激光钎焊焊接工艺影响因素分析
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【摘 要】本文主要介绍了激光焊接工艺中的各个设备间的参数匹配，保证了各个环节的稳定性和，才能得到合格并稳定的焊缝质量。
【关键词】激光钎焊；工装夹具；送丝设备；保护气体
车身顶盖和侧围激光钎焊以光束传输热源，熔化钎料，连接两基材，此种焊接方式较传统激光钎焊需要更为严格的工装夹具，以保证车身拼配，达到稳定的接头间隙，以利于形成稳定的焊接接头。与此同时，对涉及焊接系统内的激光焊机、焊接镜头、送丝系统和保护气体等设备的稳定性要求甚高。因此，激光钎焊焊接工艺影响因素和此系统内的各个设备息息相关，只有匹配好各个设备间的运行参数和焊接工艺要求，并保证逐个环节的稳定性，才能得到合格并稳定的焊缝质量。
1 工装夹具和板材匹配
顶盖和侧围的搭接属于卷接方式，且在X、Y、Z直线系内均需保证一定的功能尺寸定位和车身匹配。侧围和顶盖的车身定位在Y向需要采用电机带动直线和回转类工装夹具进行定位和夹持固定，机械化的传动方式涉及气动传动、液压传动和电力传动等；在Z向需要对顶盖进行下压，以保证和侧围的贴合度，采用了真空阀传动方式。激光钎焊的完成借助于SEF机器人，其重复定位达到0.02mm，机器人焊接任务的完成相对于夹具属于变位置焊接，因此，对变位机械夹具应具备如下性能：变位机械需要有较宽的调速范围，稳定的运行速度以及良好的结构刚度；直线传动过程中需要稳定的滑道系统，并有自锁和软性缓冲功能；与焊接机器人和精密焊接作业配合的传动机构的重复定位精度控制在0.02至0.05mm之间；良好的水、电、气连接和防护措施；整个结构要有良好的密闭性，以免焊接飞溅物对滑道和汽缸拉杆造成损伤；顶盖和侧围焊接区域干净整洁无异物，防止因灰尘造成熔池污染或损伤焊接镜头镜组和真空吸盘；夹具夹头（夹爪）在X、Y、Z方向可调，便于增减垫片，针对弧形薄板接触夹头采用硬树脂材质，减少接触冲击力，防止零件变形；应满足导线接地、隔磁和绝缘等方面的特殊要求。
除上述要求外，焊接夹具的设计原则和其他机械设计原则一样，首先必须使焊接机械装备满足工作职能的要求，在这个前提下还应该满足操作、安全、外观、经济上的要求。
2 激光功率和送丝设备
固体激光器光束可以通过光缆进行远距离传输，将激光焊机和焊接工位分开以保证焊接工位封闭对操作人员的安全，这一优点正是该类型激光器得以广泛地应用于汽车行业的原因。焊接过程中金属对激光的吸收与激光波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等一系列因素有关。
激光被加工材料吸收后将光热效应转化为热能。在不同的激光辐射照度下，材料表面状态将发生不同的变化，这些变化包括温度的升高、熔化、汽化并形成小孔、产生等离子体等，材料表面物态的变化反过来又极大地影响材料对激光的吸收。综合热镀锌、钎料Cusi3和基材碳钢的材料性质，在保证离焦量和焊丝位置不便的情况下，激光钎焊对功率的需求在2500-3500W之间，但这个功率需要同焊接速度和送丝速度做匹配。
激光束照射到焊丝上时，对焊丝将发生三方面的作用：一部分激光被焊丝吸收，使焊丝升温、熔化，成为熔池的一部分；一部分被焊丝反射掉；余下的一部分则加热焊丝熔化形成熔池后的两侧基材并通过焊丝中形成的小孔，穿透焊丝对下面的工件加热。焊丝对激光的吸收、反射和被透射的具体形式以及三部分能量的分配比例，随着焊接参数的变化而变化。研究表明，当送丝速度超过5m/min后，被反射的光束能量达到一个饱和值，为光束能量的35%，而50%的光束能量被吸收，余下的15%则是透过焊丝和被金属蒸气等离子体带走能量的总和。除送丝速度外，焊丝和光束位置、送丝方向、焊接速度都有交叉影响，因此，互相制约的参数选择必须严格控制和匹配。
与此同时，功率的匹配需要和焊接镜头发射的光束同焊接区域的夹角做考虑，不同的夹角，对板材的吸收和发射率不同。该夹角对于送丝设备而言，即送丝角度，送丝角度是焊丝和板材表面的夹角，为激光钎焊的一个重要的参数。依据经验，夹角通常选在35-45°，角度过大或过小对送丝的稳定性和准确性都是不利的。因为，为避免工件或管束的干涉，焊丝导向嘴需要安装在距离焦点较远的位置，使焊丝从导向嘴外伸的非导向段过长，影响Cusi3焊丝对熔池的指向性。
焊丝同光束的相对位置是激光钎焊的一个重要参数，它不仅影响焊丝的熔化速度，而且对焊缝的成型质量也有很大的影响。理想的要求是光束焦点位于工件表面，而焊丝位于光斑的中心，此时焊缝成型最好，焊丝熔化量最大；焊丝如偏离焦点位置，无论在高度（Z向）或横向（Y向，与焊接方向垂直）偏离焦点，熔化量都会下降。为确保每件焊缝起始端焊丝位于焦点中心，常采用激光切丝或切丝机切丝。
关于焊丝对激光的反射和送丝速度的关系，几乎所有的研究均表明，随着送丝速度的增加，焊丝对激光的反射增强。不同激光功率时送丝速度与焊丝对激光束反射比的关系，在一定激光功率下，送丝速度越高，被焊丝反射的激光功率越高，反射比也越大；而送丝速度一致时，激光功率越大，则反射比越小。例如，当入射激光功率为1kW时，送丝速度由1m/min增加到5m/min时，焊丝对激光的反射比从12%增加到47%；当激光功率为5kW时，相应的反射比曾由4%增加到9%。
3 激光焊接镜头和保护气体
自适应性焊接镜头将激光光缆传输的光束进行准直聚焦后，得到所需要的的光斑和相应的功率密度，其准直和聚焦透镜需要进行水冷，以防止镜组漫反射造成灼烧。为了弥补焊缝在高度（Z向）和宽度（Y向）位置的变化，镜头厂家提供的焊接镜头在Z向增加了压力弹簧和直线位移传感器；在Y向采用电机驱动，使送丝头部一直沿着焊缝区域导向下去。Z向和Y向的偏离量将通过镜头控制软件反馈，以便操作者对轨迹进行修正和试教。为了保证焊接镜头的运行稳定性，在机器人程序编制过程中需要依据镜头焊接模式进行切换，尤其在镜头探测模式，需要较宽裕的空间并避免夹具干涉，防止镜头报警。在焊缝模式下，匹配合适的导向力，以适应顶盖和侧围的搭接Y向偏差，但需要注意，一旦±Y0.2mm，镜头Y向电机将出现过载报警，镜头导向模式已超出最大工作范围，导向功能消失并使镜头产生报警，此时需要人为调整顶盖和侧围的匹配。
【参考文献】
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