黄尚伦，高建森，牟遴

（1.长安福特汽车有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000；2.杭州吉利汽车有限公司，浙江 杭州 310000）

激光钎焊是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在焊丝表面，焊丝在光束能量持续加热下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，使之与工件形成良好的冶金结合，完成零件的连接。其一般含义是用于接合材料，这依赖于填充金属的熔化、流动和凝固以形成密封凝固或一个强大的构架。该方法的独特性在于，在钎焊过程中冶金结合的形成只通过熔化填充金属而不是熔化母材，钎焊接头的强度依赖于液体填充金属到母材热表面的扩散。激光钎焊焊接光束能量密度高、热影响区域小、焊接速度快、变形小、噪声小；可精确调节和控制热输入，且热输入低，镀锌层烧损更少，可减小焊件的变形；焊缝成形美观、质量稳定，焊后仅需简单处理甚至无需处理；能够钎焊复杂几何形状的焊件和特殊结构；精确控制加热光斑尺寸及焊丝的熔化；使用光纤激光器可以方便地与机器人连接构成柔性加工系统等优点，因此被广泛应用在汽车制造的过程中。随着激光技术的成熟及成本的下降，激光焊接被认为是白车身车顶与侧围的最佳连接方式。在吉利ICON车型上首次采用激光钎焊，方式为填丝硬钎焊，主要应用于顶盖与侧围搭接处。顶盖激光器钎焊接头形式为截面卷对接，填充钎料为SG-CuSi3。但这种接头对于焊接工艺参数的敏感度很高，激光束入射角度、位置、焊接速度、功率都会影响到最终的焊缝质量。由于采用激光钎焊的产品车上焊缝无任何饰条覆盖，经涂装车间直接进行涂装，这对焊缝表面质量要求非常高。由于制造过程的复杂性以及影响因素众多，为了产品高质量的有效输出，必须要对影响焊接质量的因素做必要的分析了解，以便在日常生产过程中做到及时响应。

1 激光钎焊系统组成及焊接过程

1.1 系统组成

激光钎焊系统主要包括激光源、送丝机构、机器人、激光头组等组成，其系统构成见图1所示。杭州吉利工厂选用激光源为IPG YAG激光源，型号是Trudisk5002，最大输出功率5000W，发射波长1030nm。激光头采用Scsansonic ALO3最大输出功率6kW，波长范围1025～1080nm。填充钎料为SG-CuSi3，焊丝直径1.6mm，光斑直径3.2mm。

图1 激光钎焊系统组成

1.2 焊接过程

顶盖视觉引导顶盖自动装配后，首先进行定位点焊，然后进入激光工位，抓手顶盖胎模下压，使侧围与顶盖搭接间隙小于0.3mm。机器人R1、R2控制器获得程序号发射给激光控制器，激光控制器得到程序号调用对应的激光器通道，激光功率，送丝机参数开始工作，2台机器人同时开始移动，左右两边顶盖当垂直焦距位置和Y向位置分别达到设定值时，激光器程序开始运行，同时发出激光，并沿左右顶盖焊接，激光焊接路径如图2所示。焊接完成后激光先关闭，然后机器人沿相反方向返回至原位，至此整条焊缝焊接完成。

图2 顶盖激光焊接路径

2 激光钎焊主要缺陷

激光钎焊对焊缝表面质量有很高的要求，由于车身顶盖与侧围搭接尺寸精度的波动性、白车身的洁净度以及激光钎焊系统的自身属性，导致焊接过程中产生质量缺陷，故其焊接过程质量的控制难度也随之加大，以下对激光钎焊的主要质量缺陷进行介绍。

2.1 焊缝偏移

如图3中所示的在接缝表面上的偏移，典型地是由焊丝与激光束下相对位置发生偏移，进而熔融的焊丝只和单边的板件融合，形成焊缝偏移。评价标准是保持焊丝与激光束相对位置一致性。调整焊缝跟踪力，向侧围施加1个0.5～1N的偏向力为最佳，定期检查钎焊光头力学跟踪部件的平衡力。

图3 焊缝偏移

2.2 焊缝气孔

如图4中所示板件上杂质或镀锌层受热气化而体积肿胀，在熔化的焊丝凝固时未能及时溢出，而形成内部或表面气孔。评价标准是上表面的气孔不存在。表面气孔的公差上限为：单个直径最大为0.4×tmin，50mm钎焊长度中最大数量为10，通过匹配激光功率、送丝速度、送丝量等参数，可大大降低气孔出现机率。

图4 焊缝气孔

2.3 焊缝塌陷、不规则

如图5中焊丝在熔化填充铺展过程中，由于顶盖与侧围搭接间隙超过0.3mm，出现焊缝与顶盖或侧围搭接面出现一些小而长的凹凸不平的坑，焊缝出现下沉，熔池过深，进而导致焊缝塌陷、表面不规则。评价标准钎焊整条路径上不允许有塌陷、不规则质量缺陷。顶盖与侧围搭接间隙必须小于0.3mm，同时增加光斑直径，光丝直径比调整到3:1，保持光丝对中，增加功率。

图5 焊缝塌陷、不规则

2.4 焊缝漏焊

如图6展示由于焊丝在熔化过程中，未能完全连接母材，出现跳焊的现象。评价标准钎焊路径连续，不可出现中断现象。校验光丝对中，改善车身尺寸，调整侧围冲压件误差下降0.1mm，同时需要夹具的状态在车身质量稳定后过压理论位置1～2mm，保证焊后夹具与顶盖贴合。

图6 钎焊中断

3 激光钎焊质量的主要影响因素

激光钎焊是一种高精度、高自动化、高柔性的焊接工艺，要实现完美的焊接质量，不仅需要先进的设备，高质量的车身尺寸，更需要与之匹配的工艺参数，其加工过程中的影响因素非常多，要求非常苛刻。

3.1 激光功率

若激光功率过小，焊接能量输入不足，钎焊温度仍然较低，钎料的流动性不好，焊缝金属润湿铺展效果较差，不能充分填缝，不能形成有效连接，即使降低焊接速度以保证线能量，但钎缝的散热时间也相应增加，钎焊温度仍然较低，钎料的流动性不好，焊缝成形较差并且镀锌层烧损严重。试验发现，在激光功率低于800W时，无法获得良好的钎缝成型；当功率激光适中时，焊丝金属的铺展润湿效果会得到很大改善，焊缝成形好；若激光功率过高，则光斑的功率密度较高，容易使钎料过热造成焊丝金属烧损，即使提高钎焊速度，由于激光加热速度很快，钎料的局部温度仍然偏高，而且钎料有向外喷射的迹象。图7为激光功率过大时焊缝和对应金相照片。

图7 激光功率多大时焊缝金相

3.2 激光焦点

激光焊接能量是通过激光头聚焦集中到焊缝上，一部分激光能量被钎焊丝吸收，另一部分被加金属板材吸收。如果光斑直径过小，焊丝将遮住全部激光，导致母材不热，钎剂不能有效地发挥去膜作用，钎料不能润湿铺展；同时，焊缝很窄，焊缝金属与两板的结合面积较小，抗拉能力减弱。当然，光斑直径过大，能量密度降低，即使在较高的能量下，两板背面温度不高，焊丝在背面润湿铺展也会较差。经研究发现，在激光垂直入射情况下，由于离焦量较小，也即激光光斑较小，钎料润湿效果不佳。在相同的离焦量下，将激光沿钎缝方向倾斜45°入射，激光由圆形光斑变成椭圆光斑，此时钎料润湿效果最佳，焊缝的外观成形将会达到最佳。

3.3 焊接和送丝速度

激光钎焊焊接速度受到送丝速度及激光头移动速度的影响。一条焊缝的焊丝填充量由所要求的焊缝面积和板件搭接焊缝长度所决定，而焊丝单位时间的填充量由焊丝的截面积和送丝速度所确定。这些参数值必须与激光头的移动速度协调一致才能保证焊丝的填充量达到最佳效果，从而达到高质量焊缝。焊接速度与送丝速度的合理匹配，同时影响着焊缝填充量，填充量对接头强度也存在很大影响。图8为焊丝填充量过少造成的焊缝缺陷，此缺陷产生的主要原因为相对于焊接速度来说送丝速度过小。

图8 焊丝填充过少时的焊缝

在ICON车型顶盖钎焊的实际使用中，一般会使用较大送丝速度。利用产生的少量焊料过剩，减小因由于焊丝速度不均匀而造成毛孔的危险，而且能保证足够的焊缝截面积。但在速度较高的情况下，相对理论轨迹的机器人运行偏差也会因此而变大；焊接速度越快，加工过程对外界干扰的敏感度也就越大。图9为送丝速度过大、送丝过多造成未熔化焊丝在焊缝表面堆积。

图9 未熔化焊丝在焊缝表面堆积

4 结语

杭州吉利汽车生产ICON车型所采用的TRUMPF激光钎焊不仅拥有传统弧焊、点焊难以比拟的焊缝强度和良好的焊缝外观，而且焊接效率高，具备焊缝追踪功能，采用最新技术焊接过程监控系统，清晰拍摄焊接过程，识别焊接过程中气孔、漏焊等缺陷，达到提前预警效果，记录、存储焊接过程参数，便于缺陷原因分析，实现全过程高度自动化。本文从激光功率、焊接和送丝速度、激光焦点等多方面入手深入研究了影响焊缝质量的因素，提出了保证焊缝质量方法，为今后更加深入地利用好激光钎焊技术提供了参考依据，为吉利汽车激光焊接质量控制打下了坚实的基础。