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解析激光钎焊质量的影响因素及缺陷成因

2009-04-01 09:32
魏丁小陆
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        激光钎焊技术在上海大众汽车有限公司已经应用了8年,同时,该技术质量缺陷的形成原因及其影响因素一直被众多技术人员所关注。为了在使用激光钎焊时满足质量方面的要求,需要对加工过程进行调整的每个环节都十分仔细地进行操作。

        上海大众汽车有限公司在1998年Passat-B5项目首次从德国引进了激光焊接技术,继而该技术又在2001年POLO紧凑型轿车项目以及2004年Touran-MPV轿车项目中得到广泛使用。激光钎焊作为激光焊接技术的一种在这三种车型中也都得到了应用,从Passat-B5的后盖到POLO的车顶,再到Touran-MPV的全车身覆盖,激光钎焊的长度在不断的增加。然而,在上海大众的实际使用中,激光钎焊质量缺陷的形成原因及其影响因素一直被众多技术人员所关注。下面结合这些年来众多激光钎焊技术实际使用者的经验,对激光钎焊质量的影响因素及其缺陷形成原因进行一次全面的剖析。

        激光钎焊质量的影响因素

        要实现“用激光来进行焊接”的加工过程,需要有许许多多的参数一起发挥作用。与其它加工方法相比,激光钎焊中的每个有影响参数的公差范围都非常小。要求如此苛刻,不仅是由激光钎焊本身的加工要求,如需要热影响区小和钎焊速度快等决定的,还因为所要进行的是一种复杂的三维焊缝加工以及有着较高的表面质量要求。

        从图1中我们发现一些最重要的有影响的参数,其中有激光设备特有的参数:激光功率、聚焦位置、焦点大小、加工速度;钎焊丝特有的参数:钎焊丝进给速度、钎焊丝预热电流、冲角大小、焊丝预应力;几何参数:焊接板材间隙、要求的焊缝截面、表面质量;其它影响:焊接板材材料,保护气,机器人的引导精度。

图1  激光钎焊的焊接过程图

1. 焊接板材材料的影响

        聚焦在工件上的激光能量只有很小的一部分被焊接板材材料所吸收,大部分被反射掉了。激光波长与不同板材材料的吸收率之间的关系如图2(所给出的图线是在室温下得到的)。固体激光器产生的激光波的吸收率对于钢铁材料大约为35%,对于铜材料为4%。这就解释了为什么必须对钢铁材料要用电流进行预热。随着温度的升高,吸收率也随之上升。

图2  室温下材料对不同波长激光的吸收率

2. 冲角

        在焊丝与部件的过渡处形成了一个由电流回路通过的电阻,加热焊丝的热量就是由这个电阻产生的。在焊丝被激光烧熔前必须要与部件相接触,所以焊丝在运动到激光焦点前就已经碰上加工件了。在这个位置上激光的能量还不足以把焊丝熔化掉,然后焊丝被顺着钎焊缝输送到焦点处,在那里被熔化掉。由此可以保证焊丝与焦点中心一直保持接触。为了让焊丝被压弯,必须要让所有的焊缝位置保持一个大的冲角,大于40°的冲角已被证实是可靠的。

3. 钎焊丝预热电流

        如果在激光钎焊加工过程中出现飞溅物的现象,那就说明加热电流已经到了最高上限,焊丝熔化得太早。如果焊缝的质量比较差,那就说明加热电流在下限范围里,也就是说焊缝表面越来越粗糙。原则上应该在加工过程中尽可能使用大电流。

4. 聚焦焦点

        激光能量必须通过聚焦集中到加工点上,由此一部分激光能量被钎焊丝吸收了,一部分被加工件吸收了。实践经验表明,焦点中大约50%的能量被用于加热周边区域。此外,还要考虑最大的加工间隙尺寸,当焦点的直径太小时,焊缝呈微红色,表面十分不均匀,有强烈的飞溅倾向,并且在加工件背面看不到焊缝的起头痕迹。太多的激光能量被集中在了焊丝上,因此使焊料变得过热。而同时加工件的侧边却没有得到足够的加热,这样焊料就不容易流到加工件的缝隙中去。

5. 焊接速度

        除以上因素以外,激光钎焊加工过程还受到焊接镜组的移动速度以及焊丝进给速度的影响。所以必须的焊料量由所要求的焊缝面积与待加工件的焊缝长度来决定,焊料单位时间的供给量由焊丝的进给速度与焊丝的截面积来确定。这些参数值必须与焊接镜组的移动速度协调一致,这样才能保证必要的焊料量。在实际使用中,例如POLO车顶钎焊,相对焊接镜组的移动速度来说,焊丝进给速度取得高一点更符合我们的要求。因为这样就会产生少量的焊料过剩,减小了由于焊丝速度不均匀而造成毛孔的危险,而且也保证了必须要达到的焊缝截面积。

        由于激光钎焊的激光能量是受限制的,所以焊接镜组的移动速度也同样受限制。在速度较高的情况下,相对理论轨迹的机器人运行偏差也会因此而变大;运行的速度越快,加工过程对外界干扰的敏感度也就越大。

6. 其他

        由于与焊丝的直径和接缝的宽度相比,钎焊焦点相对较小,所以设备中每一个元件的精度都关系重大。具体来说,其中包括夹紧机构的重复精度、机器人的引导精度、机器人上部件安装点的精度以及各部件的公差大小,这些都应该在考虑的范畴之内。

        激光钎焊缺陷类型及形成原因

        由于激光钎焊加工过程的复杂性以及众多的影响因素,当出现加工质量下降现象时,大多数情况下无法用一个原因来解释,但加工轨迹的开始和结尾段通常被认为是最为关键的部分。为了在使用激光钎焊时满足质量方面的要求,必须对加工过程进行调整的每个环节都十分仔细地进行操作。

1. 按焊接缺陷区域大小分类

        在实际生产中,缺陷影响区域大小可以分成不同种类:

(1)持续性缺陷:它存在于整个激光钎焊加工过程中。对此,并不是说整段的焊缝都有缺陷,而是缺陷以不为人知的规律重复出现在焊缝中。

(2)局部缺陷:局部缺陷重复出现在同一个焊缝位置,它的影响范围有限。

(3)易发生问题的区域:焊缝的某些区域,如焊缝开头和焊缝结尾同样还有板材上的斜面区域,都是特别容易出现问题的区域。

2. 按缺陷表面特征分类

(1)微小气孔:当气孔的直径小于0.2mm时,就是微小气孔。

(2)气孔:正常气孔(比微小气孔大)的直径最大不超过1.0mm。

(3)空洞/焊缝中断:如果气孔的直径大于1.0mm,就被称为空洞。
 
(4)熔焊型焊缝:在焊缝中没有焊料,焊缝的样子就像是激光熔焊焊缝。

(5)低劣的焊料连接:钎焊丝未在加工件的侧面连接起来。在焊缝连接的位置处,焊缝看起来“散成一缕缕地”。

(6)焊料的单面连接:焊料只与一个侧面连接了起来。

(7)香肠现象:加工件没有连接起来,在焊缝处焊料笔直地伸展堆积。

(8)焊缝不规则:焊缝塌陷或凸起。

(9)鳞状堆积:焊缝表面不光滑,显得很粗糙。

(10)焊缝开头/焊缝结尾:在加工件的边缘会出现焊缝填充不足或过剩的现象,或者是在轨迹上发现有未熔化的焊丝残余。

3. 质量缺陷造成的原因

(1)错误的工作距离:TCP(工具坐标点)错了或是程序编制有错误。

(2)焦点侧面的位置错了:或者是TCP垂直于光束轴方向的位置错了,或者是程序编制有错误。

(3)钎焊丝校准:焊丝没有穿过焦点中心。

(4)钎焊丝温度:焊丝预热温度错误。

(5)钎焊丝的材料:钎焊丝材料的合金成分改变了。

(6)激光功率:弄脏了的保护玻璃或激光器中老化的弧光灯都会降低激光的功率。

(7)漏气:保护气体流量减少或管路内漏气。

(8)间隙尺寸:部件之间的间隙尺寸在变化。

(9)钎焊丝进给速度:焊丝进给的速度不恒定或者是与焊接镜组的移动速度不相符。

(10)机器人的速度:由程序所给定的进给速度是错误的或者是机器人速度出现波动。

(11)时间的控制:可能是计算时间的问题,激光器和焊丝进给机构的开关点可能与加工过程不相符。

4. 焊接缺陷及形成原因对应表(如表)

表  焊接缺陷成因对照表

        在查找焊接质量缺陷原因时,该览表可作为辅助工具,供相关技术人员查阅。
 
        激光钎焊技术已在上海大众汽车有限公司使用了8个年头,我们希望通过本文对激光钎焊的质量缺陷情况进行一个汇总,为今后不断提高质量,改善工艺水平打好扎实的基础,也希望对其他正在使用或将要使用激光钎焊技术的同行提供一个参考的依据。【编辑:曾聪】
 
 
 
 

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