激光钎焊质量影响因素及对策分析

张旭东 贝松伟

（浙江吉利汽车有限公司梅山工厂，宁波315832）

1 前言

随着汽车工业的不断发展，越来越多的新技术引入到汽车制造的领域中，激光钎焊就是其中之一。在保证强度的同时，相比较传统的点焊工艺，激光钎焊的优势如下。

a.可实现不同材质、不同厚度板材的连接；

b.能够实现难以焊接的材料连接[1～2]；

c.焊接速度快、焊接热影响区小、变形量小[3]；

d.焊接后外观质量好；

e.连续焊接，焊缝密封性好；

f.所需搭接边较小。

2 激光钎焊的焊接机理

焊接时，激光束从激光头发射出来，并将光束能量传递给钎焊丝，钎焊丝受热熔化形成液滴附着在母材表面，并在焊缝中通过表面张力进行延展（图1）。

图1 焊丝熔化形成焊缝

为了形成填充性能良好的焊缝，意味着液滴需要在母材表面尽可能地延展、扩大接触面积（增大图2中的h）。熔化材料的延展取决于以下因素。

图2 激光钎焊的横截面

a.钎料的表面张力；

b.钎料的润湿性能；

c.母材的表面特性；

d.钎料与母材所处的外界环境；

e.钎料与母材的反应。

将金属母材表面设为1，钎料熔滴为2，外部环境为3，熔滴的浸润角度为α，母材与熔滴之间的表面张力为γ12，母材与外部环境的表面张力为γ13，熔滴与外部环境之间的表面张力为γ23(图3)。

图3 熔滴的浸润横截面

钎料熔化时，浸润结合面。熔滴的延展主要取决于熔化的焊丝与周围环境(空气、惰性气体或者真空等）之间的表面张力γ23。提高浸润条件，浸润角度α减少。当α=0°(cosα=1)时，浸润效果最好（图4）。

图4 理想状态的浸润截面

为了得到良好的浸润效果，可以从以下几个方面着手。

a.选择表面张力小的钎料；

b.选择合适的保护气体，改善外部环境；

c.适当的温度有助于表面张力γ23的降低；

d.镀锌层有助于钎料在母材表面的拓展[4]，母材表面的洁净度。

3 激光钎焊质量影响因素

根据上述钎焊原理分析，并结合实际现场焊接经验，影响激光钎焊的质量因素有如下方面（图5）。

图5 激光钎焊质量影响因素

3.1 激光源的选择

a.激光类型。激光器的种类有很多，不同种类的激光器产生的激光能量形式是不一样的。二氧化碳激光器、碟片式激光器和光纤式激光器产生的能量形式为高斯型（图6）。高斯能量激光器能量不均匀，过于集中，加工过程材料受热不均匀。

图6 高斯型能量分布

半导体激光器产生的能量分布为平顶型（图7），平顶能量使加工过程中材料受热更均匀。因此半导体激光器其均匀的能量分布更适合钎焊工艺，焊接时焊丝融化均匀，没有过热区域，减少飞溅风险，且焊接时能够加热两侧钢板，使熔融的焊丝具有更好的流动性，改善浸润效果。

图7 平顶型能量分布

b.激光功率。激光功率为焊缝提供能量，因此是关键的因素。

功率较低时，材料温升不足，焊料不能充分熔化，流动性差，因此焊缝融合不好。随着功率的增加，焊丝加热更充分，焊丝熔化并且有足够的时间进入到焊缝中。但是功率过高时会导致母材变化，并且出现飞溅、气孔等其他缺陷[5]。

3.2 激光头的选择

a.光斑直径。激光器工作时，全部能量聚焦到加工点上。一部分激光能量被钎焊丝吸收，一部分能量被加工件吸收。当焦点直径过小时，能量过于集中，焊料变得过热，有强烈的飞溅倾向，同时加工件的侧边没有得到足够加热，这样焊料不容易浸润母材。当焦点直径过大时，能量密度小，影响焊接速度，且热影响区大，母材镀锌层烧蚀区域大，降低抗腐蚀性。

光斑直径一般与焊缝宽度保持一致，通常为焊丝直径的2倍。此外，设置时要使光斑焦点与焊丝的位置同心。

b.离焦量。离焦量是激光焦点离实际焊接工作面间的距离。激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。当离焦量过大，作用在工件上的功率密度过低达不到加工工件的目的；当离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，焊缝甚至母材均受到影响。

离焦方式按焦平面与工件的位置关系，可分为正离焦与负离焦，焦平面位于工件上方为正离焦（图9），反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。

图8 光斑直径与焊丝直径

图9 正离焦离焦量示意

当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当想要获得较大熔深时，采用负离焦（激光熔焊应用于厚板连接时）；焊接薄板材料时宜用正离焦（车顶盖激光钎焊、尾门外板激光钎焊）。

c.焊接角度。激光头的角度对于母材的热量输入是重要的参数。根据焊接部位的不同，需要随时调整。

拖曳角为焊丝与焊接方向形成的平面内，焊丝与工件的夹角。焊丝向前进方向倾斜焊接时，称为前倾焊法（拖角）；焊丝向前进相反方向倾斜焊接时，称为后倾焊法（推角）。

激光入射角为焊丝与焊接方向形成的平面内，激光与工件的夹角。有资料显示，降低拖曳角或者激光入射角，对焊缝质量提升有利[6]。但实际生产中，过低的拖曳角或者激光入射角会造成激光头与夹具或者工件干涉。此外，过低的激光入射角会降低作用在工件上的能量密度。

外倾角为在焊缝横截平面内，焊丝与焊缝法向的夹角。

一般情况下，拖曳角选择30°～45°，激光入射角选择45°～90°，外倾角选择0°～30°。

图10 拖曳角和激光入射角

图11 外倾角

d.辅助功能。常见的辅助功能包括焊缝跟踪功能、镜头防护功能、双光斑技术、三光斑技术。

焊缝跟踪功能可以实现钣金尺寸不稳定时，焊缝位置的及时修正。镜头防护功能可以实现镜头的自清洁，同时减轻焊接时的离子云对焊缝的影响。双光斑技术是为了避免高斯型激光束由于能量分布不均匀，中间能量高，引起熔池沸腾，两侧能量低，润湿性差而开发的。其将激光束分开，形成双驼峰型，改善焊接质量[7]。三光斑技术是针对镀锌板在焊接时产生的锌蒸汽影响焊缝质量，在焊接时提前将镀锌层激发掉，避免锌蒸汽进入到焊缝，产生气孔[8]。

3.3 送丝机

a.送丝速度。送丝速度和激光焊接速度关系密切，一般情况下给定适当的激光功率，焊丝直径选择1.6 mm时，焊接速度/送丝速度=60%～120%，比例越小，钎料填充量越大。过大时，焊缝出现凸起、波浪等现象。比例过小时，焊缝塌陷、焊缝宽度小，接头强度下降[9]。

b.热丝电流。为了促进焊丝融化，需使用电流对焊丝预热。通过热丝，可以提升焊缝的质量和焊接效率。如果在激光钎焊加工过程中出现飞溅物，那就说明加热电流已经到了最高上限。如果焊缝表面越来越粗糙，说明加热电流在下限范围。热丝电流通常取在50～160 A之间。

c.送丝电压。电压保持在低于5 V，避免起弧，影响焊缝的美观和焊接的稳定性。

3.4 板材要求

a.搭接间隙。常见的搭接形式有法兰对接焊缝、角接焊缝、T型焊缝。

焊接前，要求板件之间的缝隙s≤0.3 mm，必须稳定并且重复性高（需要定期进行监控）。一旦板材搭接间隙过大（≥0.5 mm），焊丝将不能有效填满焊缝，导致焊缝塌陷甚至缺失。

图12 对接焊缝

图13 角接焊缝

图14 T型焊缝

b.镀锌层。顶盖激光钎焊部位的常见板材组合为顶盖采用冷轧板，侧围外板采用镀锌板。由于锌的气化温度为906℃[10]，钎焊焊丝的熔化温度为＞910℃，因此焊丝熔化时，镀锌板的锌层会被蒸发汽化。所以，需要控制激光钎焊焊缝位置的锌涂层厚度。

相比较电解镀锌板（镀层厚度约5～15μm），热浸镀锌板镀锌层厚度不均且较厚（35±15μm），此外，有研究表明热镀锌板对激光的吸收系数低于电镀锌板[11]，因此建议侧围外板采用电镀锌板，有助于提升焊接后的焊缝外观质量[12]。

c.表面质量。需要控制焊缝区域的表面质量，避免锈蚀和脏污。

3.5 钎料及保护气

a.焊材类型。为了保证良好的浸润性及对激光的吸收率，填丝一般选用CuSi3，熔化温度范围为910～1025℃，Cu含量不低于94%，硅含量不超过4%。

b.钎料直径。焊丝直径可选择1.0 mm、1.2 mm和1.6 mm。为了保证填丝速度，常见选用1.6 mm。

c.干伸长度。干伸长度是指没有暴露在激光束中的长度，一般干伸长度为5～10 mm（图15），通过剪丝设备保证长度。

图15 干伸长度

d.保护气体。在激光钎焊中，稳定的且成分合适的保护气是获得更好的焊丝浸润和焊缝质量的关键参数。常见的保护气体有氦气、氩气、氮气、CO2等。

除了改善浸润性，保护气体的第二个作用是使工件在焊接过程中免受氧化，同时还可以清除母材表面的氧化物。保护气体的第三个作用是保护镜头免受金属蒸气污染和钎料熔滴的溅射。第四个作用是对驱散激光焊接时产生的等离子屏蔽很有效。激光焊接时会产生金属蒸气，其会被激光束电离成等离子云。金属蒸气周围的保护气体也会因受热而电离。如果等离子体存在过多，激光束能量在某种程度上被等离子体消耗（图16）。

图16 焊接时形成等离子云

相比较而言，氦气不易电离（电离能较高，见表1），可让激光顺利通过，是激光焊接时使用最有效的保护气体，但价格比较贵。氩气相比氦气易被电离，但密度较大，保护效果较好。氮气在作为保护气体时有被熔池吸收的倾向，会在搭接区产生气孔。CO2作为保护气体最便宜，但更易被电离，屏蔽了部分光束射向工件，减少了焊接的有效激光功率，影响焊接速度与熔深。

表1 常见气体和金属原子/分子量和电离能

因此在实际生产中，激光钎焊常见的保护气体选用99.9%纯度氩气，气体流量控制在10～15 L/min。

3.6 夹具

a.工件定位及夹紧力。夹具需要保证工件有效定位，配合适当的夹紧力（每个压头设置为浮动形式，可单独调整压力），使得板件搭接缝隙≤0.3 mm。

b.夹头位置。夹头分布要合理，在尽可能的靠近焊缝的同时，为散热及焊枪运行轨迹预留空间。

3.7 其他

a.焊接时序。激光钎焊的起弧及收弧处是质量控制的难点。起点端，需要提前送丝和打开激光。送丝结束后，延迟关光。

b.打磨。打磨是激光加工过程中很重要的一步，其改善焊缝表面质量，提升防腐性能。

4 缺陷类型及控制措施

激光钎焊常见的质量问题有气孔、焊缝塌陷、焊缝偏移、飞溅等。针对不同类型的缺陷，其产生的原因及解决措施如下。

a.气孔（图17）。产生的原因为激光功率与焊接速度不匹配（功率过大）、焊缝表面不洁净、镀锌层过厚（热镀锌板容易出现），加热后在熔化的金属中未溢出、保护气体类型或流量选择不合理、离焦量设置不合理。解决措施适当减小激光功率、来件表面保持清洁、控制镀锌层厚度，或者采用电镀锌板、采用三光斑技术、调整气体成分或流量、增大离焦量。

图17 气孔

b.焊缝塌陷（图18）。产生的原因为焊缝处板材搭接间隙过大、送丝机出丝不稳、焊丝直径选择过细。解决措施有调整板材配合间隙在0.3 mm内、检查送丝机工作状态、适当增加焊丝直径（一般不超过1.6 mm）。

图18 焊缝塌陷

c.焊缝偏移（图19）。产生的原因为激光头位置偏离、外倾角选择不良、焊丝与激光光斑不同心。解决措施选择具有侧向跟踪力或焊缝跟踪功能的激光头、调整外倾角、调整光斑位置及尺寸。

图19 焊缝偏移

d.飞溅（图20）。产生的原因为、激光功率过大、热丝电流过大。解决措施将激光功率适当调小、降低热丝电流。

图20 飞溅

e.焊缝表面不平整（图21）。产生的原因为送丝机出丝不稳（马达电流过高等）、送丝量过大，与功率不匹配、拖曳角度过大、保护镜片污损，导致能量分布不均。解决措施有、检查送丝机工作状态、适当降低送丝速度、减少拖曳角度、更换保护镜片。

图21 焊缝表面不平整

f.锯齿边（图22）。产生的原因为光斑与焊丝不对中、光斑直径过小，母材没有充分加热，润湿性差、激光功率不足，导致融池流动性不够。解决措施有调整光斑与焊丝对中、增加光斑直径、采用双光斑技术、增加激光功率。

图22 锯齿边

g.起弧、收弧填充不足或多丝（图23）。产生的原因为激光、送丝的开启与关闭配合不合理、焊接前未进行剪丝操作。解决措施为优化焊接时序，一般起弧时，提前4 ms送丝，提前2 ms打开激光；收弧时，一般延迟2 ms停止送丝，延迟5 ms关闭激光[13]；焊接前剪丝。

图23 焊缝首尾端多丝

h.焊缝中断/漏焊（图24）。产生的原因为顶盖搭接间隙过大（夹具原因或者工件原因），导致焊接不良、设备故障。解决措施为调整夹具，确保工件定位精度及夹紧到位、从模具、器具角度解决工件变形问题、解决设备故障。

图24 漏焊

i.焊穿（图25）。产生的原因为激光功率过大、采用了负离焦。解决措施为采用合适的激光功率，调整为正离焦、定期进行TCP校准。

图25 焊穿

j.未熔合（图26）。产生的原因为激光功率不足、离焦量过大、激光入射角过小、保护镜片污损。解决的措施为适当增加激光功率、减少离焦量、减少激光入射角、定期检查并更换保护镜片，或采用具有镜头自清洁功能的设备。

图26 未熔合

k.咬边（图27）。产生的原因为咬边处能量密度过大、光斑两侧能量不均匀。解决措施为适当减小能量密度，调整光斑位置及尺寸。

图27 咬边

l.烧蚀痕（图28）。产生的原因为焊缝处有脏污。解决的措施在焊接前清理焊缝。

图28 烧蚀痕

5 结束语

激光焊接系统精密且复杂，因此对焊缝质量造成影响的因素众多。从激光系统、送丝机构、板材、钎料、保护气及夹具六大方面进行系统分析，这些方案经过了焊接质量、焊接速度、投入成本、焊接可达性四个维度的综合考量。此外，结合长期的现场经验，对十二种常见缺陷类型及相应的控制措施进行了详细描述。希望能够为汽车及相关行业激光钎焊的应用及质量提升提供有效的解决思路。