激光熱傳導焊接是指激光沿板件的接縫處熔化匹配 零件,熔化材料流到一起并凝固形成焊縫。它一 般用于薄壁零件的角焊縫連接,熔深只有幾十分 之一毫米至 1 毫米。激光釬焊是指相配零件通過填充材料 或釬料連接在一起,釬焊過程中釬料熔化而母材不熔化, 熔化的釬料會流入零件之間的間隙并與工件表面擴散結 合。激光熔焊是指激光束使工件材料熔化、蒸發(fā),并穿透 工件的厚度方向形成狹長孔洞,隨著孔洞移動冷卻而形成 焊縫。
在汽車行業(yè)中,激光釬焊與激光熔焊是常用的工藝。 本文將詳細討論汽車白車身激光 釬焊與激光熔焊缺陷的成因及應 對措施。
1 激光釬焊與激光熔焊質量的影響因素
激光焊接系統(tǒng)復雜,影響焊接 質量的因素很多。
(1) 零件間匹配激光焊接過程 中熱輸入集中,對零件間的匹配要求很高。 以激光釬焊為例,當車頂與側圍的 Y 向離縫偏大 時, 會導致焊縫下陷甚至漏出。以激光熔焊為例,當門框 內(nèi)外板離焊縫大于 0.5 mm 時,會導致焊縫正面焊穿而背面 未焊透。
(2) 焊縫表面粗糙度當焊縫表面有油污、灰塵等時會導 致激光焊焊縫被氧化或有氣孔,粗糙度大。
(3) 激光功率對于激光釬焊來說,焊接過程中存在激光 能量密度閾值,低于此值,焊絲熔化質量差,金屬溶液流動 性差;超過此值,金屬熔液流動性加強,容易形成優(yōu)良焊縫, 但如果超出過多,則會造成母材過燒或燒穿。對于激光熔焊 來說,激光功率過低會導致焊縫背面未焊透;功率過高,會 燒蝕合金元素,造成焊縫正面凹陷甚至焊穿。
(4) 焊接速度與送絲速度:對于激光釬焊來說,焊接速 度越快,送絲速度越低,釬縫的余高越小,反之亦然。對于 激光熔焊來說,不需要填充焊絲,焊接速度高時可能會有未 焊透的現(xiàn)象;焊接速度低時,會有焊縫粗糙、熱影響區(qū)大、燒穿等現(xiàn)象。
(5) 焊絲或母材的激光吸收率對于激光釬焊來說,焊絲的激 光吸收率決定了焊絲的潤濕與鋪展性能,對于激光熔焊來說, 母材激光吸收率越高,激光工藝的實現(xiàn)越容易。如果母材激光 吸收率越低,焊接難度越大,工藝性越差。
(6) 光束斑點大小它決定了功率密度和焊縫寬度,衡量標 準為光束參數(shù)乘積,即 BPP。BPP 值 越小,激光能量越集中,光束質量越 好。BPP 示意圖如圖 1 所示。對于 激光釬焊來說,為了保證焊絲的充分 潤濕鋪展,一般要求 BPP 值為焊絲 直徑的 2 倍;而對于激光熔焊,為了 保證熔深和熱影響區(qū)較小,一般要求 BPP 值小于 2.4mm。
(7) 送絲開關時間與激光開關時 間:對于激光釬焊,在起焊和停焊時, 要匹配好出光、送絲、機器人運動之 間的協(xié)作關系,否則容易出現(xiàn)缺料、 多料、夾料、燒穿和粘絲等缺陷。激 光熔焊不受這些因素的影響。
2 激光釬焊的常見缺陷成因和應對措施
激光釬焊有如下常見的缺陷。
(1) 焊縫塌陷,焊絲下漏這是缺陷 中最嚴重的一種。它一般與沖壓件尺 寸、 焊接件縫隙匹配有關。當縫大于 0.5mm 時,焊絲不足以潤濕鋪展整個 釬縫,并且熔化態(tài)的焊絲還會沿著縫 隙漏出。該缺陷的長期控制措施包括 優(yōu)化沖壓單件狀態(tài),改善焊接件的縫 隙匹配等。一般采用 MIG 焊補焊并 打磨進行臨時返工。
(2) 焊縫偏移,焊接過程中隙中而 是偏向母材的一側。進行焊縫斷面金 相觀察時,可以發(fā)現(xiàn)它的 2 個焊趾大 小不同。焊縫偏移產(chǎn)生的原因有 3 種: 1、焊絲不在激光焦點正中央;2、焊 絲未填充在 2 個焊接件的角平分線上, 或者焊絲 Y 向位置偏差較大;3、焊 接過程中,釬焊鏡組的 Y 向側向力設 置不正確。
為了解決焊縫偏移的產(chǎn)生,通常 我們會采取如下措施:
1、調整激光焦點;
2、設置好焊絲與焊接件的夾角及焊絲的 Y 向位置;
3、在焊接過程中,給釬焊鏡組設置一個 100~150N的側向力, 或者設定為焊縫跟蹤模式。
當缺陷不嚴重時,可以通過打磨一側焊趾進行臨時返工; 當偏移嚴重時,需要打磨整條焊縫后采用 MIG 焊進行補焊。
(3) 氣孔 氣孔是釬焊焊縫的常見缺陷,氣孔產(chǎn)生的原因有 以下 2 種:
1、焊縫表面不清潔,水、油漬及金屬氧化膜產(chǎn)生的氫氣孔;
2、雙面鍍鋅鋼中的鋅蒸汽在釬縫中產(chǎn)生的氣孔。
為了防止氣孔的產(chǎn)生,在激光釬焊前要保證工件被焊面 的清潔度。對于鋅蒸汽產(chǎn)生的氣孔,可以通過調整工藝參數(shù) 來加以抑制,焊接速度、激光功率和保護氣體都可以影響鋅 蒸汽氣孔的生成。一般采用 2,800~3,300W 的激光釬焊功率和 50~70 mm/s 的焊接速度可以收到較好效果。采用氬氣等惰性 氣體保護釬縫,可以防止熔池氧化,抑制氣泡的形成。對于大 的氣孔,一般釬縫打磨后采用 Zn 粉混合膠水涂敷的臨時返工措 施,小氣孔無需返工。
(4) 引弧及收弧時焊絲填充不足或過剩。它的產(chǎn)生原因為激 光開啟與關閉,送絲開啟 與關閉的時間設置不合理。長期措施 需要優(yōu)化工藝參數(shù),一般引弧端,提前 4ms 送絲,提前 2ms 開 啟激光;在收弧端,一般延遲 2ms 停止送絲,延遲 5ms 關斷激光。
(5) 母材熔化:母材熔化產(chǎn)生的原因主要有:
1、焊絲偏離激光焦點;
2、機器人 Y 向軌跡有偏差;
3、激光光斑偏大。
長期控制措施包括校正焦點,校正機器人軌跡,或者通過 調整光學比來調整激光光斑大小等,一般不采取臨時返工措施。
(6) 焊縫粥狀與焊縫不平整 它主要由于送絲過程不流暢導 致。長期措施需要檢查 送絲速度是否穩(wěn)定,送絲輪是否磨損, 壓緊力是否太大,送絲管是否干涉,送絲電流是否太大等。臨時 返工措施一般打磨后 MIG 焊補焊再打磨。
(7) 焊絲潤濕鋪展性差 即焊縫在與母材連接面有未熔合區(qū) 域,甚至存在鋸齒狀缺陷。它的產(chǎn)生原因是在沖壓過程中,焊 縫處母材的 鍍鋅層脫落,導致母材對激光折射率增大,焊接過 程中母材溫度偏低,焊絲潤濕鋪展性差。它的長期措施需要在 沖壓過程中優(yōu)化工藝,臨時措施可以通過鋅粉與膠水混合后涂 敷來返工 因為激光釬焊工藝影響因素多, 根據(jù)以往經(jīng)驗, 列出缺陷原因分析供參照, 見下頁表 1。
3 激光熔焊的常見缺陷成因分析及應對措施
激光熔焊過程中,激光束對熔池的攪動、母材合金元素的 蒸發(fā)、熔池的溫度梯度以及金屬蒸汽等都會影響焊接的質量。 下面具體分析激光熔焊缺陷。
(1) 未焊透與未熔合未焊透與未熔合是嚴重的激光熔焊缺 陷, 產(chǎn)生原因是焊縫處激光能量低。
焊縫處激光能量低的影響因素有以下方面:
1、激光功率低;
2、熔焊鏡組保護鏡片臟,甚至破裂,影響了激 光透過率;
3、激光焦點偏移焊縫或者光束入射角偏斜。
這種缺陷的長 期解決措施為:1. 設置好激光功率參數(shù);2. 定期檢查并更換熔焊鏡組保護鏡片; 3. 校準激光焦點并保證激 光入射角為 90°。
該缺陷的臨時返工措施有正面點焊或 者焊縫背面打磨后,進行 CO2 焊塞焊并 打磨。
(2) 燒穿 如果僅首層板燒穿,那么缺 陷原因是板材之間間隙過大;如果整個焊 縫都被燒穿,可以確定焊接參數(shù)設置不當。 這種缺陷的長期控制措 施是保證板材間 隙小于 0.2mm,并設置恰當?shù)募す?功率 及焊接速度。對于首層板燒穿,一般可以 采用 MIG 補焊并打磨進行返工;如果整 個焊縫均被燒穿。則焊接工件按報廢處理。
(3) 氣孔 氣孔是激光熔焊過程中常 見的缺陷,產(chǎn)生原因如:激光熔焊過程中 熔池的形狀與體積不穩(wěn)定,光束不斷在母 材形成并關閉小孔;金屬表面鋅蒸汽來不 及逸出;焊縫表面不清潔,有油漬、水分 或金屬氧化層。
控制措施有:協(xié)調好激光功率與焊 接速度盡量保證熔池的穩(wěn)定性,并給予 鋅蒸汽逸出的時間;做好焊縫表面的清 潔工作:如果氣孔較小或者非貫通孔都 不會影響力學性能,無需臨時返工;如 果氣孔為貫通孔且較大,一般采用 MIG 焊補焊并打磨。
(4) 焊縫正面凹陷 焊縫正面凹陷的原 因為飛濺過大或者合金元素燒損嚴重,與 激光功率及焊接速度有關??刂拼胧闇p 小激光功率并提高送絲速度。當焊縫凹陷 深度小于母材厚度的 30% 時,無需返工; 當凹陷程度大于母材厚度的 30% 時需要 報廢處理。
(5) 裂紋 激光焊縫中的裂紋有熱裂紋 和冷裂紋 2 種,熱裂紋是由于焊接熔池冷 卻速度快,結晶部位在凝固過程中承受收 縮應力過大,造成焊縫沿晶界開裂。激光 熔焊過程中熱裂紋并不常見,一般可以通 過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來實現(xiàn)。冷裂紋主要 是焊縫中氫含量高,造成焊縫在應力集中 區(qū)域沿晶界或者穿晶界開裂。對于冷裂紋 需要做好焊前焊縫的清潔工作,焊接過程 中可以采用惰性氣體保護來控制。一般短 裂紋與非內(nèi)部貫通裂紋不影響焊縫強度, 無需返工;但是出現(xiàn)長裂紋與內(nèi)部貫通裂 紋,其焊接件需報廢處理。
4 結論與展望
激光焊接研究的首要目標就是辨析影 響激光焊接穩(wěn)定性和重現(xiàn)性的參數(shù), 并 尋求控制這些參數(shù)的方法。檢測激光焊接 產(chǎn)生的聲光發(fā)射信號是監(jiān)控焊接條件的重 要方式,記錄并分析這些聲光信號,將其 轉換為控制信號,并送回反饋回路,然后 調整激光焊接控制系統(tǒng),控制焊縫及焊接 接頭缺陷的產(chǎn)生。新一代激光焊接系統(tǒng)中, 如 TRUMPF 公司的 WIN- LAS 及 LASER LINE 公司的 LL-ConTROL 控制系統(tǒng)均 可以實現(xiàn)監(jiān)控—反饋—調節(jié)的過程。通過 由光、聲或等離子監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)回的反饋, 可以實時變化激 光功率以適應焊接條件 的改變,從而優(yōu)化焊接過程。隨著技術的 發(fā)展、智能化及神經(jīng)網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)的研 發(fā)應用,相信激光焊接的缺陷會得到進一 步控制, 質量更加穩(wěn)定可靠,激光焊接 的應用前景會更加廣泛。
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