不等厚激光拼焊板焊缝不一致问题研究

陈 东，夏慧超，武广涛，李 江

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）

1 引言

激光拼焊是指将几块不同厚度（或不同材质、不同涂层）的钢板在冲压成形前用激光对焊在一起，然后再进行成型的技术［1］。传统车身制造中，在强度要求较低的部位仍然使用同一厚度的钢板，增加了车身重量。采用不等厚板激光拼焊技术以后，焊接中可以按照强度需求合理分配钢板厚度，保证了对重要位置的强化，实现了车身重量的降低［2-3］。

轿车白车身制造对激光拼焊板的焊缝质量有明确要求，对焊缝凹陷、错配、咬边等缺陷有严格限制［4］，在高端轿车上，对焊缝不一致问题也提出了明确要求，在该指标上国产激光拼焊板和国外同类产品相比还存在一定差距。焊缝不一致问题即在焊缝长度方向上不同位置的焊缝截面形状和尺寸不一致，如图1 所示。焊缝不一致问题会引起焊缝强度不均，导致在冲压过程中焊缝移动变形失稳。为提高激光拼焊板的焊缝质量，文献中提出了碾压技术［5］、过盈量补偿机制［6］、固定偏移量补偿方法等多种方法，这些方法对于解决焊缝凹陷、错配［7］、咬边［8］等问题起到了较大作用，但对于解决焊缝不一致问题效果并不理想。基于这一背景，这里分析了焊缝不一致问题的成因，并提出了相应的补偿方法。

2 焊缝不一致问题的检测

焊缝不一致问题可以通过在线检测焊缝上、下表面的宽度来评估，该方法效率高、但无法得到截面形状。实验室中通常采用如下方法检测焊缝截面形状和金相组织：沿焊缝长度方向截取若干截面，打磨平整后对截面的形状和尺寸进行测量和比较，该方法是破坏性的，仅适用于抽样检测。焊缝不一致问题的具体要求为：每个截面的背宽比（焊缝的背面宽度和上表面宽度之比）应在（0.8～1.2）之内；各截面的平均焊缝宽度与标准焊缝宽度的相对差值在（-10～10）%之内；不允许出现较大的焊缝凹陷、焊缝悬垂等缺陷。

对某激光拼焊板的检测结果，沿焊缝长度方向截取了三个截面，如图1所示。可以看出各截面的形状和尺寸存在明显差异，截面1背宽比超标，截面3下表面出现了明显悬垂，该试件存在焊缝不一致问题。在本次抽检的20个试件中，6个试件出现了焊缝不一致问题，占比达28%，可见焊缝不一致问题亟待解决。

图1 焊缝不一致问题Fig.1 Weld Uneven Problem

3 焊缝不一致问题的成因

3.1 间隙与焊缝截面形状

3.1.1 对接间隙的成因

激光拼焊前通常对钢板接边进行精剪加工，再进行自动对接（定位），对接后对接端面间会产生对接间隙，试验和分析表明间隙主要与以下几个因素有关：

（1）加工误差

加工误差是形成间隙的主要原因之一，激光拼焊前钢板接边通常采用精剪加工提高其直线度，精剪加工的直线度误差为0.15mm/m左右，因此对于1m长的激光拼焊板，对接后可能形成（0～0.3）mm的不均匀间隙。

（2）定位误差

钢板接边在生产线上经自动定位工序完成焊前对接，由于定位销位置误差、定位机构刚度及钢板表面油污等不确定因素的影响，定位后并不能保证钢板接边完全接触，因此会增大前述间隙。

（3）夹紧误差

受夹紧系统的机械制造误差与刚度的影响，夹紧的过程中并不能保证夹紧力完全垂直作用在钢板上［9］，这就导致了机构及钢板的变形，从而进一步扩大了间隙。

综上，在激光拼焊中，间隙的形成受多种因素影响，其中接边直线度误差占的权重最大，结合大量的实验总结可知：在现行的生产工艺条件下，激光拼焊板沿长度方向可能存在间隙的范围为（0～0.35）mm/m。

3.1.2 间隙与截面形状的关系

由于激光光斑直径很小0.6mm，焊接时能够熔化的金属范围有限，因此激光拼焊对焊接前的对接间隙比较敏感，间隙过大将导致漏光及熔化金属量不足，而熔化的金属体积与形成的焊缝截面形状直接相关。为验证间隙对焊缝形状的影响，对厚度配比为1.0mm 和1.5mm 的不等厚钢板（DC06）进行焊接实验，焊前对钢板接边进行了精铣加工，通过手工对接、塞尺调整的方式得到了0mm、0.1mm和0.2mm三种间隙，焊接时的激光功率、焊接速度和离焦量分别为3.0kW、3.5m/min、-1mm。焊接实验结果，如图2所示。可以看出不同间隙下的焊缝宽度和截面形状截然不同，0间隙情况下焊缝较宽且束腰不明显，0.1mm和0.2mm间隙下焊缝宽度减小同时出现束腰和明显焊缝凹陷。从中可以看出，间隙直接影响焊缝形状。

图2 不同间隙下的焊缝形状Fig.2 Welds Cross-Section Shape in Different Gaps

3.2 不均匀间隙导致焊缝不一致问题

由于引起间隙的误差是非线性的，导致定位工序后形成的间隙也是不均匀的。在激光功率、焊接速度、离焦量等参数不变的前提下，激光能够熔化的焊缝宽度是接近的，变化的间隙会导致不同位置实际熔化的金属体积不同，从而引起焊缝截面形状和大小的变化，因此不均匀的间隙是引起焊缝不一致问题的主要原因。

4 补偿方法研究

4.1 偏移量对间隙的补偿作用

激光拼焊过程中激光将厚板和薄板靠近对接中心一定范围内的金属熔化，厚板上方熔化的金属在重力及表面张力的作用下会向间隙及薄板上方流动形成的焊缝，如图3所示。

图3 偏移量对间隙的补偿作用原理图Fig.3 Schematic of Offset Compensation Effect for Gaps

如果焊接时将激光中心向厚板侧偏移（正偏移量），虽然没有改变总的熔化宽度，但增加了厚板的熔化宽度，客观上增加了熔化金属的总量，因此可以在一定程度上补偿间隙的影响，从而得到更理想的焊缝形状。

4.2 固定偏移量补偿方法

采用正偏移量可以增加熔化金属的总量，从而对间隙起到补偿作用，在目前的激光拼焊焊接工艺中采用的是的固定偏移量补偿方法，如图4所示。

图4 固定偏移量补偿方法原理Fig.4 Schematic of Fixed Offset Compensation Method

在该方法中偏移量的确定是基于对平均焊缝间隙的估算，在大批量生产中通过试焊接的方法来确定具体的偏移数值，该数值确定后在整个焊接过程中不变。该方法虽然在一定程度上减小了间隙的不良影响，但并没有改变间隙不均匀的事实，因此并不能解决焊缝不一致问题。

4.3 动态偏移量补偿方法

变化的间隙导致了焊缝不一致问题，而固定偏移量补偿方法并没有解决该问题，因此这里提出了一种动态偏移量补偿方法。

动态偏移量补偿方法基于对间隙大小和中心位置的实时跟踪测量。在激光头前方设置焊缝跟踪系统，焊缝跟踪系统由视觉传感器、处理器以及执行机构组成，与执行机构一起固定在X向直线跟踪单元上，可以实时检测间隙大小和焊缝中心位置，如图5所示。

图5 含焊缝跟踪系统的焊接单元Fig.5 Welding Unit with Seam Tracking System

动态偏移量补偿方法，即在不同的焊缝位置，根据实际间隙的大小和焊缝中心的位置实施精确的偏移量补偿。实施偏移量补偿需要确定间隙与偏移量的关系，式（1）体现了间隙与偏移量及板厚的关系，式（2）依据薄板的熔宽限制，确定了偏移量的极限值［10］。

式中：P—偏移量；

Pmax—最大允许偏移量；

T1、T2—厚板、薄板的厚度；

G—间隙宽度（变量）；

W—焊缝宽度；

δmin—薄板最小允许熔化宽度。

为提高补偿的可靠性，将实际采用的偏移量P’扩大5%，同时将其许用值[Pmax]减小5%，见式（3）。

动态偏移量补偿方法原理，如图6 所示。根据实际的焊缝中心位置和间隙大小，通过式（1）、式（2）确定该位置需采用的理论偏移量，使用式（3）、式（4），确定实际偏移量及激光的实际走形路径y(x)。

图6 动态偏移量补偿方法原理图Fig.6 Schematic of Dynamic Offset Compensation Method

式中：y—激光实际走行位置；

y0—设备X向中心；

Δy—焊缝中心与理论中心的误差。

5 动态偏移量补偿实验

为验证动态偏移量补偿方法的实际效果，进行了相应的焊接实验。

5.1 实验材料

焊接材料是车用冷轧钢板（DC06），焊缝长度400mm，钢板的厚度为0.8mm和1.5mm，材料的基本成分，如表1所示。材料的机械性能，如表2所示。

表1 材料成分Tab.1 Material Parameter

表2 材料机械性能Tab.2 Mechanical Properties of Materials

5.2 实验设备与方法

实验在沈阳自动化研究所研制的全自动激光拼焊生产线上进行，设备整体布局，如图7所示。设备的最大功率4kW、激光波长1.06μm、光斑直径0.6mm、焦距223mm。设备配备了焊缝跟踪系统，焊缝截面检测设备为多目倒置金相显微镜（5XB-PC）。焊接单元具有三维移动功能，移动精度0.01mm，响应速度0.2m/s。

图7 全自动激光拼焊生产线Fig.7 The Automatic Laser Welding Production Line

焊接采用的工艺参数，如表3所示。

表3 焊接参数Tab.3 Welding Parameters

5.3 实验结果

实验采用动态偏移量补偿方法焊接了50对钢板，结果中有3块拼焊板出现了焊缝不一致问题，即焊缝不一致问题的发生率为6%（之前实验结果为28%）。采用动态偏移量补偿方法得到的1 个合格焊件，分别是在焊缝长度100mm、200mm 和300mm处截取的三个截面，图中各截面尺寸均匀，焊缝形状基本一致，如图8所示。

图8 采用动态工艺补偿方法的焊缝Fig.8 Welds Using Dynamic Offset Compensation Methods

6 结论

（1）在激光拼焊中，受加工误差、定位误差和夹紧误差等因素影响，间隙沿焊缝长度方向是变化的，变化的间隙是引起焊缝不一致问题的主要原因。（2）偏移量影响熔化金属的总量，正偏移量可以对间隙起到一定的补偿作用，从而改善焊缝截面形状。（3）依据实际间隙的大小和焊缝中心位置，采用动态偏移量补偿方法可精确补偿间隙，从而有效解决焊缝不一致问题。