AUDI B8/Q5顶盖激光焊质量缺陷分析

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随着激光焊接技术的日益成熟，该技术已经大量应用到生产线上，如齿轮焊接，汽车底板及结构件（包括车门车身）的高速拼焊，并已取得了巨大的经济和社会效益。如车身装配中的大量点焊把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，凸缘宽度需要16mm，而激光焊接是单边焊接，只需要5mm，把点焊该为激光焊，每辆车就可以节省钢材40kg。

一、焊接工艺

激光焊接是在微小区域内加热与冷却之间的精细平衡。目的是通过辐射吸收产生液态熔池，并使之长到理想尺寸，然后沿固体界面移动，消除被焊构件间的初始缝隙，形成高质量的焊缝。熔池过大过小或者蒸发严重，都将导致焊接失败。此外，焊缝的最终质量还受其它因素的影响，如合金成分的蒸发，过大的热梯度（导致热裂纹），以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定（导致气孔和空穴）等。

激光向工件传递的途径经常被激光焦点处产生的蒸气所干扰，在一定条件下，这种蒸气转化为等离子体，由于吸收和溅射而使激光强度减弱。在焊接熔池存在时，熔合区与周围基体材料间界面几何形状的稳定，是决定工件内部稳定传热的主要因素，在焊接过程中工件移动或激光束移动的时候，固液界面经常受到干扰，因此，在焊接熔池的冷却速度中必须引入附加的几何形状影响因素。既然存在这么多潜在的限制因素，很难想象激光焊接会获得高质量的焊缝。

但是，不管激光焊接中激发与冷却平衡过程存在多少限制，大量的传热与机械时间常数仍能共同作用，以适应激光焊接的要求，并将各种波动减轻到一定程度，进而建立稳定的焊接条件。

辨析影响激光焊接稳定性和重现性的参数，并寻求控制这些参数的方法。首先应从激光源本身出发，因为输出功率与模式的波动在焊接熔池中转换成热波动，从而导致激光焊接过程不稳定性的发生。激光与材料相互作用过程的高度非线性特征意味着某些波动在幅度上的快速增加，这同时也提供了控制激光焊接过程的可能性与现实性，即利用检测声、光、电的波动信号，并进行有效的处理，进而有选择地改变激光的输出方式。如果与激光焊接系统激发、响应有关的众多参数可以精确控制，则激光焊接的精密度是完全可以保证的。

在整个焊接过程中，工件响应的波动是一个主导因素，与这些因素相关的频谱带宽对于等离子波动最小为10MHz。而对于机械运动，特别是与液体振动有关的运动，频谱带宽较小（≤10KHz）。因此，检测激光焊接产生的声光发射信号是监控焊接条件的重要方式，识别这些信号的组成，诊断特定的错误条件，为优化焊接工艺、消除焊接接头的缺陷并实时控制焊接过程提供了可能。为了对各种数据和加工速率提出更加严格的要求，应该记录并分析这些声光信号，并将其转换为控制信号，送回反馈回路，以驱动机电装置，调整激光焊接系统，补偿焊缝及接头的缺陷。

激光焊接的主要优势就是能够通过激光的相互作用来优化焊接接头的综合性能。在当代先进的激光焊接系统中，这种优化主要通过激光功率的计算机控制来实现。通过由光、声或等离子监测系统发回的反馈，可以实时变化激光功率以适应焊接条件的改变。在激光焊接工艺逐渐被人们接受和采纳以后，这种闭环控制系统能保证在工业生产条件下，优化焊接过程，而无需操作者干预[4、5]。

二、汽车激光焊接的质量缺陷

1.汽车激光焊中的典型缺陷

由于汽车激光焊接过程的复杂性及众多影响因素，一般认为激光焊缝轨迹的开始段和结尾段最为关键的，当出现加工质量下降时，无法用一个概括的原因来进行解释。以下是汽车白车身激光焊接的一些典型缺陷：

直径超过1.0mm的毛孔，被称为空洞;熔焊型焊缝;低劣焊料连接;单面的焊料连接;香肠现象;焊缝塌陷或凸起;焊缝表面不光滑，显得很粗糙，加工件的边缘出现焊缝填充不足或过剩的现象，或者是在轨迹上发现有未熔化的焊条残余。

2.汽车激光焊接的质量影响因素

（1）激光设备

脏了的保护玻璃镜片，激光器中老化的弧光灯会降低激光器的功率;激光的焦点位置调整不正确，激光焦点的直径太小时，大量的激光能量集中在焊条上，使焊料变得过热，而同时加工件的侧边却没有得到足够的能量加热，这样焊料就不容易流到加工件的缝隙中去。而激光焦点的直径太大时，激光能量又不集中，焊不牢固。

（2）焊条

焊条预热的温度错误; 焊条材料合金成分的改变;焊条引导的速度不恒定或者与激光设备加工头的速度不相符。

（3）其它辅助设备

熔液的凝固引起气体分子的泄漏;程序给定错误的进给速度或者机器人速度出现波动。

（4）间隙尺寸

被焊接的汽车零部件之间的间隙尺寸超过激光设备的要求。

3.汽车激光焊接的质量控制

（1）设备保养

在汽车激光焊接的质量缺陷及影响因素中，提到了大多数质量缺陷都是由于设备故障造成的，因此日常的设备保养和维修显得尤为重要。检测保护玻璃镜片，及时更换损坏的镜片。清理夹具的焊接飞溅残留物并紧固夹具的固定螺栓。检查激光器中的弧光灯，及时更换老化的弧光灯。对一些辅助设备，例如机器人、送丝机构等都需进行一些日常保养。

（2）焊接工件的尺寸精度要求

激光焊对焊件装配精度要求非常高，如工件装配精度或光束的定位精度达不到要求时，很容易造成汽车焊接缺陷，所以良好而精确的夹紧技术是激光焊接的保证。普通焊接对被焊接零部件间的配合间隙要求在2mm左右，激光焊接理想的情况是配合间隙越小越好，通常在白车身生产中以被焊接零件间的配合间隙0.2mm来控制。

（3）车身功能尺寸的质量控制

根据现场白车身激光焊接质量控制的经验，成立一个尺寸小组对影响激光焊接质量的关键尺寸进行监控。

4.激光焊缝质量的检验及返工标准

判定激光焊缝的质量好坏一般分为非破坏性检验和破坏性检验。

（1）非破坏性检验

激光焊缝非破坏性检验主要是目视检验。检验者采用一些适宜的工具如放大镜、相机、或其它测量检验的工具对焊缝的存在、数量、长度、外观及位置按照图纸要求进行检查。在上面提到的激光焊接质量缺陷中，气孔、焊接飞溅、焊穿、中断的焊缝、边缘熔接等问题都是可以通过目视检验出来。在汽车白车身生产过程中要求对每一条焊缝都进行目视检验来评判它的质量。

（2）破坏性检验

激光焊缝的破坏性检验分金相试验和凿击检验两种。金相试验是通过显微镜对激光焊缝的横断面磨片进行判定的一种检验方法。由于设备故障或质量缺陷对激光参数进行调整后，必须对焊缝做金相试验评定。凿击检验是借助凿子，使激光焊缝受力凿打直至出现断裂，然后测量断裂面（焊缝的长度和宽度）的一种检验方法，凿击检验能反映出激光焊接设备的功能可靠性。

（3）返工方法

通过上述各种检验方法发现缺陷的激光焊缝质量问题，需进行返工。电阻点焊，但电阻点焊要求有较高的接触位置或法兰边宽度，而且在这种情况下不允许焊点在激光焊缝上、点焊的焊点与激光焊缝连接在一起。当零件法兰边很短的情况下（8mm）或不能钻孔时，在搭接处用MIG焊;当搭接接头成角的焊缝时可使用MIG、MAG焊接;重新进行激光焊接，新焊缝不允许焊在有缺陷的焊缝上，只能焊在焊缝之间的空缺处，要求返工焊缝长度应与焊缝缺陷位置的长度相同。

参考文献

[1]胡席远，熊建钢.薄板激光焊接质量影响因素研究[J].应用激光，1998（2），Vol.18，No.1：38-40.

[2]黄洁明.汽车零部件焊接工艺研究[J].装备制造技术，2012（2）：203-205.