車身激光焊接接頭設計型式與質(zhì)量評價標準

    從20世紀80年代開始，激光技術開始運用于汽車車身制造領域，主要是運用激光焊接車身。激光焊接設備使用的激光器主要有兩大類：Nd:YAG固體激光器，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送； CO2激光器，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率。
    在開發(fā)激光焊接新技術方面，激光技術在車身制造過程中經(jīng)歷了不等厚板激光拼接技術、車身激光焊接技術、激光復合焊接技術的發(fā)展歷程。
    與單一的激光熔焊技術相比，激光混合焊接技術具有顯著的優(yōu)點：高速焊接時電弧焊接的較高的穩(wěn)定性、更大的熔深、較大縫隙的焊接能力、焊縫的韌性更好、通過焊絲可以調(diào)整焊縫組織結(jié)構等。焊縫的設計型式和焊縫標準的評價隨著激光焊接技術的發(fā)展也不斷進行著改變與完善，特別是近些年鍍鋅板、三層板和超高強鋼板的廣泛應用，對接頭的設計型式提出了更高的要求，焊縫標準的評價也不斷細化和優(yōu)化，這不僅為制造優(yōu)質(zhì)的焊接車身提供了保證，也為焊縫的返修提供了理論依據(jù)。
    目前，一汽大眾公司在Audi C6、Golf A6、寶來、速騰、邁騰、Model X等幾乎所有品牌車型的車身制造過程中都不同程度地采用了激光切割、激光熔化焊接、激光復合焊接等先進的制造技術（如表1）。由于焊接部位不同，焊接接頭的型式與評價標準以及焊縫存在的焊接缺陷也不同，從而導致焊縫返修標準也存在一定差別。

    以一汽大眾邁騰車身為例，車身激光焊縫總長度高達42m，焊縫的接頭型式涉及頂蓋激光釬焊時的對接接頭、前后風窗上沿的搭接I型接頭、后流水槽處的搭接角焊縫以及前端的角接角焊縫等諸多形式。由于焊縫的型式不同，激光焊接時的焊接方法、參數(shù)、評價標準和焊后返修的標準均有所不同（如圖1）。

圖1 邁騰車身俯視激光焊縫

激光焊原理與設備
    激光焊采用激光作為焊接熱源，機器人作為運動系統(tǒng)。激光熱源的優(yōu)勢在于：具有極高的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的焊接點上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快、焊接變形小等特點，可實現(xiàn)薄板的快速連接。
    當激光光斑上的功率密度足夠大時（大于106W/cm2），金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)升高至沸點，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個附加應力反作用于溶化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個小凸坑。隨著加熱過程的進行，激光可以直接射入坑底，形成一個細長的“小孔”。當金屬蒸汽的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個板厚，形成深穿透焊縫。金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方，重新凝固形成焊縫（如圖2），所以激光焊縫具有深而窄的特征。

圖2 激光熔焊原理

    激光復合焊接將兩個電弧進行復合，兩個電弧相互影響和支持，形成的熔池比激光熔焊要大（如圖3），因而搭橋能力更好，允許更大的焊接裝配間隙。同時，激光復合焊接的熔池比MIG焊的要小。

圖3 激光焊、MIG激光復合焊接及MIG焊接頭成形比較

一汽大眾激光焊接接頭型式
    邁騰長達42m的激光焊縫，保證了其整體尺寸的精確性、車身強度和剛性。邁騰的激光焊接主要是在車身的頂蓋和側(cè)圍的連接、底板不等厚板的拼接、車門內(nèi)板不等厚板的拼接、底板與側(cè)圍、后圍板、前后風窗口以及門框等連接處。
    常用的激光焊接所連接的焊接材料有冷軋鋼板、低于0.02%碳當量的熱軋鋼板、熱鍍鋅和電鍍鋅鋼板，一般要求鋼板的材質(zhì)必須符合相應的技術標準，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接。要實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接主要取決于三個要素：即設計、加工和材料。圖4 給出了焊接的可能性，以及在接頭設計和加工制造之間獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的相互關系。除了設計的一般性原則外，諸如設計端面的處理、必要的焊前準備、焊接接頭屬性的描述、焊接工藝、夾緊技術、激光束的可達性、加工精度和焊后返修都起到相應的作用。

圖4 焊接性與影響因素的關系

    要獲得較好的激光焊縫，必須依據(jù)以下原則：接頭是通過焊接區(qū)的相互連接而形成，對于每一種接頭型式必須考慮工件的設計要求。焊縫的形式最終取決于焊接端面的設計形式和加工準備的范圍和型式。對于金屬涂層鋼板的使用，需注意連接區(qū)域必須設計排氣通道，縫隙的設計一般根   據(jù)涂層的厚度在0.05～0.2mm之間選擇，也可以通過設計一定的板材角度來解決。另外，工件的夾緊設計和預處理必須確保排氣通暢。
激光焊接接頭質(zhì)量評價標準
1. 汽車車身激光焊接頭內(nèi)部常見質(zhì)量評價標準
    焊接接頭的質(zhì)量缺陷一般分為表面缺陷和焊縫內(nèi)部缺陷兩大類，表面缺陷一般具有可視性，內(nèi)部缺陷無法目視發(fā)現(xiàn)，必須通過相應的技術手段觀察和發(fā)現(xiàn)，如借助于微觀金相分析等手段觀察等。
2. 汽車車身激光焊接頭外表面常見質(zhì)量評價標準

    焊縫在進行返修時需滿足如下要求：注意不要影響總成的功能尺寸的變化和設計要求，返修后能保證車身總成的尺寸穩(wěn)定性、較好的表面精度和較好的接頭抗腐蝕性。另外，在返修時涂膠區(qū)域不允許焊接，以免造成不必要的焊接變形，影響焊接返修接頭的質(zhì)量。在法蘭邊較短（小于或等于8mm)時，或者不能鉆孔返修的區(qū)域，要在搭接口使用貼角焊縫，或者在對接焊縫處用MIG或者等離子釬焊。所修復的焊縫長度必須至少等于焊縫缺陷位置的長度。在采取電弧釬焊（MIG, WIG, Plasma）等手段返修時，事先必須分析母材的焊接性，如通過拉延實驗分析其屈服強度和斷裂強度，通過金相手段分析其焊縫以及焊縫與熱影響區(qū)的組織與形貌等。在一些特殊的不可能返修的情況下，如在連接時因熱量導致總成變形的車身，根據(jù)標準用這種使母材加熱的返修辦法則是不允許的，必須考慮冷膠膠接的方法或其他冷加工處理方法。
    一汽大眾作為國內(nèi)知名的汽車制造企業(yè)，一直以技術領先引導國內(nèi)汽車制造技術的發(fā)展方向，激光焊接及其復合焊接技術的開發(fā)與利用，是一汽大眾車身制造水平發(fā)生質(zhì)的飛躍的重要標志。激光熔焊及其復合焊接技術作為目前最為先進的焊接方法之一，實現(xiàn)了較高焊接速度與較好焊接質(zhì)量的完美結(jié)合，縮短了生產(chǎn)時間，并提高了生產(chǎn)效率，使一汽大眾的產(chǎn)品具有更強的信任度和市場競爭力。隨著符合產(chǎn)品設計要求的激光接頭設計型式和接頭焊接缺陷解決方案的逐步深化與完善，更加確保了一汽大眾對這項先進焊接新技術的廣泛應用。