汽车镀锌钢板激光钎焊工艺与质量

作者:北京奔驰汽车有限公司车身二工厂 牛 振 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:1000 发布时间:2019-07-16
北京奔驰汽车有限公司车身二工厂 牛 振
汽车镀锌钢板激光钎焊工艺与质量

激光钎焊是激光焊接技术的一种,钎焊时母材不熔化,仅钎料熔化,可以获得光滑的焊缝表面,这不仅使产品更加美观,而且提高了密封性,显著提升了焊接区域的强度以及整车的安全性能。目前,在国内外汽车制造业,激光钎焊主要应用在可视的外围接合件上,如行李箱上下两部分的接合、顶盖和左右侧围的接合,以及汽车C柱上下两段的接合等。

激光焊技术于2011年开始被引入到北京奔驰,而且北京奔驰都使用了最先进的激光焊接设备,提高了焊接效率和焊接稳定性,保证了焊接质量。同时,在北京奔驰激光焊接生产线上有多套先进的在线检测设备对焊接质量提供可靠保障。激光焊接具有其他焊接技术无可取代的优点,但是激光焊接在德国仍有较高的缺陷率和报废率,这就要求我们不仅要掌握先进的技术,还要不断学习、研究,提高自身技术水平,不断提高质量,降低缺陷率,这对工程技术人员的知识技能提出了更高的要求。

本文以北京奔驰GLK车型的行李箱盖激光钎焊为例,结合其工艺特点,介绍激光钎焊系统的设计方案,并着重分析常见焊接缺陷的成因及处理方法。

 

ALO3激光钎焊系统

激光焊接生产线于2011年11月份开始在北京奔驰建设,项目投资约2.5亿元,用于生产GLK后举升门、车门以及C级车车门的焊接。车间有3台德国Trumpf公司生产的Disc4002激光器,这3台激光器用于车间3套Robscan设备和一套ALO3激光钎焊设备的同时焊接。此外,还有激光焊接质量的在线检测设备。GLK举升门激光钎焊焊缝长度达2.13 m,生产节拍约为200 s。

1.激光钎焊焊接设备

(1)激光器  激光器使用德国通快(Trumpf)公司生产的Turdisk 4002 (4C)型激光器,这是一种近几年研发的新型Disk激光器,产生激光的工作物质为Yb:YAG,单碟片产生的最大功率为4 000 W,输出光束直径为0.2 mm。一台激光器可有4路输出,可供多台焊接设备同时使用,光路可通过程序自由切换,当某一路输出故障或某台激光器出现故障时,可方便地进行光路切换,以减少故障引起的设备停产。

微信截图_20190716142641(1).png

 

(2)激光钎焊头  激光焊接头是激光焊接系统的直接工作部件,其核心部件其实就是一组根据特殊要求组合在一起的透镜。北京奔驰使用的激光钎焊头是德国Scansonic公司生产的具有焊缝跟踪功能的激光焊接头ALO3(Adaptive Laser Optic),如图1所示,其最大的特点是具有焊缝跟踪功能和自动对焦功能。激光从激光器发出,经光纤传导的激光束被光纤耦合器耦合入ALO3激光头,自动对焦模块将发散的光束进行准直后转换为平行光束,准直后的平行光束再经过反射模块由光学聚焦模块将激光束聚焦到工作面。整个焊接过程可以通过监控模块(摄像头)进行全程监控,纵向伸缩臂(TA)通过自动控制模块(STRG)与自动对焦模块(LA)关联,实现自动对焦,安装在伸缩臂上的压力传感器(KS)通过STRG 与旋转动作控制模块(SA)关联,实现焊缝跟踪。焊缝跟踪及自动对焦原理是通过焊丝尖点处通过压力传感器感知焊缝形状,STRG 捕获压力信号后控制旋转模块实现横向摆动以适应焊缝形状;焊丝尖点处的纵向变化,以伸缩臂的伸缩量形式反馈到STRG,STRG 控制自动对焦模块内透镜组的伸缩,使光束焦点始终落在焊丝的尖点处。此外,ALO3 还可以通过自动对焦模块来调节光斑大小,实现对焊接输入能量的控制,通过旋转动作模块给焊丝施加外力,使其在焊接过程中始终紧贴焊缝,避免发生偏离。德国Scansonic 公司生产的ALO3 自适应可调节激光钎焊镜头拥有较大的自由度,能适应不同形状焊缝的焊接,这给生产调试工作带来了很大的方便,大大缩短了调试周期,从而更容易保证焊接质量。

为确保安全,激光设备都建设在密闭的房间内,共有3个激光焊接房和1个激光房,房间由高强度铝合金型材组装而成。

(3)送丝装置  激光钎焊主要靠熔化焊丝来填充焊缝实现焊接,焊缝质量的好坏与送丝系统密切相关。激光钎焊焊丝输送系统的工作原理与常见的MIG、MAG 焊接的送丝系统基本相似,都是靠电动机驱动压紧轮旋转,靠焊丝与压紧轮之间的摩擦力来推动焊丝。不同的是,由于激光钎焊系统的焊接速度快,对焊接参数的敏感度比较高,且焊缝窄,一般都有很高的外观要求,所以对送丝速度的精确性和送丝的平稳性要求很高。为确保焊丝的稳定输出,采用两级送丝机构,焊丝盘安装在从送丝机一侧,从送丝机的主要作用就是确保抽丝顺畅,尽量为主送丝机削减焊丝盘的转动惯量所产生的抽丝阻力,而主送丝机安装在尽量靠近焊丝输出口的一侧,送丝轮也增加为4个,这些设计都是为了尽可能地保证焊丝平顺输出,避免对焊接造成影响。此外,主送丝机上还安装有焊丝测速器,可对送丝速度实时监控,并通过控制柜设置所需的送丝速度。控制柜与整个激光钎焊系统的工艺控制柜之间建立有信号通路,能够实现每次焊接前焊丝尖点到激光靶心的适时补偿,避免焊缝起始处的缺料缺陷。

(4)热丝装置  为了减少焊接缺陷,这套系统还集成了焊丝预热装置,装置的两极分别连接到焊丝和夹紧工装上,焊接前,当焊丝与工件接触后形成电流回路,电阻热将焊丝和工件局部加热到一定温度,所需加热温度的高低可以通过调节输入电流的强弱来控制。焊接前的预热能给激光钎焊带来两大好处:一是,对于焊丝来说,根据热力学原理,焊丝熔化所需的加热温度ΔT=T丝-T常(T丝为焊丝的熔点温度,T常为焊接前焊丝的常温温度)。焊丝预热后T常提高,而焊丝的熔点温度T丝由其本身材料决定,可认为是个常量,因此ΔT 减小,也就是说熔化焊丝所需的热量更少。如果在焊接条件不变的情况下(激光功率和焊接时间),焊丝熔化的时间将缩短,其处于液态的时间将延长,这能使气体更充分地溢出,避免焊缝产生气孔;二是对工件而言,预热电流也会使工件与焊丝接触的地方局部受热,加热后的工件表面会降低对激光的反射率,更好地吸收激光热量,也更有利于液态焊丝的润湿和铺展,易于形成美观焊缝。

2. 在线质量检测设备

在焊接过程中为了确保质量稳定可靠,在每个焊接完成后,都将进行一个焊接过程质量检测,激光钎焊设备有2套系统来保证质量,一是在线检测设备FOMO(Focus Monitor)系统(见图2);另一个是检测设备Souvis5000。其中,FOMO系统是检测焊接过程中的焊丝位置、送丝参数及焊接参数等数据的软件,它可以形象地将焊接过程中不易观察到的焊丝及焊接参数通过显示器显示出来,利于工程师进行监控。

微信截图_20190716143526.png

 

Souvis5000系统是德国PRECITEC公司研发的一套焊接质量检测软件(见图3),应用于X204后举升门激光钎焊的焊接质量检测,这套系统由一个摄像头、两台PC以及图像处理分析软件组成。Souvis5000系统是对焊缝成形情况进行监控,摄像头上有激光发生装置,发出的线形激光通过焊缝反射后接收到红外摄像头,便可以清晰地显示出焊缝形貌和表面缺陷,系统会自动与内部存储的标准图像进行对比后显示出所检测焊缝的缺陷情况。焊接完成后,机器人会将摄像头移动到焊接位置进行扫描拍摄,图像处理软件会实时对数据进行处理分析,根据图像灰度通过软件处理后可以基本准确的判断焊接质量的好坏,对于出现焊接缺陷的部位,会以红色标示出来,工人可目视检查进行再次确认,并做相应处理。

微信截图_20190716143638.png

 

ALO3激光钎焊工艺 

激光钎焊是一种高精度、高自动化和高柔性的焊接工艺,同样具有激光熔焊的优点,其焊接原理并不是直接利用激光束熔化母材金属来实现焊接成形,而是利用激光束作为热源,聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面上,焊丝被光束能量加热,熔化形成高温液态金属,液态金属浸润到被焊零件连接处,在适当的外部条件下,在界面层中生成均匀的固溶体和共晶组织,使之与工件间形成良好的冶金结合。

由于车身板材一般使用镀锌钢板,锌的沸点在908 ℃,钢的熔化温度1 515 ℃。在汽车板材焊接过程中,激光钎焊若采用搭接的方式,会造成在焊接过程中两板材之间的镀层金属锌发生气化,锌蒸气对焊接质量有重要的影响。为了降低锌蒸气对焊接的影响,需要在焊接过程中预留一定的间隙,使焊接过程中的锌蒸气能够及时溢出,从而避免气孔、孔洞等缺陷产生。为了促使锌蒸气溢出,焊接之前通过激光打点的方法,将金属熔化隆起,利用多个隆起的点,将两板材支撑起约0.15~0.2 mm的间隙。在焊接过程中,锌蒸气利用这个间隙溢出,这些起支撑作用的点,我们称之为“Noppen”。

接下来就是将两层钢板固定在一起进行焊接,两板搭接的形状和面积与焊接强度息息相关,根据板件的形状、结构、板厚以及搭接面积等因素,设计了两种类型的接头:“搭接接头”和“对接接头”,接头和焊缝如图4、图5所示。

微信截图_20190716143540.png微信截图_20190716143552.png

 

ALO3激光钎焊质量标准

1.目视标准

在日常生产中,针对各类不同缺陷,根据德国戴姆勒集团的标准结合北京奔驰的实际情况,以及车身对外观件的质量要求,我们对各类缺陷漆后状态进行了评判,与质量部一起确定了激光钎焊焊接缺陷的目视标准,用于指导各个质量环的质量评判工作。经过认真地总结与试验形成了北京奔驰的激光钎焊目视标准。

2.破坏性试验

为了确保焊缝的强度,我们进行破坏性检验,将焊缝垂直剖开,通过金相试验观察焊缝的界面情况。试验表明,焊缝的最薄处与焊缝的强度息息相关,在焊缝拉伸时总是在焊缝最薄处断裂,我们将焊缝最薄处的焊缝厚度称为“a值”。对于两种类型的焊缝,a值的测量方法如图6所示。

微信截图_20190716143558.png微信截图_20190716143607.png

 

图6中,定义对接焊缝截面“a”进行测量,焊缝的a级别取决于等腰三角形的高度,此高度与基材连接。

图7中,定义搭接焊缝断面“a”进行测量,根据戴姆勒的质量标准,对焊缝断面a值的要求:

 a ≥0.7×t min (t min =较薄母材板的厚度)     

需要注意的内容:一是确认点的高度和夹具的压力;二是增加焊丝填充量的同时增加激光能量,以保证焊丝充分的熔化和铺展;三是填充材料不能充分的熔化和铺展,如材料表面存在油污、激光能量不足、焦点偏移等情形,都会造成焊丝熔化后不能和母材充分的结合。

 

焊接参数实验

1.焊缝成形参数实验

影响激光钎焊焊缝成形质量的主要参数有:

焊丝参数:送丝速度、焊丝角度、焊丝高度和热丝电流;

激光参数:光斑直径(焦点)、激光功率和焊接速度;

其他因素:焊接夹具压力、Noppen高度、表面油污、零件尺寸的稳定性以及焊丝、激光、零件对齐程度等。

针对上述每个参数,我们设计了一系列实验,通过参数实验,总结出符合要求的焊缝成形的最佳参数范围。下面列举一个应用于生产的焊接参数及焊缝成形的情况,如图8所示。

微信截图_20190716143651.png

 

该参数调试成功后,一直应用于实际生产,并且焊缝成形美观(见图9),a值在0.7~0.8 mm之间,质量合格、稳定,缺陷率较低。当出现缺陷时,可以通过检查设备和各项参数,快速解决缺陷问题,避免批量质量问题的出现,大大降低了报废率。

微信截图_20190716143659.png

 

2.焊缝a值参数实验

如焊缝成形良好,焊接夹具压力、Noppen高度等满足焊接要求,焊缝无气孔等缺陷,激光钎焊a值调整则可以通过调整送丝速度和激光功率、焊接速度来实现。
通过前期的焊缝成形优化,目前焊缝表面成形较稳定,且焊缝跟踪功能运行良好,同时焊缝成形对焊丝位置较敏感,所以此次试验对焊丝位置不做调整。焊接参数中,光斑直径是根据焊丝直径来确定的,如不改变焊丝,光斑直径也无需改变;其他因素中,母材尺寸的稳定性经过测量偏差非常微小,可忽略不计,表面油污也在焊前得到很好的清理。

综上所述,优化a值试验调整的主要参数为激光功率、焊接速度及送丝速度。针对这些参数与a值的关系,通过一系列实验,将a值平均值调整在0.7 mm以上,保证了焊缝的连接强度(见图10)。  

微信截图_20190716143705.png