CN114054880B - 串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，属于激光钎焊技术领域。它包括串列双激光光束在白车身顶棚与侧围间的钎焊位置处聚焦形成长轴在同一直线上、短轴长度相等且离心率不同的两个椭圆形光斑，两个椭圆形光斑的中心点之间距离D满足：0≤D≤1.2mm；通过送丝设备将焊丝送入钎焊位置处并使焊丝顶端进入两个椭圆形光斑的耦合区；通过机器人或末端执行器，使焊丝末端及耦合区相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程。该钎焊工艺在提供115～130mm/s的焊接速度的同时，还能获得搭接断面高填充率的优质焊缝。

Description

串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺

技术领域

本发明涉及白车身搭接部位的焊接，属于激光钎焊技术领域，具体地涉及一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺。

背景技术

激光填丝钎焊是利用激光光束作为热源，聚焦后的光束照射在填充的焊丝表面上，焊丝被光束能量加热并熔化形成高温液态金属，从而填充到所需焊接的工件之间的一种连接方法。激光填丝钎焊作为一种高效的焊接方式，具有焊接接头平整光滑、外形美观，密封性良好，且强度高、焊接变形小等优点，被广泛应用于车顶、尾盖流水槽等汽车白车身覆盖件的焊接中。

当前国内普遍使用的单激光束钎焊设备存在6kW的功率上限，在不改变激光热源数目的情况下，很难实现更高速度激光填丝钎焊技术的突破。有研究表明，在单激光填丝钎焊系统中对焊丝进行通电加热，能够在100mm/s速度下获得表面光滑无缺陷的高质量焊缝，这也是目前国内已知的单激光热源填丝钎焊在量产中所达到的最高速度。但是过高的热丝电流会降低焊丝的硬度，从而影响焊丝的导向精度，使得焊丝偏离光斑，引起多种焊接缺陷。

单方面增加激光功率和热丝电流虽然能加快钎料的熔化速度，但也会增加液态钎料和钣金件之间的温度梯度，阻碍液态钎料在钣金件焊缝处表面的流动铺展过程，钎料凝固后会在焊缝下方形成空腔。而一些不规整的空腔表面会产生应力集中，从而导致裂纹的产生。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺。该钎焊工艺在提供115～130mm/s的焊接速度的同时，还能获得搭接断面高填充率的优质焊缝。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，它包括串列双激光光束在白车身顶棚与侧围间的钎焊位置处聚焦形成长轴在同一直线上、短轴长度相等且离心率不同的两个椭圆形光斑，两个所述椭圆形光斑的中心点之间距离D满足：0≤D≤1.2mm；

通过送丝设备将焊丝送入钎焊位置处并使焊丝顶端进入两个所述椭圆形光斑的耦合区；

通过机器人或末端执行器，使所述焊丝末端及耦合区相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程。

具体的，所述填丝钎焊工艺包括如下工艺步骤：

1)通过工装夹具使白车身的顶棚与侧围之间，或者汽车地板与纵梁、横梁之间，处于良好的搭接状态，一般具备一定的装配间隙。

2)串列双激光光束中第一激光光束和第二激光光束分别由两个不同的独立激光装置产生，并经由特定的聚焦组件聚焦后，以不同的倾角照射在钣金上方，形成具备上述特征的耦合光斑。由于本发明要求焊丝末端必须处于耦合光斑内部，故这里的特定在形容在常规聚焦组件基础上，实际应用上还需要先整体考虑焦距与实物安装空间的限制，即聚焦镜头距离加工位置不能过远或者过近；其次考虑聚焦后的焦点尺寸大小。

3)通过送丝设备，将焊丝由丝桶经导丝管送入钎焊位置，经由导丝嘴精准定位，使焊丝顶端进入第一、第二激光束的重合区域，即上述耦合光斑处，焊丝受热熔化形成熔池，液态钎料沿焊缝流动、铺展、填充，凝固后形成钎焊缝。

4)通过机器人或末端执行器，使所述焊丝末端及耦合区相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程。

进一步地，所述串列双激光光束中第一激光光束的功率为2.25～3.0kW，第二激光光束的功率为3.0kW。

进一步地，将所述焊丝在钎焊位置处的投影中心设定为坐标轴原点，焊缝加工方向设定为所述坐标轴的x向，与所述x向垂直方向为y向；第一激光光束位于所述坐标轴第一象限内，且与x向夹角γ＝40°，第二激光光束位于所述坐标轴第二象限内，且与x向夹角a＝110°，焊丝位于第一激光光束与第二激光光束之间，且所述焊丝与x向夹角β＝65～70°；

所述第一激光光束的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝0.3±0.3，y向＝0.0±0.1；所述第二激光光束的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝-0.3±0.3，y向＝0.0±0.1，各坐标值单位为mm。

进一步地，两个所述椭圆形光斑的中心点距离D为零，即两个所述椭圆形光斑进行最大程度的重叠。

进一步地，两个所述椭圆形光斑的中心点距离D为1.2mm。

进一步地，焊接速度为118～130mm/s。这里的焊接速度也指代机器人或末端执行器的运行速度。

进一步地，焊接速度为120～130mm/s。

进一步地，焊接速度为125～130mm/s。

进一步地，所述焊丝的送丝速度为630～650cm/min。

进一步地，所述焊丝的干伸长L＝8～12mm。

进一步地，所述焊丝为直径是1.6mm的铜基焊丝。

进一步地，所述白车身顶棚与侧围的装配间隙小于0.5mm。

有益效果：

1、本发明设计的钎焊工艺应用于白车身顶棚与侧围间，在满足各种尺寸白车身激光钎焊加工42秒/台的生产节拍要求前提下，焊接速度可达115～130mm/s，与此同时，还能获得表面光滑无缺陷的高质量焊缝；

2、本发明设计钎焊工艺可根据要求更改送丝速度及焊接移动速度，从而增加焊缝填充量，最终保证车身框架结构部位的连接强度。

附图说明

图1为双激光光束、焊丝在坐标轴上位置及各投影区位置关系示意图；

图2为双激光光束、焊丝进一步平面投影后示意图；

图3为实施例设计得到的钎焊焊缝断面图；

图4为对比例中单激光热源焊接钎焊缝截面图；

图5为对比例中单激光热源焊接钎焊缝表面形貌图；

图6为本发明设计工艺下焊缝表面形貌图；

图7为本发明设计工艺下得到20mm焊缝宽度试样拉伸力学测试图；

其中，上述附图中各编号如下：

焊丝1、第一激光光束2、第二激光光束3、钎焊缝4、串列双激光光束重合区域5、焊丝末端投影区6、第一激光束光斑投影区7、第二激光束光斑投影区8；

γ角为第一激光光束与x向夹角；β角为焊丝与x向夹角；a角为第二激光光束与x向夹角。

具体实施方式

本发明公开了一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，它包括如下工艺步骤：

1)通过工装夹具使白车身的顶棚与侧围之间，处于良好的搭接状态，一般具备一定的装配间隙。本发明优选所述白车身顶棚与侧围的装配间隙小于0.5mm。

2)串列双激光光束中第一激光光束和第二激光光束分别由两个不同的独立激光装置产生，通过光纤将激光传递至加工部位，并经由特定的聚焦组件聚焦后，以不同的倾角照射在钣金上方，形成具备上述特征的耦合光斑。如图1所示，本发明优选将所述焊丝1在钎焊位置处的投影中心设定为坐标轴原点，钎焊缝4加工方向设定为所述坐标轴的x向，与所述x向垂直方向为y向；第一激光光束2位于所述坐标轴第一象限内，且与x向夹角γ＝40°，第二激光光束3位于所述坐标轴第二象限内，且与x向夹角a＝110°，焊丝1位于第一激光光束2与第二激光光束3之间，且所述焊丝1与x向夹角β＝65～70°；

与此同时，结合图1、图2可知，第一激光光束2、第二激光光束3在钎焊位置处形成串列双激光光束重合区域5，且焊丝1末端位于该串列双激光光束重合区域5内。进一步的将第一激光光束2、第二激光光束3与焊丝1在平面上投影形成长轴在同一直线上、短轴长度相等且离心率不同的两个椭圆形光斑，如第一激光束光斑投影区7、第二激光束光斑投影区8及焊丝末端投影区6，结合图2可知，焊丝末端投影区6的中心作为坐标轴原点，第一激光束光斑投影区7与第二激光束光斑投影区8为椭圆形光斑，两个所述椭圆形光斑的中心点距离D满足：0≤D≤1.2mm；且第一激光束光斑投影区7的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝0.3±0.3，y向＝0.0±0.1；第二激光束光斑投影区8的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝-0.3±0.3，y向＝0.0±0.1，各坐标值单位为mm。结合图1可知，图1a为D＝0时，第一激光束光斑投影区7、第二激光束光斑投影区8及焊丝末端投影区6在坐标轴上位置关系图，图1b为D＝1.2mm时，第一激光束光斑投影区7、第二激光束光斑投影区8及焊丝末端投影区6在坐标轴上位置关系图。本发明选择第一激光光束、第二激光光束从不同方向照射焊丝，使得焊丝末端均处于两束激光辐射范围以内，焊丝能够均匀熔化，较高的能量输入弥补了单激光热源存在的功率限制，充分的热能输入使得焊丝熔化成液态钎料以后能够很好的铺展、填充焊缝，避免搭接焊缝内部空腔的形成。一方面双激光热源加快了焊丝的熔化速度，液态钎料能够充分填充焊缝，耦合光斑能够去除钣金镀锌层以及预热母材，提升焊接过程的稳定性及焊缝-母材熔合性能，进而提升白车身顶棚与侧围搭接焊缝的加工效率，另一方面双激光耦合光斑面积大，在焊接过程中，前激光椭圆形光斑能够提前去除钣金件的镀锌层及油污，提升焊接冶金过程的稳定性，降低锌蒸汽在熔池中逃逸产生的飞溅，避免高压锌蒸汽造成的焊接失稳，产生焊接缺陷。同时耦合光斑还能够降低熔池与母材的温度梯度，降低焊缝裂纹倾向。

此外，保证第二激光光束的激光功率P_RR为3.0kW，第一激光光束的激光功率P_FR为2.25kW～3.0kW。本发明通过设计串列双激光光束的功率，一方面保证具备上述光斑面积，另一方面，通过合理的调整前、后激光的功率配比，能够明显提升激光填丝钎焊的稳定性和高效性。

3)通过送丝设备，将焊丝由丝桶经导丝管送入焊接位置，经由导丝嘴精准定位，使焊丝进入第一、第二激光束的耦合光斑区域。焊丝受热熔化形成熔池，液态钎料沿焊缝流动、铺展、填充，凝固后形成钎焊焊缝。其中，送丝速度为630～650cm/min。

4)通过机器人或末端执行器，使焊丝末端及耦合光斑相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程。其中，在满足各种尺寸白车身激光钎焊加工42秒/台的生产节拍要求前提下，焊接速度为115～130mm/s。

为更好的解释本发明，以下结合具体实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例公开了一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，它包括如下工艺步骤：

1)通过工装夹具使白车身的顶棚与侧围之间装配间隙小于0.5mm。具体约为0.2mm左右。

2)串列双激光光束中第一激光光束和第二激光光束分别由两个不同的独立激光装置产生，通过光纤将激光传递至加工部位，并经由特定的聚焦组件聚焦后，以不同的倾角照射在钣金上方，形成耦合光斑。其中，第一激光光束位于所述坐标轴第一象限内，且与x向夹角a＝40°，第二激光光束位于所述坐标轴第二象限内，且与x向夹角β＝110°，焊丝位于第一激光光束与第二激光光束之间，且所述焊丝与x向夹角γ＝65～70°；

与此同时，第一激光光束与第二激光光束在车身框架的钎焊位置处聚焦形成长轴在同一直线上、短轴长度相等且离心率不同的两个椭圆形光斑，两个所述椭圆形光斑的中心点距离D满足：D＝0；

此外，保证第二激光光束的激光功率P_RR为3.0kW，第一激光光束的激光功率P_FR为2.25～3.0kW。

3)通过送丝设备，将直径为1.6mm的铜基焊丝由丝桶经导丝管送入焊接位置，经由导丝嘴精准定位，使焊丝进入第一、第二激光束的耦合光斑区域。焊丝受热熔化形成熔池，液态钎料沿焊缝流动、铺展、填充，凝固后形成钎焊焊缝。其中，送丝速度为630cm/min，焊丝的干伸长L＝10mm，焊丝末端2mm内均能被激光束照射

4)通过机器人或末端执行器，使焊丝末端及耦合光斑相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程。其中，在满足各种尺寸白车身激光钎焊加工42秒/台的生产节拍要求前提下，焊接速度为115mm/s。

实施例2

与上述实施例1不同的是，前激光功率与后激光功率一致，功率P为3.0kW。两个所述椭圆形光斑的中心点距离D满足：D＝1.2mm。

得益于耦合光斑沿焊接方向具有较长的分布范围，焊接过程中随着机器人的移动，在熔池抵达之前，能够有效地去除钣金表面的镀锌层和油污，消除锌元素对焊接稳定性带来的影响，降低了焊接过程飞溅率，提升激光聚焦组件中光学镜片的使用寿命。其次耦合光斑在去除镀锌层的同时也能够对钣金进行预热，降低液态钎料与母材间的温度梯度，有利于钎料对焊缝的填充。

实施例3

与上述实施例1不同的是，步骤3中，送丝速度为650cm/min，焊接速度达到130mm/s。图4是本案例所获得的焊缝断面图，结合图3可知，其具有较高的断面填充率。本实施例通过增加送丝速度实现了顶棚-侧围0.5mm以下装配间隙的焊接要求，消除填丝量不足引起的焊缝塌陷等问题，有效避免板材波动带来的焊接不良。

实施例4

与上述实施例2不同的是，送丝速度为650cm/min，焊接速度达到130mm/s。

实施例5

与上述实施例1不同的是，送丝速度为640cm/min，焊接速度达到125mm/s。

对比例

如图4所示，其为常见的单激光热源填丝钎焊缝的截面图，由于单激光束总能量输入限制，普遍钎焊聚焦组件存在6kW的功率限制，造成焊接过程中热输入过低，其次，单激光辐射区域仅限于焊丝周围，对于未焊接的焊缝不能有效预热，造成液态钎料与板材之间温度梯度过大，从而降低了液态钎料在板材间的流动性，因此该条件下焊缝的填充率明显不足，内部通常存在较大尺寸且形态不规则的空腔。

除此以外，在单激光热源填丝钎焊缝表面成型过程中，由于热输入量过低引起的钎料处于液态的停留时间较短，未能完全与板材边缘的平稳熔合便开始凝固，造成了如图5中所示的咬边、连续凹坑等诸多表面缺陷。而图6为双激光热源填丝钎焊缝表面形貌，充足的热输入与较低的的温度梯度，使得液态钎料能够在母材表面充分流动填充，获得表面光滑、边界清晰整齐的焊缝。

结合白车身钎焊缝力学强度测试，选取如图7所示的宽度为20mm的顶棚-侧围焊缝样品进行多次拉伸强度测试，结果表明双激光热源填丝钎焊缝的失效位置均为母材，其最大失效拉力达到4.00kN/20mm，远超行业要求的2.18kN/20mm，可见双激光热源填丝钎焊工艺能够获得高强度的焊缝，进而提升了车身的安全性。其中，行业2.18kN/20mm的数据来源于东本常规车身全解剖破坏性式样，数据真实可靠。

Claims (6)

1.一种串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，它包括串列双激光光束在白车身顶棚与侧围间的钎焊位置处聚焦形成长轴在同一直线上、短轴长度相等且离心率不同的两个椭圆形光斑，两个所述椭圆形光斑的中心点之间距离D满足：0≤D≤1.2mm；

通过送丝设备将焊丝送入钎焊位置处并使焊丝顶端进入两个所述椭圆形光斑的耦合区；

通过机器人或末端执行器，使所述焊丝末端及耦合区相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程；

所述填丝钎焊工艺包括如下工艺步骤：

1)通过工装夹具使白车身的顶棚与侧围之间处于具备一定装配间隙的搭接状态；所述一定装配间隙小于0.5mm；

2)串列双激光光束中第一激光光束和第二激光光束分别由两个不同的独立激光装置产生，并经由特定的聚焦组件聚焦后，形成耦合光斑；

3)通过送丝设备，将焊丝由丝桶经导丝管送入钎焊位置，经由导丝嘴精准定位，使焊丝顶端进入所述耦合光斑内，焊丝受热熔化形成熔池，液态钎料沿焊缝流动、铺展、填充，凝固后形成钎焊缝；

4)通过机器人或末端执行器，使所述焊丝末端及耦合区相对固定地沿着焊缝轨迹移动，直至完成焊接过程；

将所述焊丝在钎焊位置处的投影中心设定为坐标轴原点，焊缝加工方向设定为所述坐标轴的x向，与所述x向垂直方向为y向；第一激光光束位于所述坐标轴第一象限内，且与x向夹角γ＝40°，第二激光光束位于所述坐标轴第二象限内，且与x向夹角a＝110°，焊丝位于第一激光光束与第二激光光束之间，且所述焊丝与x向夹角β＝65～70°；

所述第一激光光束的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝0.3±0.3，y向＝0.0±0.1；所述第二激光光束的光斑中心在坐标轴上坐标为，x向＝-0.3±0.3，y向＝0.0±0.1，各坐标值单位为mm。

2.根据权利要求1所述串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，所述串列双激光光束中第一激光光束的功率为2.25～3.0kW，第二激光光束的功率为3.0kW。

3.根据权利要求1所述串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，焊接速度为118～130mm/s。

4.根据权利要求1所述串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，焊接速度为120～130mm/s。

5.根据权利要求1所述串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，焊接速度为125～130mm/s。

6.根据权利要求1所述串列双激光光束对白车身顶棚与侧围间的填丝钎焊工艺，其特征在于，所述焊丝的送丝速度为630～650cm/min。

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