新材料与工艺手册

[激光焊接] 激光填丝熔焊在铝合金覆盖件中的应用与质量控制

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发表于 2019-9-2 09:35:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘要:基于全铝及钢-铝混合车身激光填丝熔焊工艺开发,以某车型铝合金车顶与侧围外板的激光填丝熔焊生产应用为例,描述了其几何连接结构设计与工艺实施过程。从设备、材料、结构、工装夹具及工艺参数选择等多个维度出发,讨论了影响连接质量的一些关键性因素,分析了该技术在生产应用中的一些常见工艺缺陷与形成原因,并从质量保证角度提出了一些建设性的改进意见与补救措施,旨在为轻量化车身的设计与工艺开发、试制与生产投放提供强有力的支撑。
关键词:铝合金 连接 激光填丝熔焊 全铝及钢-铝混合车身 轻量化
1 前言

随着乘用车“双积分”政策的实施,汽车轻量化势必将迎来新一轮的变革与发展。在当今发动机技术提升难度日趋增大、动力电池效率不尽人意的大背景下,不论对于传统燃油汽车,还是新能源汽车,轻量化车身的快速开发与投放将成为各大整车厂获取燃油消耗积分、实现节能减排的一项重要和关键举措。关于轻量化车身的开发,一个重要路径就是通过逐步提高铝合金材料的应用比例来实现。当前,国内外汽车公司,如奥迪、通用、蔚来等,已经开发出全铝或者钢-铝混合车身,降重效果十分显著,并且相应的商品车也已上市销售。以凯迪拉克CT6车身为例,采用钢-铝混合车身连接结构后,可实现车身降重约99 kg,降重比例高达25%。

铝合金的大量采用带来可观降重效果的同时,也对传统连接工艺提出了新的挑战和要求[1-2]。铝合金独特的物理、化学属性使得其焊接性非常差,且热变形、气孔、裂纹等缺欠也常见于铝合金焊件中。对于钢制车身而言,激光钎焊技术常用于车身外覆盖件零件的制造中,涉及侧围外板与顶盖外板、侧围外板与流水槽、后备门上外板与下外板间的连接[3-4]。与传统电阻点焊工艺相比,该技术的采用可使整车的刚度、连接强度得到大幅提升,同时还有助于提升整车的美观度、密封性和隔音效果[5]。对于全铝及钢-铝混合车身而言,其应用区域完全相同,发生改变的仅仅是零件材质由钢板变为铝板,但是该技术已非传统意义上的激光钎焊技术。由于铝合金车身外板材料与焊丝材料的熔点比较接近,加之在激光焊接过程中,影响因素众多,热输入量无法实现超精准控制,母材熔化与不熔化的情形将同时并存,形成的接头组织也将是钎焊与熔焊并存的混合焊缝形式[4]。相应地,其焊缝质量也将受到钎焊和熔焊双重工艺因素的影响。

铝合金激光填丝熔焊施焊完成后,若焊缝可视美观,经简单处理后即可直接进入油漆车间进行涂装加工。正因如此,这也对铝合金激光填丝熔焊焊缝的整体质量提出了更高要求。在实际生产过程中,受限于设备、工艺的复杂性以及影响因素的多样性,只能通过对工艺过程中的每个关键环节与因素进行精准把制,以获取优质、可靠、稳定的焊缝。本文结合前期工艺开发以及某车型生产制造情况,讨论了影响铝合金激光填丝熔焊焊缝成形的关键因素,并从结构设计、工艺实施、质量保证与补救等角度出发,提出了获取优质焊缝的方法与对应策略。

2 激光填丝熔焊几何连接结构及工艺实施过程

尽管铝合金激光填丝熔焊有着铝点焊无法比拟的优点,但同时其也对被连接件的装配与制造精度、工艺实施精准度提出了更高要求。在全铝及钢-铝混合车身覆盖件制造中,以车顶与侧围的连接工艺实施难度最高。本文将以车顶与侧围的激光填丝熔焊为例,简要阐述其几何连接结构设计及工艺实施过程。

2.1 激光填丝熔焊几何连接结构

侧围外板与顶盖外板采用铝点焊连接工艺时,双侧零件需冲压出连接翻边并匹配成搭接接头,见图1(a)。为获取优质焊缝,一般需采用大电流、短时间的工艺规范,并匹配大端面的电极帽。为保证合适的进枪空间,其搭边量设计值相比于钢板点焊时应适度增大。而搭边量的增大,一方面不利于产品的轻量化,另一方面还会增加装饰条的尺寸、增大密封胶的使用量,不利于降成本。

采用铝合金激光填丝熔焊后可消除上述不利影响。车顶与侧围外板设计成线接触,以保证整车连接强度,其焊缝处实车剖面呈点接触,如图1(b)所示。侧围与顶盖外板单侧焊缝长度达1.5 m,可满足整车对刚度和安全性的要求。采用线接触而非面接触设计的另一个优点是其可有效减小双侧大尺寸冲压件尺寸公差变化引起的匹配间隙波动,继而降低焊接缺陷产生的概率。此外,侧围外板与顶盖外板双侧接触面设计成倒梯形还可有效吸收和减小顶盖在安装、加紧过程中下沉产生的容差,保证施焊过程中两侧零件间的有效接触或者匹配间隙满足产品设计与工艺要求。为了保证铝合金激光填丝熔焊的工艺实施要求与焊缝质量,匹配间隙值一般应≤0.5 mm[5],如图2所示。

图1 侧围与顶盖连接结构剖面示意图

图2 侧围与顶盖铝合金激光填丝熔焊匹配间隙

通过设计相关工艺试验并不断优化工艺参数,基于1.2 mm厚6016铝板获取到了其在激光填丝熔焊中所能容忍的最大匹配间隙阀值。结果显示:即使在间隙值为1.5 mm时,仍能获得表面状态和内部质量均较好的填丝熔焊焊缝,如图3所示。从焊缝截面金相照片中可以看出,双侧母材均有不同程度的熔化,说明其已非传统意义上的钎焊焊缝,进一步证实了钎焊、熔焊混合焊缝可存在。

2.2 激光填丝熔焊工艺实施过程

顶盖与侧围激光填丝熔焊实施过程按照工艺路线可分为顶盖定位、激光填丝熔焊接以及焊后返修三大工艺流程,其中焊后返修又可细分为线上返修和线下返修两个并行的工位,如图4所示。

图3 6016铝板激光填丝熔焊焊缝及焊缝截面金相

图4 侧围与顶盖激光填丝熔焊工艺流程

在顶盖定位阶段,利用定位、夹紧工装将顶盖预置在白车身焊接框架上,并使两者间的相对位置保持在正确的合理范围内。顶盖位置调整合适后,在其前、后区域分别焊接2~4个固定点进行精准定位。

顶盖定位完成后,通过行程搬运机器人将待焊总成送至激光填丝熔焊工作站。此时,借助浮动工装调节对顶盖的垂直压紧力,确保顶盖与侧围外板的紧密结合,并形成一个满足填丝熔焊要求的匹配间隙范围。而后,两侧填丝熔焊机器人按照PLC指令移动至程序设计的原点位置,待焊接头到达焊缝起焊点后,保护气、送丝系统和激光器出光程序先后被启动并执行焊接程序,此时焊丝受热熔化并填充两侧母材间隙形成可靠、有效的连接。待到达焊接终止点时,激光器出光程序与送丝系统将先后停止,而后保护气关闭,最后焊接机器人按原程序返回设定的原点位置,整个焊接过程完成。需要指出的是,起焊段、正常焊接段以及终止段的焊接参数并不相同,而是根据产品结构形式及质量保证工艺要求进行不断优化调整确定。焊接方向为从顶盖的后部向前焊接。

顶盖与侧围焊接完成后,应当对焊缝质量进行100%检验、评估与确认,并根据焊缝缺欠的严重程度、返修所需时间长短等因素确定执行线上返修或者线下返修流程。

3 激光填丝熔焊焊缝质量影响因素分析

铝合金激光填丝熔焊是一个非常复杂的物理化学过程,兼有钎焊、熔焊的工艺特点,并形成了独有的光、电、热混合加工效应。最终合格焊缝的获取需要匹配好每个环节的工艺要求,涉及焊接系统各个设备、材料-结构与夹具间的匹配以及焊接过程中各种工艺参数的选择等三大方面。

3.1 激光填丝熔焊工作系统设备匹配

铝合金激光填丝熔焊工作系统主要设备包括激光发生器、冷却循环装置、传输光纤、激光焊接头、送丝装置、焊接机器人、控制柜、抽排风装置以及在线监测系统等,如图5所示。

图5 铝合金激光填丝熔焊工作站组成示意图

激光发生器的作用是产生连接所需要的、一定波长与能量密度的激光束。当前,铝合金车身焊接多采用Nd:YAG固体激光器以及IPG光纤激光器,其激光输出波长一般为1.06μm左右。光源质量的优劣是影响焊接质量的最直接源头,控制或者选择不当极易造成焊接缺欠的产生。其主要评价指标包括光束断面能量大小、能量密度分布、激光功率输出稳定性以及光斑模式等[6]。其每一个参数的波动或者变化,都将直接影响最终的焊接质量。例如,激光功率波动严重时,易产生焊缝表面不平整甚至是塌陷、烧穿等缺欠。

冷却循环装置起到冷却激光发生器以及焊接头内镜头组的作用,其对焊接质量的控制同样十分重要。例如,若镜头组没有冷却过程,将会受热变形甚至烧坏,并直接影响光束传输质量和焊接效果。

光纤的作用是将激光器产生的激光束输送至焊接头,应根据焊接工艺实际需要选择并匹配合适芯径的光纤,当前激光填丝熔焊光纤芯径以0.6 mm为最常见。设备一般至少配有两套光纤,一套为正常生产时采用,另一套为备用替代光纤。

激光焊接头的作用是将输送来的激光经准直、聚焦处理后,形成具有一定加工功能、可满足焊接要求的激光束。鉴于铝合金连接难度大,焊接头多匹配德国宾采尔集团生产的ALO3型激光焊接头,其最大优点是具备焊缝跟踪、自动对焦、光斑调节、热输入控制等功能,并且自由度大,可适应车身与侧围不同位置、不同焊接姿态下的连接。

送丝装置的作用是将焊丝精准、平稳的送至焊缝熔池中。为确保焊丝的稳定输出,减少因送丝系统不稳定导致的缺陷,一般多匹配两级送丝机构,安装在焊丝盘侧的从送丝机的作用是保证抽丝顺畅,安装在焊丝输出口侧的主送丝机则是保证焊丝平顺输出。

焊接机器人的作用是实现不同车型的共线化、柔性化生产,提高自动化生产效率,一般多匹配6轴工业机器人。通过修改机器人程序中的相关参数,可以完成焊接轨迹设定、焊接姿态调整以及焊接工艺参数优化,以实现焊接质量提升。

控制柜是整个焊接系统的中央控制器,负责系统中各种电、气信号的处理与转化,并协调、统筹、控制各个设备间的协同运行。

抽排风装置的作用是排除焊接过程中产生的烟尘、有害气体及水冷机组产生的热量,改善工作间环境的同时,还有利于焊接头镜头组表面清洁度的保持,提升光源输出质量。

此外,为保证焊接质量的高稳定性,生产厂所用的激光填丝熔焊系统一般还匹配有在线检测设备,其不但可对各种焊接参数的动态变化进行实时显示,还可借助摄像与图像处理技术将潜在的、可能存在焊接缺欠的焊缝筛检出来。

3.2 材料、结构与夹具匹配

焊接材料包括母材、焊丝两大类。对于母材本身而言,影响焊接质量最直接的因素主要包括激光吸收率、材料焊接性以及母材自身的清洁度三个方面。铝及铝合金对波长为1.06μm左右激光的吸收率仅约为5%,如图6所示,加之其热导率非常高,在实际焊接过程中,一定要保证良好的光束聚焦,同时还应采用大能量密度的激光束进行焊接。当前,铝合金车身覆盖件制造材料基本上全部为6系铝合金,相对于5系铝合金而言,其在焊接过程中产生热裂纹的倾向更加明显,焊接时应选择抗裂性更好的Al-Si系焊丝,目前侧围与顶盖激光填丝熔焊采用的主流焊丝为AlSi12焊丝。对于母材表面存在的油污等杂质而言,其对激光吸收率的提高有一定的不利影响。焊接前应将其清除,以提高激光吸收率和减少气孔等缺欠的产生。

图6 不同金属对不同波长激光束的吸收率图谱

车身与侧围外板接头结构为卷边对接,在产品设计时应充分考虑填丝熔焊对接头形式的工艺要求,包括冲压件的尺寸要求、形态设计等。例如,两零件间的匹配夹角应满足焊接头的运动空间要求,卷边处R角的设计应当考虑焊丝熔化后的浸润、冶金反应以及铺展效果。此外,被连接件的制造尺寸与精度应在符合图纸设计要求的前提下,尽量保证匹配后整条焊缝零件匹配间隙值的稳定性。焊接位置以及匹配间隙主要是靠工装夹具来保证,但同时还应避免工装夹具与激光头的干涉,并考虑顶盖自重引发的下沉带来的影响。

3.3 激光填丝熔焊工艺设计

与镀锌钢板的激光钎焊相比,从材料、工艺角度分析,铝合金的激光填丝熔焊工艺更加困难、复杂,涉及的因素也更多,主要包括激光功率、焊接速度、送丝速度、焦点位置与光斑直径、保护气体种类与流量、焊丝控制、起始与终止段焊缝质量控制以及焊接姿态设定等。

激光功率的选取需要综合考虑焊接速度、送丝速度、板材匹配间隙、离焦量等各种因素。在一定条件,铝合金激光填丝熔焊都存在一个较优的功率匹配区间。当焊接功率值小于该区间数值时,焊丝的熔化状态与流动性变得比较差,导致焊缝状态不理想;当焊接功率值超过该温度区间时,又会产生母材过多熔化甚至烧穿等缺陷。结合工艺开发试验结果可知:对于厚度范围在1.0~2.4 mm的铝合金外板材料而言,其功率选择范围在1 400~2 600 W时,得到的焊缝质量相对较好。

焊接速度的选择主要受焊接功率、送丝速度以及焊接头自身的移动速度影响。焊接速度对焊缝有效承载深度的影响较为显著。速度过大时,一般会导致有效焊深过浅、连接强度不足的问题;过小又会引起母材与焊丝的过度熔化,产生塌陷甚至烧穿等缺陷。为提高生产效率,满足生产节拍要求,在能保证焊接质量的前提下,应尽量提高焊接速度。

送丝速度是在焊接速度匹配后,结合焊缝的设计截面积、焊丝的直径进行确定。只有匹配好这些参数后,才能保证合适的焊丝填充量以及获得较好的填丝熔焊焊缝。焊丝填充量直接影响到焊缝的有效连接深度,对接头的强度起着决定性作用。送丝速度过大或者过小都不利于焊缝强度的保证。工艺试验结果显示:当匹配间隙≤0.5 mm且焊接速度为1.8~2.5 m/min时,送丝速度在5.5~7.5 m/min的区间范围内选择,可获取较好的焊缝表面状态和内部质量。

离焦量的选择直接影响光斑直径的大小,继而影响焊丝熔化后在母材上的铺展、冶金反应以及焊缝的宽度与深度。在一般情况下,铝合金激光填丝熔焊推荐选择正离焦,光斑直径一般设定为焊丝直径的1.5~2倍。通过工艺试验证实:直径为1.2 mm的铝合金焊丝匹配直径为1.8~2.5 mm的焊接光斑可获得较为理想的焊缝。光斑直径过大或者过小都不利于焊接质量稳定性的保证。

关于保护气体,铝合金激光填丝熔焊可选择高纯Ar、He-Ar混合气体保护熔池,并可有效避免和减少焊缝的氧化以及气孔的产生。焊接时气体流量一般控制在10~25 L/min。

焊丝控制主要涉及焊丝进给方式的选择、送丝角度优选以及焊丝与焊缝表面间距离的确定等。关于送丝方式,焊丝在激光前方送入方式最为常见。与后方送入方式相比,其对焊丝位置的波动容忍性更好[7],获得的焊缝表面质量也更为美观。工艺试验结果显示:送丝角度在35~50°区间内选择以及焊丝距离焊缝表面0~2 mm时,送丝及焊接过程比较稳定、可靠。

起始与终止段焊缝质量控制是指在焊缝形成的起始与末尾阶段,匹配好激光出光、送丝以及焊接头运动之间的关系,可有效控制和避免缺口及焊瘤缺欠的产生。在起焊段设置功率缓升,收尾段设置时功率缓降可有效改善焊缝两端的外观形貌与质量状态。

焊接姿态设定是指根据产品的结构特点、接头形式,从保证质量、保护设备以及利于焊缝跟踪等角度出发,设计激光焊接头与工件、焊缝间的相对位置与夹角关系。

4 激光填丝熔焊常见工艺缺欠及应对措施

在工艺开发与实际生产过程中,侧围与顶盖铝合金焊缝中的缺欠很难做到完全避免或者消除。常见的缺欠主要包括焊缝表面不平滑、焊缝气孔(表面+内部)、表面塌陷、焊缝偏移以及焊瘤与缺口等5大类。而缺欠的频发位置与区域主要涉及焊缝的起始段、型面设计的拐角段以及焊缝的收尾段。对于上述焊接缺欠而言,通过合理选择和匹配相关工艺参数,可以有效得控制和减少其产生的频次与数量。对于已经产生且对产品性能不产生或者产生轻微影响的缺欠,可采取相应措施进行补救;对于不能补救的缺欠,应当选择将焊接总成报废。下面对上述缺欠的工艺控制方法以及焊后补救措施分别简要阐述。

焊缝表面不平滑主要指分布在焊缝表面的、明显的、高低不平的鱼鳞状花纹或波浪,如图7所示。由于侧围与顶盖焊缝为整车外漏可视焊缝,其质量状态将直接影响用户的外观感知,因而对其表面连接质量要求非常高。在实际生产过程中,应严格按照相应的质检标准进行控制。针对上述情况:可通过改善功率、送丝以及焊接速度间的匹配性,收紧零件匹配间隙设计范围(≤0.3 mm),调整焊枪姿态以及光斑直径等措施改善焊缝表面光洁度。对于已经形成的波浪状焊缝可借助机器人自动打磨以及人工修饰等方式来解决。

图7 焊缝表面波浪

气孔在铝合金填丝熔焊中出现的概率相对比较高,主要包括表面及内部气孔两大类。在工艺参数设置合理的前提下,其产生原因主要与焊前零件表面的油污等杂质、焊丝受潮氧化以及熔池周围氢、氧以及水气的渗入有关。可通过提升零件表面的光洁度、保证焊丝储存环境的干燥与密封性、适当增大惰性保护气体流量等措施保护焊接熔池,从根源上减少气孔的产生。对于直径较大的表面气孔,可采取TiG焊工艺进行补焊,而后进行修磨以保证焊接表面质量。对于不易发现的小气孔,待通过电泳线后,可采用PVC进行修补。

表面塌陷是指焊缝表面高度低于焊缝理论要求值而形成的一类缺欠,如图8所示,其不但影响整车的美观度,还将明显降低焊缝的承载强度,是焊缝受力较为的薄弱环节。其产生原因主要与侧围、顶盖间的匹配间隙有关。此类缺欠可通过调整焊接工装的夹紧力实现匹配间隙收窄,增大光斑直径提升填丝熔焊对匹配间隙的容忍性来解决。针对短距离的表面塌陷,与钢板激光钎焊类似,可采用一种具有快速凝固功能的双组分环氧树脂进行修补[3]。

焊缝偏移是指焊接过程中钎料未能按照设计要求的轨迹均匀得填充到母材间隙中,而是偏移到一侧母材上形成的局部连接甚至是未连接的一类缺陷,如图9所示。此类缺欠常见于新产品的生产调试和量产初期阶段。产生原因主要与光斑位置设计不佳、焊丝与光斑位置发生偏移以及焊缝跟踪力的设置不合理有关。基于上述原因,可逐一针对性进行排查,制定改善措施,此类缺欠可较好得避免和消除。对于不严重的、短距离焊缝偏移仍可借助TiG焊工艺+表面修磨的方式进行修补。

图8 局部表面塌陷

图9 焊缝偏移产生的未连接缺欠

焊瘤与缺口常见于焊缝的起焊与收尾处,见图10,其形成原因主要与送丝、激光出光程序的开启与闭合时间设置不合理有关。在焊接轨迹设计正确的前提下,对于焊瘤缺欠,起始段可通过提前开启出光程序、收尾段可通过延迟关闭出光程序进行改善或者消除;对于缺口缺欠,起始段可通过提前开启送丝、收尾段可通过延迟关闭送丝进行改善或者消除。焊接完成后,表面焊瘤可通过打磨去除,缺口可采用TiG焊+表面打磨的方式进行修补。

图10 焊接缺口及焊瘤

5 结束语

乘用车“双积分”政策的实施,促进了汽车轻量化的发展,同时也带动了全铝及钢-铝混合车身的设计、试制、生产以及新技术的开发与应用。激光填丝熔焊技术作为一种先进的铝连接工艺,近年来在铝合金覆盖件的连接制造中得到了一定应用与推广。本文以侧围与顶盖的激光填丝熔焊为例,从产品结构设计、工艺设计与实施以及生产质量问题分析与改进三个角度对该技术进行了全面阐述与分析,旨在为自主全铝及钢-铝混合车身的产品开发、生产制造以及新型连接技术的快速推广应用提供有利参考和依据。


参考文献:

[1]张林阳.全铝及钢-铝混合车身轻量化连接技术[J].汽车工艺与材料,2018(7):1~8.

[2]李永兵,马运五,楼铭,等.轻量化多材料汽车车身连接技术进展[J].机械工程学报,2016:1~25.

[3]章敏,龚文良,周宇斌.车顶激光钎焊常见质量缺陷及控制[J].汽车工艺师,2018(8):46~51.

[4]张林阳,张敏,高建昊,等.激光焊接技术在乘用车制造中的应用及发展动态[J].汽车工艺与材料,2018(8):6~11.

[5]王仁虎,王镝,姜峻岭.车顶激光钎焊连接结构设计方法研究[J].汽车与配件,2015(45):80~83.

[6]陈晓东,张纪珠.影响激光钎焊焊缝质量的因素探析[J].上海汽车,2012:58~62.

[7]王军.汽车后行李舱盖外板激光填丝焊质量控制[J].焊接技术,2010(6):58~60.




来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:张林阳 宋庆军 郑虹 陈学罡 高建昊 高翔 贾洪伟

(中国第一汽车集团有限公司研发总院,长春 130011)


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