車身激光焊接接頭設(shè)計(jì)型式與質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

    從20世紀(jì)80年代開始，激光技術(shù)開始運(yùn)用于汽車車身制造領(lǐng)域，主要是運(yùn)用激光焊接車身。激光焊接設(shè)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(diǎn)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(shù)方面，激光技術(shù)在車身制造過程中經(jīng)歷了不等厚板激光拼接技術(shù)、車身激光焊接技術(shù)、激光復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展歷程。
    與單一的激光熔焊技術(shù)相比，激光混合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：高速焊接時(shí)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(gòu)等。焊縫的設(shè)計(jì)型式和焊縫標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)隨著激光焊接技術(shù)的發(fā)展也不斷進(jìn)行著改變與完善，特別是近些年鍍鋅板、三層板和超高強(qiáng)鋼板的廣泛應(yīng)用，對(duì)接頭的設(shè)計(jì)型式提出了更高的要求，焊縫標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)也不斷細(xì)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(fù)合焊接等先進(jìn)的制造技術(shù)（如表1）。由于焊接部位不同，焊接接頭的型式與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及焊縫存在的焊接缺陷也不同，從而導(dǎo)致焊縫返修標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度高達(dá)42m，焊縫的接頭型式涉及頂蓋激光釬焊時(shí)的對(duì)接接頭、前后風(fēng)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(shí)的焊接方法、參數(shù)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和焊后返修的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備
    激光焊采用激光作為焊接熱源，機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。激光熱源的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄板的快速連接。
    當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大時(shí)（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(shí)間內(nèi)升高至沸點(diǎn)，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(gè)附加應(yīng)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(gè)小凸坑。隨著加熱過程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的“小孔”。當(dāng)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(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)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(fù)合焊接將兩個(gè)電弧進(jìn)行復(fù)合，兩個(gè)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(shí)，激光復(fù)合焊接的熔池比MIG焊的要小。

圖3 激光焊、MIG激光復(fù)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(zhǎng)達(dá)42m的激光焊縫，保證了其整體尺寸的精確性、車身強(qiáng)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(fēng)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(dāng)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(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接主要取決于三個(gè)要素：即設(shè)計(jì)、加工和材料。圖4 給出了焊接的可能性，以及在接頭設(shè)計(jì)和加工制造之間獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的相互關(guān)系。除了設(shè)計(jì)的一般性原則外，諸如設(shè)計(jì)端面的處理、必要的焊前準(zhǔn)備、焊接接頭屬性的描述、焊接工藝、夾緊技術(shù)、激光束的可達(dá)性、加工精度和焊后返修都起到相應(yīng)的作用。

圖4 焊接性與影響因素的關(guān)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(duì)于每一種接頭型式必須考慮工件的設(shè)計(jì)要求。焊縫的形式最終取決于焊接端面的設(shè)計(jì)形式和加工準(zhǔn)備的范圍和型式。對(duì)于金屬涂層鋼板的使用，需注意連接區(qū)域必須設(shè)計(jì)排氣通道，縫隙的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一定的板材角度來解決。另外，工件的夾緊設(shè)計(jì)和預(yù)處理必須確保排氣通暢。
激光焊接接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
1. 汽車車身激光焊接頭內(nèi)部常見質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    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(yīng)的技術(shù)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

    焊縫在進(jìn)行返修時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(duì)接焊縫處用MIG或者等離子釬焊。所修復(fù)的焊縫長(zhǎng)度必須至少等于焊縫缺陷位置的長(zhǎng)度。在采取電弧釬焊（MIG, WIG, Plasma）等手段返修時(shí)，事先必須分析母材的焊接性，如通過拉延實(shí)驗(yàn)分析其屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)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(shí)因熱量導(dǎo)致總成變形的車身，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)知名的汽車制造企業(yè)，一直以技術(shù)領(lǐng)先引導(dǎo)國(guó)內(nèi)汽車制造技術(shù)的發(fā)展方向，激光焊接及其復(fù)合焊接技術(shù)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(biāo)志。激光熔焊及其復(fù)合焊接技術(shù)作為目前最為先進(jìn)的焊接方法之一，實(shí)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(shí)間，并提高了生產(chǎn)效率，使一汽大眾的產(chǎn)品具有更強(qiáng)的信任度和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的激光接頭設(shè)計(jì)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(duì)這項(xiàng)先進(jìn)焊接新技術(shù)的廣泛應(yīng)用。