當(dāng)前，盡管激光焊接已經(jīng)深入汽車制造領(lǐng)域，比如在車身、車門、副車架、電機(jī)殼體、動(dòng)力電池模組和電池包上都有應(yīng)用，但焊縫質(zhì)量一直是實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)。如何保證激光焊縫質(zhì)量，就需要根據(jù)激光焊接的關(guān)鍵特性，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、裝備設(shè)計(jì)及檢測(cè)過(guò)程，進(jìn)行全過(guò)程管控。在本文中，筆者將以車身頂蓋與側(cè)圍機(jī)器人激光填絲焊接為例，總結(jié)了從設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)試、測(cè)量、統(tǒng)計(jì)和批量生產(chǎn)階段的全過(guò)程系統(tǒng)解決方案。

焊接工藝問(wèn)題的提出

國(guó)產(chǎn)汽車上很少有激光焊接的應(yīng)用，究其原因是汽車工程師對(duì)薄板件激光焊接沒(méi)有正確理解，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性無(wú)法滿足工藝要求，并且在沖壓工序、焊接工序、關(guān)鍵型面檢測(cè)等環(huán)節(jié)上都缺乏有針對(duì)性的控制。比如當(dāng)焊接裝配車身骨架時(shí)，側(cè)圍焊接總成與頂蓋總成的匹配間隙無(wú)法保證，造成燒穿、漏焊等重大缺陷，此時(shí)由于缺乏有效對(duì)策，焊縫質(zhì)量不能滿足整車強(qiáng)度、密封淋雨的要求，屬于嚴(yán)重質(zhì)量缺陷。

圖 1：汽車產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā)流程圖及應(yīng)用工具

對(duì)此，筆者總結(jié)了目前車身激光焊接存在的問(wèn)題，提出了車身機(jī)器人激光焊接全過(guò)程及系統(tǒng)性的解決方案，通過(guò)幾何尺寸公差（GeometricDimensioningandTolerancing）規(guī)范產(chǎn)品技術(shù)文件，明確關(guān)鍵特性要求，并將關(guān)鍵特性要求準(zhǔn)確傳遞給產(chǎn)品車身沖壓及焊接工藝工程師、測(cè)量工程師，從而規(guī)劃有效的工藝路線和工藝裝備，配置適宜的測(cè)量設(shè)備及檢具，確保激光焊接焊縫的質(zhì)量符合工藝要求。

圖 2：頂蓋與側(cè)圍結(jié)構(gòu)圖

汽車產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程是一個(gè)綜合復(fù)雜的項(xiàng)目，就車身激光焊接而言就涉及到產(chǎn)品、模具、檢具、焊接夾具、測(cè)量系統(tǒng)等。IATF16949（原IS0/TF16949）質(zhì)量體系文件，將汽車從項(xiàng)目啟動(dòng)、開發(fā)設(shè)計(jì)、過(guò)程規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)試及批量生產(chǎn)、市場(chǎng)反饋及改進(jìn)的五大階段進(jìn)行了定義闡述。

圖 3：側(cè)圍工序圖

先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃（AdvancedProductQualityPlanning）、失效模式及影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis）、測(cè)量系統(tǒng)分析（MeasurementSystemsAnalysis）、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（StatisticalProcessControl）、生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（ProductionPartApprovalProcess），以此作為汽車產(chǎn)品開發(fā)流程指南。其中先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃作為項(xiàng)目管理（PM）總綱，定義了各階段的具體要求，筆者結(jié)合車身激光焊接的具體案例進(jìn)行分析總結(jié)。

車身激光焊接關(guān)鍵控制點(diǎn)

決定車身激光焊接質(zhì)量的硬性因素包括：在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段是依據(jù)產(chǎn)品功能需求及關(guān)鍵特性，確定頂蓋、側(cè)圍、內(nèi)板及關(guān)鍵的側(cè)圍總成，車身骨架總成的幾何尺寸公差；在產(chǎn)品工藝規(guī)劃階段是規(guī)劃激光焊接設(shè)備、車身鈑金件沖壓模具、檢具及測(cè)量設(shè)備；在沖壓工藝分析階段是結(jié)合“幾何尺寸公差”和“參考基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)”（ReferencePointSystem），規(guī)劃側(cè)圍總成、車身骨架總成專用焊接夾具、檢具及測(cè)量?jī)x器和設(shè)備。

圖 4：側(cè)圍總成焊接關(guān)鍵工序圖

另外，工程師還需要理解焊接位置的工藝補(bǔ)償，克服沖壓件自身的面輪廓度公差和位置度公差，從而實(shí)現(xiàn)模具精度、成本和焊接質(zhì)量之間的最優(yōu)平衡。

幾何尺寸公差在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用

針對(duì)頂蓋、側(cè)圍兩大車身外覆蓋件，關(guān)鍵點(diǎn)是如何在三維或二維數(shù)據(jù)中定義形位公差，通過(guò)參考基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)定義合適的產(chǎn)品公差，并統(tǒng)一前后工序的定位基準(zhǔn)。筆者在試驗(yàn)時(shí)，結(jié)合了設(shè)計(jì)失效模式及后果分析（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），梳理了關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量特性，并結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)分析，提出產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證及測(cè)量檢測(cè)要求。其中，最重要的是設(shè)計(jì)型面公差，并將其準(zhǔn)確傳遞給工藝和測(cè)量工程師。接下來(lái)，筆者以側(cè)圍為例說(shuō)明。

現(xiàn)在有工程師會(huì)采用標(biāo)注線性尺寸公差的方式，這樣做無(wú)法滿足車身激光焊接的匹配精度要求。對(duì)于型面公差要求為±0.5mm，以Y方向坐標(biāo)為例，側(cè)圍Ysb=620±0.5mm、頂蓋Yroof=620±0.5mm，最大間隙誤差Tmax=(YsbmaxYroofmin)=(620.5-519.5)=1mm>0.35mm。因此，激光填絲焊接只會(huì)偏向一側(cè)，無(wú)法形成完整焊縫，另一側(cè)因?yàn)闆](méi)有焊絲填充，會(huì)形成空腔。最大干涉誤差Tmin=(Ysbmin-Yroofmin)=(519.5-620.5)=-1mm<0.00mm，側(cè)圍與頂蓋在裝配過(guò)程就會(huì)發(fā)生擠壓干涉，激光光斑有可能直接擊穿頂蓋或側(cè)圍。

理解產(chǎn)品關(guān)鍵特性和工藝過(guò)程關(guān)鍵特性

對(duì)于車身X、Y、Z坐標(biāo)系，依據(jù)參考基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)圍基準(zhǔn)孔是A、B、C，其中基準(zhǔn)孔A是第一基準(zhǔn)，基準(zhǔn)孔B是第二基準(zhǔn)，基準(zhǔn)孔C是第三基準(zhǔn)。在保證前后窗框、前后門框的基礎(chǔ)上，筆者又增加了側(cè)圍與頂蓋搭接面c-d的型面要求，其公差要求也更嚴(yán)格。

圖 5：鋁板模組激光焊接

從產(chǎn)品失效模式和失效分析判定（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），±0.5mm的型面公差將無(wú)法保證焊縫質(zhì)量，頂蓋與側(cè)圍焊接處會(huì)漏水。2004年筆者所在的團(tuán)隊(duì)在對(duì)后行李箱蓋做激光填絲焊接時(shí)，就因?yàn)樵跊](méi)有定義好公差、模具設(shè)計(jì)制造、調(diào)試、檢測(cè)、測(cè)量延續(xù)電阻焊搭接工藝之前就進(jìn)行了產(chǎn)品定義和工藝開發(fā)，最終只能通過(guò)TIG焊彌補(bǔ)焊接缺陷。

為了解決這一問(wèn)題，筆者在后期的工藝開發(fā)過(guò)程中結(jié)合傳統(tǒng)尺寸公差，延伸了一個(gè)補(bǔ)充定義，型面公差在±0.5mm的基礎(chǔ)上增加了極差R的約束，即當(dāng)公差為±0.5mm時(shí)，規(guī)定激光焊接搭接型面的極差控制在0.15mm以內(nèi)。待模具制造完成后，筆者對(duì)零件掃描檢查，對(duì)型面偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，例如當(dāng)型面偏差75%的尺寸偏差集中在+0.4mm，那么偏差在-0.5mm，-0.2mm，+0.2mm之類的離散偏差就對(duì)模具進(jìn)行修正，通過(guò)焊裝夾具的定位調(diào)整進(jìn)行位置度補(bǔ)償，從而保證焊縫質(zhì)量。

如果采用線性尺寸公差控制，雖然型面尺寸公差符合檢具要求，但實(shí)際在裝焊匹配時(shí)，零部件搭接間隙均勻性和一致性的表現(xiàn)不理想，有些間隙甚至超過(guò)2mm。以前激光功率偏小，激光焊絲不超過(guò)1mm，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單邊焊不上的嚴(yán)重缺陷。

2010年左右，筆者在進(jìn)行高倍聚光模組高強(qiáng)度鋁板的機(jī)器人激光焊接時(shí)，根據(jù)尺寸公差要求，考慮了沖壓?jiǎn)渭拇罱用娴臉O差控制，使焊接質(zhì)量基本得到保證。

隨著對(duì)激光焊接應(yīng)用和研究的深入，我們導(dǎo)入了先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃和幾何尺寸公差規(guī)范，優(yōu)化了項(xiàng)目開發(fā)流程，將產(chǎn)品、工藝、裝備、設(shè)備、質(zhì)量和測(cè)量工程師組成了緊密的合作團(tuán)隊(duì)。對(duì)于產(chǎn)品公差，筆者通過(guò)幾何尺寸公差進(jìn)行了準(zhǔn)確定義，根據(jù)產(chǎn)品關(guān)鍵特性要求制定沖壓檢測(cè)、焊裝總成、焊裝匹配檢測(cè)的規(guī)范，在車身骨架裝配焊接匹配、檢測(cè)上引入面輪廓度復(fù)合公差。這樣一來(lái)，產(chǎn)品要求、制造工藝、測(cè)量方法和技術(shù)就建立在統(tǒng)一的基準(zhǔn)之上。

激光焊接存在的問(wèn)題

激光填絲時(shí)的激光光斑為0.5mm，熱影響區(qū)小，易于控制焊接變形，焊接效率高，特別適合頂蓋和側(cè)圍焊接。但目前模具、夾具、檢具及測(cè)量方法缺乏全過(guò)程的系統(tǒng)性解決方案，主要問(wèn)題有產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與模具設(shè)計(jì)規(guī)范、制造及調(diào)試精度不匹配；模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、補(bǔ)償與檢具設(shè)計(jì)及測(cè)量關(guān)鍵型面不匹配；測(cè)量技術(shù)及設(shè)備沒(méi)經(jīng)過(guò)全面測(cè)量系統(tǒng)分析；模具、檢具、夾具設(shè)計(jì)、制造和匹配調(diào)試過(guò)程中，參考基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)缺乏延續(xù)和繼承，局部基準(zhǔn)和系統(tǒng)基準(zhǔn)的包容、約束、邏輯關(guān)系及累計(jì)補(bǔ)償關(guān)系缺乏理解；在后期調(diào)試中，沒(méi)有充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分分析。

導(dǎo)入先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃等五大工具

無(wú)論是模組、后行李箱蓋、車門飛行焊接，還是車身激光填絲焊接，一直是困擾自主車企焊接的難題。2015年底，筆者所在的車企開發(fā)了一款車型，并決定車身頂蓋與側(cè)圍采用激光填絲焊接。為此筆者成立了一個(gè)攻關(guān)小組，根據(jù)先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃要求，運(yùn)用幾何尺寸公差、車身尺寸工程、產(chǎn)品失效模式和失效分析判、潛在失效模式及影響分析（PotentialFailureModeandEffectsAnalysis）、測(cè)量系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制等工具，就產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、模具工藝構(gòu)件圖及計(jì)算機(jī)輔助工程分析（ComputerAidedEngineering），利用測(cè)量系統(tǒng)分析現(xiàn)有的檢具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)能否滿足幾何公差要求，測(cè)量設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)“0.01級(jí)別”的測(cè)量要求。

在試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)是如何利用“統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制”工具，搭接間隙位置度和面輪廓度的一致性和穩(wěn)定性。在2017年底推出的一款SUV車型上，筆者所在的技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效控制和測(cè)量驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)對(duì)20輛車身的焊接調(diào)試，成功地焊接出完美的激光焊縫。

為了確保焊縫質(zhì)量，就需要基于產(chǎn)品關(guān)鍵特性，保證頂蓋與側(cè)圍搭接面（長(zhǎng)度2200mm）輪廓度之間匹配間隙（0.1mm-0.35mm）的要求。筆者所在的團(tuán)隊(duì)研究編制了側(cè)圍、側(cè)圍總成及車身骨架總成失效模式及影響分析文件，作為模具設(shè)計(jì)、檢具設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、測(cè)量?jī)x器配置的指導(dǎo)性文件。

接下來(lái)，筆者結(jié)合潛在失效模式及影響分析、測(cè)量系統(tǒng)分析和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，說(shuō)明事先進(jìn)行沖壓工序分析對(duì)焊接工藝有著重要作用。潛在失效模式及影響分析結(jié)果顯示，側(cè)圍型面變形導(dǎo)致側(cè)圍與頂蓋焊接時(shí)超差，焊縫不連續(xù)和漏水。

接下來(lái)進(jìn)行的是測(cè)量系統(tǒng)分析，掃描結(jié)果顯示仿形高強(qiáng)度鋁合金測(cè)量塊可移動(dòng)；用0.01mm塞尺進(jìn)行常規(guī)檢查；在調(diào)試階段移動(dòng)全型測(cè)量塊，在檢具上將零件壓緊，用三維掃描設(shè)備進(jìn)行掃描。

最后進(jìn)行的是測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)圖表是把收集的制程巡檢數(shù)據(jù)依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)公式計(jì)算控制上、中、下線控制圖表，然后再把巡檢收集來(lái)的制程巡檢數(shù)據(jù)，描點(diǎn)在控制圖表上確認(rèn)在工藝合格的區(qū)間內(nèi)。

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念得出產(chǎn)品性能指數(shù)（PPK）和工序能力指數(shù)（CPK），之后在批量生產(chǎn)中綜合“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”等主因素的數(shù)據(jù)，用來(lái)指導(dǎo)后續(xù)的調(diào)整和改進(jìn)工作。

激光焊接設(shè)備及參數(shù)分析

車身激光填絲焊接，利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲在光束能量持續(xù)加熱下融化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤(rùn)到零件表面連接處，形成良好的冶金結(jié)合。需要注意的是，激光填絲焊接工件間的連接是通過(guò)釬料融合金屬形成的，母材不應(yīng)該被激光熔化。

經(jīng)過(guò)研究，筆者發(fā)現(xiàn)提升機(jī)器人激光焊接質(zhì)量的條件有：夾具定位滿足焊縫的重復(fù)精度在±0.35mm，夾具夾緊后的間隙需穩(wěn)定并小于0.35mm，送絲速度誤差需要穩(wěn)定在±0.3m/min，機(jī)器人激光焊接軌跡的重復(fù)精度在0.1mm。

頂蓋焊縫效果確認(rèn)及在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

頂蓋激光焊接質(zhì)量，在保證搭接面間隙小于0.35mm的前提下，基本保證激光焊接質(zhì)量，若搭接處縫隙有稍微偏移，也可通過(guò)系統(tǒng)糾正焊縫軌跡，從而保證焊接質(zhì)量。

為預(yù)防批量生產(chǎn)時(shí)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，激光焊接房應(yīng)配備激光在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下幾個(gè)作用：實(shí)時(shí)檢測(cè)搭接面間隙，判斷搭接面貼合處的坐標(biāo)位置，實(shí)時(shí)檢測(cè)間隙是否超差，導(dǎo)致焊漏；檢測(cè)貼合面與激光焊接軌跡偏移，導(dǎo)致偏焊；檢測(cè)送絲系統(tǒng)是否正常送絲，有無(wú)卡絲現(xiàn)象。

一旦有異常發(fā)生，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將異常信息及時(shí)反饋給可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）控制系統(tǒng)，停止焊接進(jìn)行糾正。焊接完成后，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可以在20秒內(nèi)完成激光焊縫的外觀質(zhì)量檢查，可以檢查0.2mm左右的微小氣孔、0.2mm左右的細(xì)小裂紋和其他缺陷，確保激光焊縫在經(jīng)過(guò)涂裝處理后不存在任何漏水現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

目前，激光焊接在汽車制造業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，為了讓激光焊接更好地發(fā)揮作用，應(yīng)當(dāng)對(duì)激光焊接有正確認(rèn)識(shí)。筆者結(jié)合車身頂蓋焊接、后行李箱蓋焊接、鋁合金副車架焊接、高倍聚光模組焊接的失敗和成功的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，認(rèn)為要想保證激光焊接的質(zhì)量，首先需要保證沖壓件、焊接分總成件及骨架總成件精度，實(shí)現(xiàn)激光焊接的高質(zhì)量焊接搭接縫隙。

其中，確保焊縫間隙質(zhì)量則需要有高效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)成員需要深刻理解和熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性、幾何公差、關(guān)鍵工藝過(guò)程特性、測(cè)量方法和技術(shù)。另外，工程師需要重點(diǎn)關(guān)注模具精度、檢具精度、夾具精度、測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

只有當(dāng)項(xiàng)目管理到位，形位公差合理滿足產(chǎn)品功能要求，設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)量基準(zhǔn)統(tǒng)一傳遞準(zhǔn)確，制造工藝裝備可靠、工藝補(bǔ)償有效，零部件精度符合公差要求，再配合實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，在每一步都做到位的情況下，車身機(jī)器人激光焊接焊縫質(zhì)量才能達(dá)到理想效果。