刘建焕

摘 要：激光焊接具有热影响区销、焊接速度快、变形小，外观质量好的特点，已在白车身侧围落水槽处焊接，顶盖焊接中广泛应用[1][2]。近期，随着新能源汽车战略趋势的推进，模组busbar焊接、模组采样线焊接以及模组端板侧缝焊接中，均已采用激光焊接技术实现产品更快、更好的生产服务。长期以来国外几乎垄断了激光设备专利技术，像通快、IPG等设备商。国内像大族激光、广大激光、联影激光已经开始注重这方面业务的发展。

在实际应用环节，我们常听到工程人员反馈。满足一定焊缝标准、焊缝质量的激光焊接工艺中，激光头的出光功率并非最大，与此同时，激光头的焊接速度也未能如设备所标称的那样。传统的侧围落水槽的激光焊接平均速度为60mm/s，精密转向器的激光焊接平均速度只有45-50mm/s。为此，在自动化集成领域与项目前期规划方面，需要进行试验，以得到对应焊接标准、焊接质量下的激光焊接工艺参数。

基于此，本文依托生产实际项目案列，以白车身B柱激光焊为研究对象，采用IPG C型激光枪对过程中各参数数据（板材厚度、板材材料、焊接速度、焊接功率、焦距、熔宽、熔深）进行了数据采集。实验结果表明，板材的焊缝特性，并非随着激光焊接功率和焊接速度的增加，而呈线性增加关系，随着激光功率的增加和焊接速度的提高，熔深增加明显，甚至焊透。

熔宽增大到一定程度后，变化不明显，这对我们规划生产节拍与质量管控方面，影响深远。

关键词：激光熔焊；生产节拍；焊接速度；激光功率

1 引言

激光是利用辐射激发发光放大原理产生的一种单色型、方向性强、光亮度大的高能比的光速，作为焊接、切割、材料表面处理的热源。激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。按照激光聚焦后光斑作用在工件上的功率密度不同，可以分为传热焊和深熔焊。传统的车身工艺，如CMT或点焊，均需要保证工件焊点周围无夹头或其他与焊枪干涉问题，激光焊由于焦距较大，适用于焊接微型零件、难以接近的部位或者远距离的焊接。

相对于传统的点焊、弧焊工艺，激光焊接由于焊接热影响区小、焊接速度快、变形小，在汽车行业中应用越来越广泛。

激光穿透焊接，是指将激光工艺应用于多层板材中，使板材熔化，冷却后形成焊缝，实现多层板的连接技术。激光穿透焊接中，由于焊缝熔宽比较小，焊缝结构采用W型 或C型，以增大焊接点的面积区域，增加两层或三层板的连接强度和刚度。实际应用中，由于工件厚度渐变，工件之间存在间隙，工件表面镀层以及激光参数（离焦量、出光功率、焊接速度）等影响，焊缝强度及表面外观质量受到很大的影响。本文基于生产应用过程中实际产生的问题，对汽车B柱激光深熔焊工艺进行了研究，以期得到熔深、熔宽与焊接速度、焊接功率之间的对应关系。

2 焊接系统搭建

2.1 研究对象

本次实验针对B pillar内外板进行焊接特性研究。材料特性：外板板厚1.5-1.85mm；内板板厚2.2mm.为高强度钢，屈服强度Rp0.2=1000～1250MPa，Rm=1300～1650MPa。由于实际应用中，采用了复合焊接工艺，即激光焊作为前道工序，后道工序采用传统点焊方式，强度方面能够满足车身需求，本次实验为针对焊缝强度进行评价。评价焊缝标准依据客户对于熔深、熔宽的定义。

2.2 板材搭接焊缝特性

本次板材搭接焊缝共计10道，其中6道为两层板焊缝，4道为三层板焊缝。焊缝如图1。

2.3 焊接设备

在传统白车身顶盖焊接或者侧围落水槽焊接中，常采用激光头进行焊接，该处焊缝较长，激光输入角度一定下，可以进行高速焊接（图2）。在零件焊接位置多处或者多个角度下，使用激光头会产生多余的机器人示教点跳转问题，引起节拍浪费[3]。在新能源模组BUSBAR焊接中，多采用振镜系统进行焊接。这是利用了大平面场镜，光路跳转快速，无需机器人示教点进行跳转，提高激光的利用率（图3）。无论是激光头焊接还是振镜焊接，均是工件被工装夹紧，光路进行远距离焊接实现的。工件的装夹精度和工件的自身精度，往往对焊接质量产生很大的影响[5]。本次采用新式激光焊接设备IPG LSS5M-3KW_C-Gun。

这种激光焊枪，类似于传統意义上的点焊设备，如夹爪处存在3KN压力，可以进行准确持续的夹紧作业。不同之处在于传统点焊原理上是电阻焊，而该激光枪能力输入是来自激光发生器。该设备参数：输出激光波长为1070nm，最大输出功率为3KW，最大焊接长度为60mm/s，最大焊接长度为40mm，聚焦焦距为250mm。Lss-5M焊接系统集成有激光头冷却系统和除尘系统（图4）。

2.4 测试标准

依据激光焊接标准，本次搭接焊缝的最低熔深要求为0.45mm，熔宽为1mm[6]。

2.5 最终测试系统的搭建

测试系统包括机器人、电气柜、围栏、C型激光枪、机器人底座、光栅、B柱工件、夹具等设备，见下图5。

3 理论基础

激光将金属高速加热产生金属蒸汽，蒸汽将熔融的金属积压下去，产生蒸汽空洞。同时激光在这个空洞中发生多次反射，并且在孔底部能量急剧增加，产生钻孔效应。当熔融的金属将能量传递走后，金属蒸汽最终停止钻孔[4]。

4 激光熔焊试验

4.1 实验数据选取中，从每条焊道起弧处开始10mm，20mm，30mm各切割1道焊缝，共计3条焊缝。

采用C型焊枪进行焊接，过程数据记录如下表。焊缝通过砂轮机切割粗磨，使用金相打磨机金相细磨，使用稀硝酸+乙醇金相浸泡，相关数据通过金相显微镜金相刻线测距取得（图6）。

4.2 激光功率为2.5kw，焊接速度100（相当于20mm/s）下，焊缝参数记录表格如下，（图7）。

初步结果分析：数据中红色表示与标准数据对照超差，目前主要为熔宽不足，这跟激光深熔焊现象一致。内板厚度一定，焊接速度一定的情况下，外板厚度由1.5mm变成1.85mm，对应的焊接功率由2.35kw提高到2.5kw.

4.3 焊接速度為100-130（相当于20-26mm/s）下，不同激光功率下，不同离焦下，一定程度上，熔宽随着功率输出增大而增大，但是更大的功率并非带来更大的熔宽。一定焊接速度下，无离焦产生的熔宽比正离焦产生的熔宽更大。一定焊接功率下，焊接速度减小，有利于熔宽的增大。

5 结语

本次测试采用了IPG激光C型焊枪 完成了对B柱内外板参数的应用研究。由于样本数据的相对稀少，实验结果的重复性和真实性有一定影响，后续会通过更多的试件及更换振镜焊接系统增加对样件过程参数的采集。形成的初步结论有以下4点。

①并非焊接出光功率最大、焊接速度最快，则可获得最好的激光焊缝质量。满足要求的焊缝质量，往往意味着焊接出光功率和焊接速度之间存在一定的这种平衡。这一点对于节拍分析和产能规划有至关重要的影响。在本例中，激光设备焊接速度最大为60mm/s，然则通过实验环节验证，平均一处焊缝的作业时间与传统点焊4s时间基本相同。

②采用较大的出光功率、负离焦、较低的焊接速度，能够获得较大的熔深和熔宽。

③熔宽不足，在方案前期设备采购中，可以通过更换光纤芯径，例如150更换为300实现。或者通过选取不同的准直镜焦距来实现。设备后期调试中可以通过提高激光输出功率或者降低焊接速度来实现。

④在方案先期产能规划中，应该先对产品进行工艺试验，以得到合理的工艺参数，从而使得方案更加合理预期。

参考文献：

[1]程发龙.激光焊接技术及其应用[J].中小企业管理与科技，2017，（1）：164-165.

[2]程艳艳.激光焊接技术标准化探究[J].冶金丛刊，2016，（4）.

[3]李鹏.汽车白车身激光焊接生产线自动化系统的研究[J].山东工业技术，2018，（23）.

[4]李时春等.激光深熔焊304不锈钢焊缝成型工艺与控制[J].材料科学，2017，（08）.

[5]方俊飞.薄板激光深熔焊熔透模式的机理研究[D].哈尔滨工业大学，2007.

[6]《EVW01141-1.60401 laser welding ，welded joints on steels》.