激光熱傳導(dǎo)焊接是指激光沿板件的接縫處熔化匹配零件，熔化材料流到一起并凝固形成焊縫。它一般用于薄壁零件的角焊縫連接，熔深只有幾十分之一毫米至1毫米。激光釬焊是指相配零件通過(guò)填充材料或釬料連接在一起，釬焊過(guò)程中釬料熔化而母材不熔化，熔化的釬料會(huì)流入零件之間的間隙并與工件表面擴(kuò)散結(jié)合。激光熔焊是指激光束使工件材料熔化、蒸發(fā)，并穿透工件的厚度方向形成狹長(zhǎng)孔洞，隨著孔洞移動(dòng)冷卻而形成焊縫。
在汽車行業(yè)中，激光釬焊與激光熔焊是常用的工藝。本文將詳細(xì)討論汽車白車身激光釬焊與激光熔焊缺陷的成因及應(yīng)對(duì)措施。
1 激光釬焊與激光熔焊質(zhì)量的影響因素
激光焊接系統(tǒng)復(fù)雜，影響焊接質(zhì)量的因素很多。
(1) 零件間匹配激光焊接過(guò)程中熱輸入集中，對(duì)零件間的匹配要求很高。以激光釬焊為例，當(dāng)車頂與側(cè)圍的Y向離縫偏大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫下陷甚至漏出。以激光熔焊為例，當(dāng)門(mén)框內(nèi)外板離焊縫大于0.5mm時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊縫正面焊穿而背面未焊透。
(2) 焊縫表面粗糙度當(dāng)焊縫表面有油污、灰塵等時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光焊焊縫被氧化或有氣孔，粗糙度大。
(3) 激光功率對(duì)于激光釬焊來(lái)說(shuō)，焊接過(guò)程中存在激光能量密度閾值，低于此值，焊絲熔化質(zhì)量差，金屬溶液流動(dòng)性差；超過(guò)此值，金屬熔液流動(dòng)性加強(qiáng)，容易形成優(yōu)良焊縫，但如果超出過(guò)多，則會(huì)造成母材過(guò)燒或燒穿。對(duì)于激光熔焊來(lái)說(shuō)，激光功率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致焊縫背面未焊透；功率過(guò)高，會(huì)燒蝕合金元素，造成焊縫正面凹陷甚至焊穿。
(4) 焊接速度與送絲速度：對(duì)于激光釬焊來(lái)說(shuō)，焊接速度越快，送絲速度越低，釬縫的余高越小，反之亦然。對(duì)于激光熔焊來(lái)說(shuō)，不需要填充焊絲，焊接速度高時(shí)可能會(huì)有未焊透的現(xiàn)象；焊接速度低時(shí)，會(huì)有焊縫粗糙、熱影響區(qū)大、燒穿等現(xiàn)象。
(5) 焊絲或母材的激光吸收率對(duì)于激光釬焊來(lái)說(shuō)，焊絲的激光吸收率決定了焊絲的潤(rùn)濕與鋪展性能，對(duì)于激光熔焊來(lái)說(shuō)，母材激光吸收率越高，激光工藝的實(shí)現(xiàn)越容易。如果母材激光吸收率越低，焊接難度越大，工藝性越差。
(6) 光束斑點(diǎn)大小它決定了功率密度和焊縫寬度，衡量標(biāo)準(zhǔn)為光束參數(shù)乘積，即BPP。BPP值越小，激光能量越集中，光束質(zhì)量越好。BPP示意圖如圖1所示。對(duì)于激光釬焊來(lái)說(shuō)，為了保證焊絲的充分潤(rùn)濕鋪展，一般要求BPP值為焊絲直徑的2倍；而對(duì)于激光熔焊，為了保證熔深和熱影響區(qū)較小，一般要求BPP值小于2.4mm。
(7) 送絲開(kāi)關(guān)時(shí)間與激光開(kāi)關(guān)時(shí)間：對(duì)于激光釬焊，在起焊和停焊時(shí)，要匹配好出光、送絲、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)作關(guān)系，否則容易出現(xiàn)缺料、多料、夾料、燒穿和粘絲等缺陷。激光熔焊不受這些因素的影響。
2 激光釬焊的常見(jiàn)缺陷成因和應(yīng)對(duì)措施
光釬焊有如下常見(jiàn)的缺陷。
(1) 焊縫塌陷，焊絲下漏這是缺陷中最嚴(yán)重的一種。它一般與沖壓件尺寸、焊接件縫隙匹配有關(guān)。當(dāng)縫大于0.5mm時(shí)，焊絲不足以潤(rùn)濕鋪展整個(gè)釬縫，并且熔化態(tài)的焊絲還會(huì)沿著縫隙漏出。該缺陷的長(zhǎng)期控制措施包括優(yōu)化沖壓?jiǎn)渭顟B(tài)，改善焊接件的縫隙匹配等。一般采用MIG焊補(bǔ)焊并打磨進(jìn)行臨時(shí)返工。
(2) 焊縫偏移，焊接過(guò)程中隙中而是偏向母材的一側(cè)。進(jìn)行焊縫斷面金相觀察時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它的2個(gè)焊趾大小不同。焊縫偏移產(chǎn)生的原因有3種：1、焊絲不在激光焦點(diǎn)正中央；2、焊絲未填充在2個(gè)焊接件的角平分線上，或者焊絲Y向位置偏差較大；3、焊接過(guò)程中，釬焊鏡組的Y向側(cè)向力設(shè)置不正確。
為了解決焊縫偏移的產(chǎn)生，通常我們會(huì)采取如下措施：
1、調(diào)整激光焦點(diǎn)；
2、設(shè)置好焊絲與焊接件的夾角及焊絲的Y向位置；
3、在焊接過(guò)程中，給釬焊鏡組設(shè)置一個(gè)100~150N的側(cè)向力，或者設(shè)定為焊縫跟蹤模式。
當(dāng)缺陷不嚴(yán)重時(shí)，可以通過(guò)打磨一側(cè)焊趾進(jìn)行臨時(shí)返工；當(dāng)偏移嚴(yán)重時(shí)，需要打磨整條焊縫后采用MIG焊進(jìn)行補(bǔ)焊。
(3) 氣孔氣孔是釬焊焊縫的常見(jiàn)缺陷，氣孔產(chǎn)生的原因有以下2種：
1、焊縫表面不清潔，水、油漬及金屬氧化膜產(chǎn)生的氫氣孔；
2、雙面鍍鋅鋼中的鋅蒸汽在釬縫中產(chǎn)生的氣孔。
為了防止氣孔的產(chǎn)生，在激光釬焊前要保證工件被焊面的清潔度。對(duì)于鋅蒸汽產(chǎn)生的氣孔，可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)加以抑制，焊接速度、激光功率和保護(hù)氣體都可以影響鋅蒸汽氣孔的生成。一般采用2,800~3,300W的激光釬焊功率和50~70mm/s的焊接速度可以收到較好效果。采用氬氣等惰性氣體保護(hù)釬縫，可以防止熔池氧化，抑制氣泡的形成。對(duì)于大的氣孔，一般釬縫打磨后采用Zn粉混合膠水涂敷的臨時(shí)返工措施，小氣孔無(wú)需返工。
(4) 引弧及收弧時(shí)焊絲填充不足或過(guò)剩。它的產(chǎn)生原因?yàn)榧す忾_(kāi)啟與關(guān)閉，送絲開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間設(shè)置不合理。長(zhǎng)期措施需要優(yōu)化工藝參數(shù)，一般引弧端，提前4ms送絲，提前2ms開(kāi)啟激光；在收弧端，一般延遲2ms停止送絲，延遲5ms關(guān)斷激光。
(5 )母材熔化：母材熔化產(chǎn)生的原因主要有：
1、焊絲偏離激光焦點(diǎn)；
2、機(jī)器人Y向軌跡有偏差；
3、激光光斑偏大。
長(zhǎng)期控制措施包括校正焦點(diǎn)，校正機(jī)器人軌跡，或者通過(guò)調(diào)整光學(xué)比來(lái)調(diào)整激光光斑大小等，一般不采取臨時(shí)返工措施。
(6)焊縫粥狀與焊縫不平整它主要由于送絲過(guò)程不流暢導(dǎo)致。長(zhǎng)期措施需要檢查送絲速度是否穩(wěn)定，送絲輪是否磨損，壓緊力是否太大，送絲管是否干涉，送絲電流是否太大等。臨時(shí)返工措施一般打磨后MIG焊補(bǔ)焊再打磨。
(7)焊絲潤(rùn)濕鋪展性差即焊縫在與母材連接面有未熔合區(qū)域，甚至存在鋸齒狀缺陷。它的產(chǎn)生原因是在沖壓過(guò)程中，焊縫處母材的鍍鋅層脫落，導(dǎo)致母材對(duì)激光折射率增大，焊接過(guò)程中母材溫度偏低，焊絲潤(rùn)濕鋪展性差。它的長(zhǎng)期措施需要在沖壓過(guò)程中優(yōu)化工藝，臨時(shí)措施可以通過(guò)鋅粉與膠水混合后涂敷來(lái)返工因?yàn)榧す忖F焊工藝影響因素多，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，列出缺陷原因分析供參照，見(jiàn)下頁(yè)表1。
3 激光熔焊的常見(jiàn)缺陷成因分析及應(yīng)對(duì)措施
激光熔焊過(guò)程中，激光束對(duì)熔池的攪動(dòng)、母材合金元素的蒸發(fā)、熔池的溫度梯度以及金屬蒸汽等都會(huì)影響焊接的質(zhì)量。下面具體分析激光熔焊缺陷。
(1) 未焊透與未熔合未焊透與未熔合是嚴(yán)重的激光熔焊缺陷，產(chǎn)生原因是焊縫處激光能量低。
焊縫處激光能量低的影響因素有以下方面：
1、激光功率低；
2、熔焊鏡組保護(hù)鏡片臟，甚至破裂，影響了激光透過(guò)率；
3、激光焦點(diǎn)偏移焊縫或者光束入射角偏斜。
這種缺陷的長(zhǎng)期解決措施為：1.設(shè)置好激光功率參數(shù)；2.定期檢查并更換熔焊鏡組保護(hù)鏡片；3.校準(zhǔn)激光焦點(diǎn)并保證激光入射角為90°。
該缺陷的臨時(shí)返工措施有正面點(diǎn)焊或者焊縫背面打磨后，進(jìn)行CO2焊塞焊并打磨。
(2) 燒穿如果僅首層板燒穿，那么缺陷原因是板材之間間隙過(guò)大；如果整個(gè)焊縫都被燒穿，可以確定焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。這種缺陷的長(zhǎng)期控制措施是保證板材間隙小于0.2mm，并設(shè)置恰當(dāng)?shù)募す夤β始昂附铀俣?。?duì)于首層板燒穿，一般可以采用MIG補(bǔ)焊并打磨進(jìn)行返工；如果整個(gè)焊縫均被燒穿。則焊接工件按報(bào)廢處理。
(3) 氣孔氣孔是激光熔焊過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷，產(chǎn)生原因如：激光熔焊過(guò)程中熔池的形狀與體積不穩(wěn)定，光束不斷在母材形成并關(guān)閉小孔；金屬表面鋅蒸汽來(lái)不及逸出；焊縫表面不清潔，有油漬、水分或金屬氧化層。
控制措施有：協(xié)調(diào)好激光功率與焊接速度盡量保證熔池的穩(wěn)定性，并給予鋅蒸汽逸出的時(shí)間；做好焊縫表面的清潔工作：如果氣孔較小或者非貫通孔都不會(huì)影響力學(xué)性能，無(wú)需臨時(shí)返工；如果氣孔為貫通孔且較大，一般采用MIG焊補(bǔ)焊并打磨。
(4) 焊縫正面凹陷焊縫正面凹陷的原因?yàn)轱w濺過(guò)大或者合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，與激光功率及焊接速度有關(guān)。控制措施為減小激光功率并提高送絲速度。當(dāng)焊縫凹陷深度小于母材厚度的30%時(shí)，無(wú)需返工；當(dāng)凹陷程度大于母材厚度的30%時(shí)需要報(bào)廢處理。
(5) 裂紋激光焊縫中的裂紋有熱裂紋和冷裂紋2種，熱裂紋是由于焊接熔池冷卻速度快，結(jié)晶部位在凝固過(guò)程中承受收縮應(yīng)力過(guò)大，造成焊縫沿晶界開(kāi)裂。激光熔焊過(guò)程中熱裂紋并不常見(jiàn)，一般可以通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。冷裂紋主要是焊縫中氫含量高，造成焊縫在應(yīng)力集中區(qū)域沿晶界或者穿晶界開(kāi)裂。對(duì)于冷裂紋需要做好焊前焊縫的清潔工作，焊接過(guò)程中可以采用惰性氣體保護(hù)來(lái)控制。一般短裂紋與非內(nèi)部貫通裂紋不影響焊縫強(qiáng)度，無(wú)需返工；但是出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋與內(nèi)部貫通裂紋，其焊接件需報(bào)廢處理。
4 結(jié)論與展望
激光焊接研究的首要目標(biāo)就是辨析影響激光焊接穩(wěn)定性和重現(xiàn)性的參數(shù)，并尋求控制這些參數(shù)的方法。檢測(cè)激光焊接產(chǎn)生的聲光發(fā)射信號(hào)是監(jiān)控焊接條件的重要方式，記錄并分析這些聲光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，并送回反饋回路，然后調(diào)整激光焊接控制系統(tǒng)，控制焊縫及焊接接頭缺陷的產(chǎn)生。新一代激光焊接系統(tǒng)中，如TRUMPF公司的WIN-LAS及LASERLINE公司的LL-CONTROL控制系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控—反饋—調(diào)節(jié)的過(guò)程。通過(guò)由光、聲或等離子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)回的反饋，可以實(shí)時(shí)變化激光功率以適應(yīng)焊接條件的改變，從而優(yōu)化焊接過(guò)程。隨著技術(shù)的發(fā)展、智能化及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，相信激光焊接的缺陷會(huì)得到進(jìn)一步控制，質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠，激光焊接的應(yīng)用前景會(huì)更加廣泛。
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