新材料与工艺手册

[轻量化工艺] 顶盖激光焊接工艺在轻量化车身中的运用

0
回复
222
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-8-5 11:14:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
汽车轻量化在线】顶盖激光焊接工艺在轻量化车身中的运用

□ 湖北美洋汽车工业有限公司 金鹏 艾伯杰 张江涛 姜楚山 刘雨
本文阐述了激光焊接技术的基本原理及应用现状,结合新车型项目轻量化车身激光焊接系统探讨了从工艺规划到量产的工业化验证,以及对车身激光焊接工艺规划、质量控制、缺陷对策和对产品设计的要求。
激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形且高效率的焊接加工方法,正成为金属材料加工制造中非常重要的工艺方法,被应用于汽车制造领域。
激光钎焊是利用激光作为加热源,采用熔点低于母材的填充材料(钎料),将钎料和连接部位加热到母材熔点之下、钎料熔点之上,将钎料熔化填满母材间隙,然后冷凝形成焊缝的焊接过程。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化时,利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散,以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接。利用高能激光束加热并熔化钎料填充焊缝,并通过熔融钎料的润湿作用连接母材形成永久连接效果。
激光钎焊由于焊缝成形美观,可以直接用于白车身可视部位的焊接。在实现密封与连接功能的同时,省去了车身部分零件,可降低车身重量及制造成本。

顶盖激光钎焊在轻量化车身中的应用
(1)激光钎焊工艺的顶盖结构设计与传统的点焊式顶盖不同。激光钎焊的顶盖外板与侧围的搭接边采用坡角搭接方式,这种方式有利于零部件的生产工艺设计和激光焊接,焊缝对接平稳美观,焊接强度高。
(2)顶盖和侧围的焊接结构变化,减少侧围及顶盖的搭接边。传统的点焊工艺中,顶盖与侧围采用的是台阶式搭接结构,这种设计结构导致侧围及顶盖冲压件生产难度高,钢材利用率低。新车型中采用激光钎焊工艺,减少了钢材的使用量,有利于车身轻量化。由于局部结构的优化,大大降低了侧围、顶盖的模具机构设计制造难度,减少了零件的调试及生产费用。
(3)在新项目中由于采用激光焊接工艺,可以同步进行车身上部少件化的应用。由于焊接后顶盖强度的加强,在新车型中对顶盖总成取消了部分外板中部支架及外板密封装饰条等零件,同时,焊接强度高也可以取消部分加强胶,减少采购成本并有利于车身轻量化。
(4)焊接速度快,生产效率高。采用了激光钎焊,顶盖的焊接速度提升了40%,不存在点焊中焊枪无法作业、需再次换枪补焊的情况,相当于减少了一个顶盖点焊补焊工位,有效地降低了生产成本。
(5)激光焊对材料的适应度高。采用激光焊后,新车型顶盖总成加强板可以采用热成形钢板或滚压板,减小了顶盖总成的质量,但车身顶盖的强度反而提升。

车身激光焊工艺规划
根据新项目车身的应用,我们发现激光钎焊系统要求焊接件的装配精度更高;激光焊接技术复杂,涉及光学、焊接及自动化系统工程等专业技术,使得激光钎焊系统调试的难度较大,无形中增加了技术成本。激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大,且系统设备需要专业维护,激光头、光源等核心设备故障停机或损坏后,修复难度大,因此在系统规划中要做到:①合理选用激光焊接设备,保证激光焊接系统设备的完整性;②制定科学的车身激光钎焊工艺流程规划,确保工业化可行性;③根据产品实际焊接需求合理选择设备参数以实现投资精益化。

1.激光钎焊系统的构成
激光钎焊工艺系统主要包括激光源、激光光纤、激光焊接头、冷却器、机器人系统、激光焊房、自动化控制柜、工装夹具、抽风系统及送丝机等(图 1)。

2.顶盖激光钎焊系统的平面布置
顶盖激光钎焊保证良好的焊接质量,需要从车身制造源头进行工艺控制。其中车身主焊线的工艺规划起着至关重要的作用,现结合我公司新车型S301项目,介绍车身激光钎焊工艺流程(图2)。该项目的平面布置保留了车型的柔性化生产方案,同时兼备经济性。
S301项目顶盖激光钎焊排布可以分为四个部分:顶盖上件点定、激光焊接工位、人工检查返修工位及补焊工位。其中激光焊接工位可以预留一个过渡空工位为后续新车型混线做准备。详细工位设计如下:
(1)顶盖上件定点:车身激光钎焊对于车身骨架的几何尺寸和顶盖与侧围拼接的焊缝间隙有着严格的要求和很高的敏感度,而车身总拼和顶盖上件工位工装能够有效地保证车身几何尺寸和基准的重复性与稳定性,尤其是车身Y向开度,由此来保证顶盖与侧围间隙的可控和可调。
(2)激光焊接工位:本工位即激光焊接房区域,采用激光钎焊工艺将顶盖完整地与侧围焊接在一起。顶盖焊接时,顶盖需要采用特殊工装在Z向压紧,控制顶盖与侧围的回弹间隙,以保证焊接质量。激光焊顶盖压紧工装也叫浮动工装(图3),是控制顶盖与侧围拼接焊接质量的关键。
(3)人工检查返修工位:由于激光焊接的高度敏感性,难免会出现细微的质量缺陷。为了保证顶盖激光钎焊质量符合输出需求,焊接后设计了人工检查返修工位,针对未能满足质量要求的车辆进行返修。

图1 激光钎焊工艺系统

图2 车身激光焊接平面布置
(4)补焊工位:预留补焊工位,在激光钎焊后,完成顶盖剩余焊点的补焊工作。

顶盖激光钎焊的管控及缺陷对策
通过S301项目激光焊的应用,我们发现合格的激光钎焊焊缝必须表面清洁,外观充分润湿,钎料必须分布均匀,无气孔、无裂纹、无夹杂且无过烧留下的黑斑,表面应平整,不应出现焊缝塌陷、锯齿边、焊缝稀薄、起始或收尾处过渡差等缺陷。激光钎焊焊缝一般都很长,焊缝质量缺陷较多,在工艺要求上,当气孔或夹杂的截面积/焊缝截面积≤10%,且气孔或夹杂本身的直径≤1 mm是被工艺允许的。当超出这个范围时,应找出问题并寻求相应解决方案。

图3 车身激光焊顶盖压紧工装

1.激光钎焊参数的选择
提高激光焊的作业质量,其焊接参数的选择非常重要。焊接参数包括焊接速度、激光功率、能量密度、送丝速度及送丝电流等。
焊接速度取决于能量密度,能量密度越大,焊接速度越快,焊接功率与送丝速度保持约为1:1,速度为42~75 mm/min。激光钎焊为热丝焊,电流保持在120 A左右。根据焊缝间隙大小、焊丝的直径等影响因素进行实际调整。现场调试的一组激光钎焊指导工艺参数见表1。

2.激光钎焊缺陷及对策
根据现场调查得出影响激光焊接质量的主要因素如下:
(1)激光设备参数
包括激光功率、激光功率密度ρ、聚焦位置、焦点大小、加工速度、焊接机器人精度及机器人的焊接姿态。
(2)激光焊丝参数
包括送丝速度、送丝电流、冲角大小及焊丝预应力。
(3)其他因素
焊接板材材料,零件的匹配等。包括零件尺寸、焊缝截面、表面质量及焊接板材匹配间隙是否稳定。
针对常见的不同缺陷做出了原因分析及解决方案对策:
①造成气孔是由于激光功率与焊接速度不匹配(功率过大);焊缝间隙波动超幅,导致焊接参数不匹配;焊缝表面有油污。应适当调小激光功率,优化焊接参数,来件表面保持清洁。
②造成锯齿边是由于光斑与丝对中偏差;光斑直径过小;激光功率不足,导致融池流动性不够。应调整光斑与丝对中;调大光斑直径;增加功率。
③造成焊缝塌陷是由于板材配合处焊缝间隙过大,送丝机出丝不稳。应调整使焊缝间隙在0.3 mm内,检查送丝机工作状态。
表1 车身激光焊接指导工艺参数

④造成焊缝表面波浪是由于保护镜片污损,导致能量分布不均,送丝机出丝不稳(电动机电流过高等)。应更换保护镜片,检查送丝机工作状态。
⑤造成焊缝首尾端多丝是由于未能正常激光剪丝,起弧点关光延时和关丝延时设置不当。应考虑用机械剪丝代替激光,调整起收弧处关光延时和关丝延时。
⑥造成焊缝表面鳞状堆积是因为送丝量过大,与功率不匹配。应适当降低送丝速度。
⑦造成连续间断性漏焊是因为光斑焦点位置偏离,机器人焊接姿态不当,激光光斑直径过小。应调整光斑尺寸及位置,调整机器人姿态。
⑧造成连续焊偏是因为光斑能量分布不均,导致焊缝一侧未焊上。应调整光斑位置及大小尺寸。
⑨造成瘤状假焊是因为:钢板预热不足,焊丝能量吸收不足;机器人焊缝跟踪姿态不当;光斑对中不好,光能量不能正常熔化焊丝。应调整焊机预热电流,调整机器人焊缝跟踪姿态,调整光斑对中。
⑩造成咬边是因为咬边处能量密度过大,光斑两侧能量不均匀。应适当减小能量密度,调整光斑位置及尺寸大小。
通过以上方案对策的实施,激光焊接质量得到了稳步提升,气孔等平均不良率在6%以内,其他轻微缺陷不良率控制在0.3%以内(图4)。

注意事项
(1)激光头、光纤插头的降温水与环境温湿差过大,现场湿度高则容易引起结露导致激光头、光纤插头吸光烧损。
激光源、光纤及激光头等设备的运行,要求温度低于35 ℃(光纤高温冷却水最高设置温度在35 ℃左右,避免产生温差),相对湿度控制在65%以内。光纤、激光头内部冷却水与现场环境的温差大,在湿度较大的情况下,会造成光纤、激光头结露,造成镜片烧损的故障。可以采用工位排烟除尘设备,进行房内空气净化。

图4 车身激光钎焊不良率
(2)气孔是较难控制的焊接缺陷,除了通过调整焊接速度、激光功率及零件表面清洁度优化改善,还需要进一步研究探索提升良品率。针对已出现的气孔缺陷,可以采用快速钢修补剂进行缺陷修补,提高修补效率。
(3)焊缝间隙理论设定为0.3 mm时(局部变化),经过验证激光钎焊钎材选择直径为φ1.2 mm的硅青铜焊丝,焊缝填充效果最好、焊道强度最优,为了避免缺陷形成,焊丝针丝实际直径需要控制在1.15~1.21 mm,焊缝实际间隙控制在0.25~0.45 mm为宜。


您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线