激光焊代替凸焊在天窗标准件上的应用

2021-10-10方锳泽杨黄锐

焊接 2021年7期

方锳泽，杨黄锐

(东风(武汉)实业有限公司，武汉 430056)

0 前言

随着社会经济水平的不断提高，汽车成为人们生活中非常重要的一部分。汽车行业的发展使人们对个性化功能的需求越来越凸显，汽车天窗在汽车的设计和生产中占有的地位也逐渐提升。天窗不仅能提升整车的美观，能提高车的透光性和透风性，从而在满足汽车造型的同时增强汽车舒适度。2017年量产车型的天窗配置比达到60%，2020年将提上到75%以上。上汽大众所生产车型的天窗配置比达到80%，很多车型全系标配天窗，汽车天窗已经成为一个集外观与功能于一体的重要部件[1-2]。

汽车天窗的必需满足密封性能，确保在开启/关闭天窗过程中及日常使用中不会出现缝隙，导致天窗漏水，天窗加强环还需要保证整车的结构强度，在发生碰撞、翻滚等事故时，保证车内乘员的安全，同时具备开闭功能的天窗，需要和车身、电机、内饰等众多零部件装配，因此一个全景天窗往往涉及到十几个大小功能不同的连接标准件，同时对这些标准件的连接强度和尺寸精度有着非常高的要求。传统一般是使用电阻凸焊工艺进行天窗加强环上标准件的焊接，而现在全景天窗的尺寸可达到2 100 mm×1 100 mm以上，使用传统人工的电阻凸焊，操作困难、焊接效率低，而且难以保证凸焊螺柱的垂直度，导致后续整车装配环节的困难。而激光焊接具备自动化程度高、焊接效率高、焊接变形小、尺寸精度高、焊接强度高等诸多优点[3-4],在高强钢、轻质合金等先进材料上和汽车领域运用广泛[5-10]。

文中尝试使用激光焊在不同板材上，进行不同天窗用标准件的焊接，以探究激光代替凸焊在天窗标准件上应用的前景。

1 试验方法

标准件：①M8小法兰螺母，材料22A，表面镀锌镍；②M8大法兰螺母，材料15A，表面镀锌镍；③M6短螺钉，材料10B21，表面黑色达克罗处理；④M6标准螺钉，材料10B21，表面黑色达克罗处理；⑤M6长螺钉，材料10B21，表面黑色达克罗处理。板材化学成分见表1，22MnB5热成形钢表面镀AlSi涂层，DX54D+Z镀锌钢板，HC340LA高强钢为裸板。

表1 试验材料主要化学成分(质量分数，%)

参照实际产品搭配组合设计5组试验：①HC340LA+大法兰螺母；②DX54D+Z+短螺钉；③22MnB5+小法兰螺母；④DX54D+Z+标准螺钉；⑤DX54D+Z+长螺钉。使用Rofin光纤激光焊接平台进行试验，实现高效远程激光焊接，焊接主要工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

焊接完成后，使用光学显微镜测量熔深，使用万能试验机测试标准件剥离的顶出力，综合评价焊接效果。

2 结果与讨论

文中使用的远程激光焊，是通过激光束入射到扫描振镜的X，Y轴两个反射镜上，计算机控制反射镜的角度，实现激光束的任意偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦在加工工件表面的不同位置，实现焊接功能，同时扫描场镜的线性移动，使焦点位置在Z方向上具有一定的调节范围，激光扫描焊接的原理如图1所示。由于聚焦镜聚焦距离长，反射镜小角度偏转即可实现激光束在焊点(缝)之间可快速切换，其定位时间几乎为零。在国外，激光扫描焊接一般以长焦距、大扫描范围和高度灵活的激光束偏移为主要优点，其可以利用500 mm或更长的焦距，扫描焊接范围一般超过1 m。在此基础上，加上工艺机器人多个自由度的灵活移动，可以将振镜扫描头定位到任意一点和任意的角度，针对大零件、复杂曲面零件进行快速的焊接，焊缝形状可以任意设定，圆形、方形、椭圆等均可；焊缝方向可以任意设定，横向、纵向、斜向等均可；焊缝分布可以根据需要任意设定，这是目前最为高效的焊接技术。而针对天窗产品，涉及到众多不同部位，不同结构的标准件，只需要一套设备，一套工装就能实现高效的生产。

图1 远程激光焊接原理

激光焊接之后，焊接外观如图2所示。图2a是HC340LA+大法兰螺母试验组焊缝外观，焊缝外观平整光滑，焊缝轻微内凹；图2b是DX54D+Z+短螺钉试验组外观，焊缝外表面有轻微气孔，焊缝整体均匀，焊缝轻微内凹；图2c是22MnB5+小法兰螺母试验组焊缝外观，焊缝外观平整光滑，焊缝轻微内凹；图2d是DX54D+Z+标准螺钉试验组焊缝外观，焊缝外表面有轻微气孔，焊缝整体均匀，焊缝轻微内凹；图2e是DX54D+Z+长螺钉试验组焊缝外观，焊缝外表面有轻微气孔，焊缝整体均匀，焊缝轻微内凹。

图2 激光焊接后外观形貌

文中使用的远程激光焊为自熔化焊接，主要是利用高能量的激光对被焊接材料进行局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成熔池，熔池冷却形成冶金结合的一种焊接方式。试验组的所有标准件，与板材贴合面有圆角，在焊接前就是内凹的结构，激光焊接后，板材和标准件材料熔融在一起，冷却后自然形成焊缝内凹的形貌。而2号、4号、5号试验组，因为板材DX54D+Z是镀锌板，在焊接过程中锌受热蒸发，导致表面有微小气孔的产生，而在焊缝内部没有气孔的现象，在图3中有体现。

焊缝熔深形貌如图3所示，激光焊接头根据组织的不同可以分为2个不同区域，分别为焊缝区(WM)、热影响区(HAZ)，可见所有试样焊接接头焊缝形貌无明显焊接缺陷，未见明的气孔、夹杂、焊接裂纹，热影响区很窄，得到了成形良好的焊缝。焊缝熔深测量结果见表3。

图3 焊缝熔深形貌

表3 焊缝熔深测量结果

使用万能试验机，按照PSA集团标准件顶出力测试标准，测试螺母和螺钉的焊接强度，测验标准如图4所示，试验结果见表4。从试验结果可见，1号和3号焊接螺母的顶出力超过了25 kN，按PSA的标准M8螺母焊接要求，顶出力大于等于8 kN，激光焊接螺母超过标准要求的3倍，1号试验组为3.20倍，3号试验组为3.54倍。2号、4号和5号焊接螺钉的顶出力超过了17 kN，按PSA的标准M6螺钉焊接要求，顶出力大于等于4.5 kN，激光焊接螺钉超过标准要求的3.5倍，2号试验组为3.84倍，4号试验组为4.31倍，5号试验组为4.08倍。

表4 顶出力测试结果

图4 测试示意图

顶出力测试力和位移曲线图如图5所示，顶出后破坏形式外观如图6所示。1号焊缝并未见明显失效，无明显裂纹，板材明显变形，用于顶出力试验陪试螺柱变形，螺纹失效；2号焊缝未见明显失效，板材处撕裂；3号缝并未见明显失效，无明显裂纹，板材无明显变形，用于顶出力试验陪试螺柱变形，螺纹失效；4号焊缝未见明显失效，板材处撕裂；5号焊缝未见明显失效，板材处撕裂。

图5 顶出力曲线图

图6 顶出后外观图

从试验结果可见，1号和3号焊缝都未失效，1号板材发生塑性变形，3号因板材为22MnB5，屈服强度高达950～1 250 MPa，未见变形，失效体现在螺纹失效，试验螺母的强度等级为8级，陪试螺栓选用9.8级，可见激光焊接强度十分优异，满足性能要求；2号、4号和5号，失效都在板材侧，主要发生在焊接热影响区，激光焊接效果优秀，满足使用性能要求。

试验数据表明：在性能上，激光焊接标准件更优于电阻凸焊，且有着明显的优势。从工业化生产角度分析，天窗加强环这样的大型零部件，电阻凸焊一个标准需要操作工2人，平均一个标准件焊接时间15 s，按一个天窗24个标准件计算，一个天窗总成焊接标准件需要360 s，同时因为人工电阻凸焊，会导致焊接标准件的垂直度不稳定，额外需要一名操作工，进行检测和返修。而使用激光焊接，可以大大提高生产效率，减少人工投入，提高产品质量，减少生产成本，对比分析见表5。相对而言，激光焊接的缺点就是设备投入成本较大、前期调试投入较高，但对于产量大的车型，在整个车型的生命周期当中，使用激光焊接的综合成本还是更低的。因此，激光代替凸焊在天窗标准件上的运用前景光明。