊接的保證。普通焊接對被焊接零件間的配合間隙要求在2mm左右，而激光焊接理想的情況是配合間隙越小越好，通常在白車身生產中以被焊接零件間的配合間隙0.2mm來控制。

            3）車身功能尺寸的質量控制：
            根據現場白車身激光焊接質量控制經驗，成立一個尺寸小組對影響激光焊接質量的關鍵尺寸進行監控是很有必要的。尺寸小組由測量部門、生產部門、質保部門、樣板部門組成。小組成員定期召開尺寸會議討論并解決出現的尺寸偏差。測量部門需每天對關鍵尺寸進行測量并提供相應的報告，生產部門需及時的反饋信息，質保部門對產生的質量問題進行判定，并協同樣板部門制定解決方案。

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            激光焊縫質量的檢驗及返工標準
            判定激光焊縫的質量好壞一般分為非破壞性檢驗和破壞性檢驗。
            1）非破壞性檢驗：激光焊縫非破壞性檢驗主要是目視檢驗。檢驗者采用一些適宜的工具如放大鏡、相機、或其它測量檢驗工具對焊縫的存在、數量、長度、外觀及位置按照圖紙要求進行檢查。在上面提到的激光焊接質量缺陷中，氣孔、焊接飛濺、焊穿、中斷的焊縫、邊緣熔接等問題都是可以通過目視檢驗出來。在汽車白車身生產過程中要求對每一條焊縫都進行目視檢驗來評判它的質量。

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            2）破壞性檢驗：激光焊縫的破壞性檢驗分金相試驗和鑿擊檢驗兩種。
            金相試驗是通過顯微鏡對激光焊縫的橫斷面磨片進行判定的一種檢驗方法。常見的缺陷一般為無連接、邊緣缺口、根部突起等。檢驗的頻次取決于工藝的可靠性，實際生產中由生產部門和各主管的質保部門協商確認，每月至少一次。對由于設備故障或質量缺陷對激光參數進行調整后，必須對焊縫做金相試驗評定。

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            鑿擊檢驗是借助鑿子，使激光焊縫受力鑿打直至出現斷裂，然后測量斷裂面（焊縫的長度和寬度）的一種檢驗方法。鑿擊檢驗能反映出激光焊接設備的功能可靠性，所以鑿擊檢驗一般在離生產線很近的地方進行，當焊縫被發現有不合格時，就可以通知相應工藝和維修人員。在汽車白車身生產中對所有激光焊縫以2次/月的頻次檢驗。

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            3）返工方法：對通過上述各種檢驗方法發現缺陷的激光焊縫，需進行返工。一般汽車白車身激光焊接返工方法如下：
            ·電阻點焊，但電阻點焊要求有較高的接觸位置或法蘭邊寬度，而且在這種情況下不允許焊點在激光焊縫上、點焊的焊點與激光焊縫連接在一起。當零件法蘭邊很短的情況下（8mm）或不能鉆孔時，可在搭接處用MIG焊。

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            ·當搭接接頭成角焊縫時可使用MIG、MAG焊接。
            ·重新進行激光焊接，但新焊縫不允許焊在有缺陷的焊縫上，而只能焊在焊縫之間的空缺處，返工焊縫長度應與焊縫缺陷位置的長度相同。
            結束語
            21世紀汽車工業正在步入能按照用戶要求進行柔性模塊式生產的方式，傳統加工工藝已不能滿足新生產方式的需要。隨著激光焊接技術及其他激光加工技術在汽車領域中的不斷應用，它必將成為汽車工業中重要的加工方法之一。

雷鋒（上海）2008

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