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学 士 学 位 毕 业 论 文激光钎焊在车身焊装运用中的缺陷分析及解决方案Analysis and solution about defect of laser brazing technology in application of automobile body welding 学生姓名： 学号： 专业： 材料成型及控制工程所在学院： 材料科学与工程学院指导教师： 2011年06月08日摘 要作为车身焊接工艺的核心部分，激光钎焊技术在国内的应用日益普遍。某某汽车有限公司对许多车型的车顶、后盖、落水槽等部位采用了该技术。然而该技术在实际焊装运用中常产生诸如气孔、夹杂、未焊接、焊缝稀薄等等缺陷问题，这给公司的生产秩序造成了影响，同时也限制了该项技术更加广泛的应用。事实证明，运用良好的激光钎焊技术，不但能提高车身强度和美观性，还能有效降低工作量和提高工作效率。本文致力于系统地分析与解决激光钎焊在车身焊装运用中产生的各种缺陷与不足。激光钎焊焊缝缺陷可以分为两大类，一类是设备精度和工艺参数造成的缺陷，一般称作工艺缺陷；另一类是生产过程中人员的偶然因素造成的缺陷，一般称作人为缺陷。本文从激光钎焊系统和设备入手，分析了各种设备参数因素对焊接性造成的影响，得出了工艺缺陷的产生原因，并相应地提出了解决方案。针对人为因素造成的缺陷，本文也结合生产状况提出了避免的建议。本文采用如下思路进行研究：通过关于强度或晶相的实验分析，初步选择解决方案，通过反复生产实际的验证，得出的最终工艺办法。在各种缺陷的分析过程中，本文归纳总结了一些引起主要缺陷产生的源头因素，作为本文的创新部分，为本课题更加深入的研究提供思路。关键词：激光钎焊 镀锌钢板 车身焊接 AbstractAs a core part of the body welding,the application of laser brazing technology in China is increasingly common. Shanghai Volkswagen Automobile Co., Ltd. uses the technology at the roof, the back cover off and the tank and other parts of the automobile for many models. However, the use of the technology in actual welding often bring defects such as porosity, inclusions, no welding, and so that the company has an impact on the production order, but also the application of the technology more widely is limited. Facts have proved that the use of laser brazing technology properly , can not only improve body strength and beauty, but also reduce workload and improve work efficiency. This paper is committed to take analysis and find solution for a variety of defects and shortcomings of laser brazing . Laser welding-brazing defects can be divided into two main categories, defects caused by precision equipment and process parameters is commonly known as process defects; the other is the accidental factors defects caused by production process workers, commonly known as man-made defects. this paper analyzes the parameters of various factors on the welding equipment and the impact of process defects obtained causes and proposed solutions accordingly. For defects caused by human factors, the paper with the production status of the recommendations put forward to avoid. The study idea of this paper is as follows: The crystal on the intensity or the experimental analysis of initial bring choices of solutions, through repeated verification of the actual production, the final process approach. Analysis in a variety of defects, the paper summarizes some of the major defects caused by the source of factors of innovation as part of this article, based more in-depth research project ideas. Key words: laser welding brazing galvanized steel body 目录摘 要Abstract第一章 绪论11.1课题的理论及实际意义11.2课题的研究背景及现状11.3课题的研究思路及方法21.4课题的内容及结构安排3第二章 激光钎焊技术42.1激光钎焊技术概述42.2激光钎焊技术的优缺点52.3激光钎焊系统构成62.4激光钎焊的冶金过程、润湿作用和毛细作用7第三章 激光钎焊焊缝质量分析方法113.1影响激光钎焊工艺的因素113.2晶相分析法和强度分析法19第四章 激光钎焊焊缝缺陷分析及解决方案224.1合格的激光钎焊的判断方法224.2常见缺陷及解决方案的提出23结 论35致 谢36参考文献37第一章 绪论1.1课题的理论及实际意义随着国内外汽车工业的飞速发展，消费者在汽车外观及安全性上也提出了更高的要求。在白车身车顶、侧围、后盖等直接影响整车美观及安全性区域，传统的点焊和弧焊技术越来越不为广大消费者接受。相对于点焊造成的低强度和弧焊造成的车体变形，先进的激光钎焊技术具有绝对的优势：借助钎料润湿作用，焊缝强度很高；焊接热影响区范围窄，因而车身形变小；焊接温度低减少了镀锌钢板的锌元素挥发，保证了车体的抗腐蚀性能；焊缝均匀且走丝速度快，生产效率高；对母材材质的匹配要求低，可实现拼接及异种材料的焊接等等7。基于上述原因，目前国内外整车企业都在加大激光钎焊技术研究与运用的力度。此外，镀锌钢板是车身运用的最为广泛的材料，钢板表面锌层隔绝了钢板与空气、水份，并起到阴极保护作用，提高了车身抗腐蚀性能。然而因为基层钢板与镀锌层有着完全不同的物理特性及机械特性，点焊焊接使钢板表面挥发出锌蒸气从而导致过热、飞溅、电弧不稳定等问题。此外，点焊电极头寿命短也是工业生产的一项头疼问题10。激光钎焊就能很好地解决上述问题，因而近些年来，激光钎焊正作为替代点焊的一种热门工艺而受到广泛关注。在汽车行业日益激烈的竞争环境下，谁能率先引进先进的激光钎焊工艺并很好地解决其运用过程中遇到的技术问题，谁就能取得更好的市场效益。1.2课题的研究背景及现状激光是20世纪最为重要的科学产物之一。激光具有方向性好、单色性好、相干性好和光脉冲可以很窄等突出优点，因而从诞生起至今，已经在各行各业扮演了十分重要的角色。20世纪70年代，激光开始在焊接领域获得应用8。随着几十年的发展，激光焊接技术作为一个工艺体系，目前主要包括激光传导焊、激光深熔焊、激光钎焊、激光双光束焊、激光复合焊、激光填丝焊和远程激光焊等9。其中，激光钎焊整合了激光深熔焊及MIG钎焊的优势，在汽车工业中运用尤为成功。激光钎焊最早于1998年用在德国大众公司生产的BORA车型车身覆盖件行李箱盖的表面连接，至今行李箱盖激光钎焊已成为车身激光焊接的经典应用。车身激光钎焊广泛应用于德系车。近几年，美系车也正开始大量运用激光钎焊技术。目前，激光钎焊在德国和美国等西方发达国家运用日趋成熟，在国内正处于初步应用阶段。国内的几大合资整车厂也都相继引进了这项技术，如如一汽大众的BORA行李箱盖拼接，奥迪A8车顶焊接，某某的PASSAT车顶焊接，ACTAVIA落水槽搭接等等。奇瑞等国产品牌也已经有了先进的激光钎焊设备。并且，很多整车厂商都把运用了激光钎焊工艺作为吸引消费者的技术优势。可以预见，激光钎焊凭借其美观、高效、高强度和质量稳定等突出特点必然在国内外汽车行业获得巨大的发展空间。1.3课题的研究思路及方法1.3.1研究思路 激光钎焊技术被引入某某气车有限公司已经有了数年时间，一般该工艺出现的问题都是由德方技术专家出面解决。然而中方技术人员从来没有停止对激光钎焊工艺的研究与探索，并从中积累了大量的技术资料和工作经验。部分专家甚至取得了德文书写的有关核心资料来研究分析。借助前人的探索，本文能很快找到问题突破口，并准确找到研究方向。此外，公司提供实验中心做晶相分析及强度分析，方便本文做理论研究。1.3.2研究方法本文在写作过程中受到实际环境的限制，采用如下方法进行研究：(1)阅读相关书籍与参考文献，掌握激光钎焊技术的基本原理和工艺方法。(2)收集相关数据资料、查阅手册，掌握参考车型相关技术参数。(3)整理并分析公司现有的大量缺陷记录和临时处理方法。(4)在公司技术专家协助下做晶相、强度、技术可行性等试验。1.4课题的内容及结构安排本文正文部分分为四个章节。第一章为绪论，主要讲述了本课题的选题依据和意义、课题领域的研究现状及本课题的研究方法。第二章论述了激光钎焊技术的基本原理的工艺方法，包括激光钎焊技术相对于传统焊接方法的优缺点。第三章为论文的研究内容，即激光钎焊系统的各种因素对焊缝成型质量的影响，以及焊缝质量的两种常用检验方法：晶相分析法和强度分析法。第四章为本文成果部分，罗列了八种主要激光钎焊缺陷的分析过程和解决方案，并直观地给出了合格激光钎焊焊缝的评定标准。正文之外本文安排了论文摘要、论文结论等。读者可以根据关注重点从该部分获取信息。第二章 激光钎焊技术2.1激光钎焊技术概述2.1.1激光钎焊技术理论激光钎焊是20世纪70年代发展起来的一种金属连接技术。其原理与普通钎焊焊接方法类似，不同的是激光钎焊是利用激光将焊丝熔化，然后利用机器人的牵引熔化的焊料浸润被焊零件，最终熔化的焊丝填充到所需焊接的工件之间，完成焊接。钎焊属于固相连接，它与熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化，采用比母材熔化温度低的钎料，加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散，以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接。利用高能激光束加热并熔化钎料填充焊缝并通过熔融钎料的润湿作用连接母材形成永久连接效果16。如图2-1。图2-1 激光钎焊工艺示意图2.1.2 Nd:YAG激光器目前用于产生激光束的设备主要有CO2激光器和Nd:YAG激光器。其中Nd:YAG激光器激光波长为1.06m比CO2激光器激光波长小一个数量级，使得它的激光束能量更好地被金属材料吸收并转化为焊接热能，焊接效率更高；同时，也因Nd:YAG激光器激光波长较短，激光束自发生器输出后可用石英光纤进行传输，可在生产线上利用机器人或者数控加工系统进行几乎任意空间轨迹的焊接运动。因而，Nd:YAG激光器激光被很好地应用在汽车车身焊接中。2. 2激光钎焊技术的优缺点2.2.1激光钎焊的优点采用激光钎焊技术，焊缝形状不像电阻点焊那样必须采用搭接形式。对于设计而言，可以采用更加合理、更加优化的车身设计。可进行连续的线状焊接，提高车身强度和刚度。热源不与工件接触，灵活性高。能够达到常规焊接难以达到的焊接位置（如：车身结构中某些空间较小，电阻点焊的电极不能或难以达到的位置，也不存在电阻点焊的电极因氧化或磨损而影响焊接质量的问题）。焊缝窄，热量对工件影响小，热影响区小，工件变形小。焊接速度快，生产效率高，激光钎焊与点焊的生产工时比为1：2至1：3，甚至可以高效地焊接异种金属。传统的电阻点焊是将两个电极夹持在工件的凸缘上进行焊接，为了保证焊接质量，对凸缘的宽度与厚度有一定要求：凸缘的存在仅仅是为是连接的需要，激光焊接由于能量集中，焊缝窄，因此可以大大减小凸缘宽度，减少钢材便用，降低车身自重。2.2.1激光钎焊的缺点当然，激光钎焊作为高端焊接技术，也有一定局限性。要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，不能动态填充金属钎料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资相对较大。激光焊接技术复杂，技术难度大，涉及光学、焊接学、自动化系统工程，技术难度大，焊接系统调试复杂。激光危险，防护等级高。系统设备需要专业维护，核心设备故障停机或损坏后，修复难度大(如激光头、激光源)，且激光焊接系统占地面积较大。2. 3激光钎焊系统构成2.3.1通用激光钎焊系统为了确保本文研究成果建立在工艺现实基础上，现将激光焊接设备及工艺作一个分析。如图2-2。图2-2 激光钎焊系统构成115激光发生器。产生激光后耦合并输出成一定功率及波长的激光光束。光纤。传输激光器发出的激光束到激光焊接头。焊接头。传输激光经过光头校准处理后，可以变成具备一定加工性能的能量光束。机器人系统。焊接轨迹行走，根据零件外形调用焊接参数。独立焊接工作间。大功率激光器的激光光束能量巨大，可伤人，所以焊接须在封闭空间内进行。自动化控制电柜。控制机器人、激光焊接头、激光器、送丝机和自动化焊接夹具。工装夹具。保证零件装配尺寸、焊缝位置精度。抽风系统。排除产生的烟雾及有害气体。2.3.1某某汽车激光钎焊设备在激光器内，作为激发装置的弧形灯发出的光经聚光器汇聚，集中照射在激光工作物质Nd:YAG棒上，按照受激辐射原理，Nd:YAG棒发射光线，光线在谐振腔中振荡放大后形成激光束。弧形灯的功率决定了激光功率。激光通过光学结构被输入到一条或多条光缆中。光学结构内含有分岔器、闭锁装置、分配器及耦合器，目前它最多可能给6根激光光缆同时或替换性地输入激光。激光光缆的终端与聚焦镜组相连。聚焦镜组将激光聚焦至工件的表面进行焊接。激光钎焊多用于车顶与后盖等位置，某某汽车有限公司采用的钎料为CuSi3，该工艺除了拥有激光焊接的共同优点外，由于焊缝成形美观，可以直接用于车顶等车身可视部位，在实现密封与连接功能的同时，省去了车身外观的装饰条，降低了相应制造成本。2.4激光钎焊的冶金过程、润湿作用和毛细作用2.4.1冶金过程它的基本物理冶金过程是：聚焦光束首先对焊丝加热使其充分熔化形成高温金属熔体，工件的加热是通过部分光能的辐射和焊丝熔体的热传导过程实现的。钎料熔体在合适的激光加热条件下，与母材形成良好的冶金结合，在界面层中主要生成均匀的固溶体和共晶组织。母材钢板的连接是通过钎焊层实现的，而母材本身不应被激光熔化而产生对钎焊层的熔蚀损伤34。要采用激光钎焊，工件之间的配合精度是十分重要的。由于焊接能量集中，焊缝狭窄，较大的配合公差是无法满足工艺要求的。2.4.2润湿作用当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体表面，发生润湿作用6。衡量液体与固体润湿能力的大小，可用液相与固相接触时的接触夹角q来表示。如图2-3：图2-3 润湿作用示意按照力学方法分析，O点处三相交点处的力学应该满足矢量平衡： SG=SL+LGcos 6 （2-1）上式被称为Young 方程。根据q角度的大小，润湿可以分为三种形式，即浸湿、沾湿和铺展：浸湿：q90°；沾湿：q180°；铺展：q=0°或不存在。然而，在实际生产中，要求润湿类型为浸湿。习惯上，人为对润湿做了如下界定：q>90°时为不润湿，q<90°时为润湿。影响钎料润湿作用的因素有：1、钎料和母材的成份。当液态钎料与母材发生化学反应并相互溶解，润湿效果就好；反之则不好。2、钎料温度。钎料要达到很好的润湿，温度不能太高也不能太低，温度太高，钎料易发生流散、溶蚀和晶粒粗大从而润湿效果差；温度太低，钎料熔化不充分，流动受限，润湿也不充分。3、表面氧化物。氧化物一般在母材表面会形成保护层，影响润湿效果。4、母材表面状态。母材表面平整度也是影响钎料润湿的关键因素，表面平整，钎料沾附性差，润湿效果差。5、钎剂。承载钎料的钎剂成份，会对润湿造成较大影响，针对不同母材应选择相应的钎剂才能充份润湿。2.4.3毛细作用毛细现象：把几根内径不同的细玻璃管插入水中,可以看到,管内的水面比容器里的水面高，管子的内径越小,里面的水面越高。把这些细玻璃管插入水银中,发生的现象正好相反,管子里的水银面比容器里的水银面低，管子的内径越小,里面的水银面越低。这便是毛细现象的直观表现。毛细作用是表面张力在狭窄间隙通道中的表现形式，毛细作用是以润湿作用为前提的。对于激光钎焊来说，钎料进入焊缝间隙后，钎液与母材发生润湿作用，部分钎液进入到母材表面的微观间隙内并进一步发生润湿作用。随着润湿的进行，钎液填满微观间隙，这个钎料填满间隙的过程就是激光钎焊过程中的毛细作用。影响钎料毛细作用的因素与润湿作用的因素大致相同，即：钎料和母材的成份、钎焊温度、母材表面氧化物、母材表面粗糙度、钎剂成份、母材微观间隙等。与控制润湿作用一样，通过控制影响毛细作用的各种因素，可以获得很好的毛细效果。 图2-4(a) 底部润湿不充分的激光钎焊焊缝截面照片图2-4(b) 底部润湿充分的激光钎焊焊缝截面照片第三章 激光钎焊焊缝质量分析方法31影响激光钎焊工艺的因素图3-1 是影响激光钎焊工艺的因素汇总1、激光设备特有的参数。包括：激光功率、激光功率密度光、聚焦位置、焦点大小、加工速度。2、钎焊丝特有的参数。包括：送丝速度、钎焊丝预热电流、冲角大小、焊丝预应力。3、几何参数。包括：焊接板材间隙、要求的焊缝截面、表面质量。4、其它因素。包括：焊接板材材料、保护气、焊接机器人精度。3.1.1激光设备不同的焊接板材对各种频率激光的热吸收是不一样的。某某汽车有限公司采用Nd:YAG激光发生器，被铁基板材吸收的功率约占设备输出图3-2 不同金属对于不同频率激光的吸收率功率的35%，被玻璃等其它物质吸收的功率可以忽略不计。这就保证了激光输出较小的功率，就能满足焊接需要，而焊接保护装置得到很好保护。因此，要控制激光钎焊质量，首先要保证所使用的焊接设备为Nd:YAG激光发生器而不是CO2激光发生器。3.1.2激光功率焊接时的热平衡方程1 QQ焊Q损 （3-1）式中 Q焊为形成焊缝的热量，Q损为损失的热量。焊接时所有的热量来自激光，激光输出热量 QP光·t （3-2）焊接需要的热量 Q焊C丝·m丝· T （3-3） 式中 C丝为焊丝的比热容(可以查阅资料得到)；m丝为单位时间需要熔化的焊丝质量； TT丝T常 （3-4）T丝为焊丝的熔化温度，T常为焊接时的常温温度。由此可以得出适当的激光焊接的光学功率 P光C丝·丝·vR·SpK焊 （3-5）式中 K焊为焊接时光能被焊丝有效吸收的比率。需要注意的是：在一定的焊接条件下，通过调试才能得出最优焊接功率，它可以保证焊缝内部没有气孔、过烧现象，也不会出现局部母材熔化。稳定的激光功率可以确保焊缝质量一致性高，从而使焊缝周围板材受热一致，形变一致。功率大小也是质量控制一个重要方面。激光功率过大，热量就大，不仅使钎料熔化过快，钎液不连续进入焊缝从而使焊缝不平整，还可能让钎料中部分成份挥发影响焊缝强度，甚至可能导致母材熔化造成严重外观和性能缺陷。图3-3 激光功率过大时的焊缝缺陷激光功率过小，钎料受热不充分，熔化不完全，不能充满母材间隙，也不能完成润湿过程。这样一来，焊缝表面将出现严重不平整，强度上也远远达不到，这是绝对不被允许的。在质量控制过程中，设备输出功率偏差不能超过5%。 图3-4 激光功率过小时的焊缝缺陷3.1.3激光功率密度光功率密度是激光钎焊中最关键的参数之一，它表示光斑内单位面积内光能的分布，如图 4 所示。采用较高功率密度，在微秒级时间内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。采用较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。以固体激光器为例，激光功率密度在除焦平面的其他位置光斑处成能量的高斯分布特性，所以在激光钎焊时光斑直径应大于焊丝直径。通常功率分布特性与光源属性密切相关。3.1.4聚焦位置激光束从输出设备发出，经聚焦光圈聚焦，将能量集中于一点，照射到钎料上。能量集中点与钎料接触的位置就是聚焦位置。聚焦位置反映在钎焊丝熔化的初始位置上，一般要求聚焦位置和钎焊丝中心重合，以便钎焊丝熔化均匀且彻底。3.1.5焦点大小焦点大小直接影响焊料熔化后的铺展过程，根据焊缝接头形式，判断钎料熔化后的表面宽度，确保所有熔化钎料都在激光束照射之下，从而形成良好的焊缝表面。某某最常用的钎焊丝直径为1.6mm，规定焦点直径大小应为3.2mm。3.1.6加工速度和送丝速度加工速度是指激光焦点与焊缝的相对运行速度1。根据项目需求，获得产品节拍 N 辆h，确定单件产品生产时间 tt60N （3-6）除去生产辅助时间及等待时间tw，得到焊接时间 ttttw （3-7）焊缝长度 L；机器人行走速度 vRL(tttw) （3-8） 送丝速度是指送丝机提供钎焊丝的速度，边界条件需要先确认焊丝直径，焊缝宽度会影响焊丝直径的选择，熔化的焊丝来自送丝机单位时间的送丝量，由此得出焊接时焊丝理论送丝速度vd4V丝(···t) （3-9）表3-1 激光功率、焊接速度和送丝速度三者的匹配1注意：实际焊接速度需根据实际轨迹和焊接质量来调整并达到最优化。焊接速度和送丝速度必须保持一致，这样才能保证必要而均衡的钎料量。焊接运行的速度越快，钎料冷却的速度也越快，一些气体和和杂质还来不及排出焊缝，造成焊缝内部缺陷。焊接热气流也可能导致焊缝不光洁，也即焊接质量对外界的敏感度也越大，焊接质量不易控制。焊接速度越慢，焊缝形成越充分，产生气孔的几率越低，焊缝表面越光滑，焊缝质量越好。在生产过程中，为了提高生产节拍，往往在允许的范围内将焊接速度提高，焊接速度选取范围为100-260 cm/min。在质量控制过程中，焊接速度视钎料直径而定，上偏差一般不得超过5%。3.1.7钎焊丝预热电流一般根据填充焊丝是否需要加热电流，可以把激光钎焊分为冷丝焊和热丝焊。在焊丝与部件的过渡处会产生一个接触电阻，通以电流，可起到加热焊丝和局部母材的作用，改善金属的光能吸收效率。3.1.8冲角大小冲角大小表现为激光钎焊焊枪枪头角度或者说激光束照射角度，与MIG钎焊相似，激光束照射角度很大程度上影响到焊缝质量5。当激光垂直照射焊缝表面时，由于离焦量很小，也即是说焦点直径较 图3-6钎焊枪入料方向和焊缝方向平行时的焊缝小，母材受热集中而热影响区过小，钎料温度和母材温度差异过大，使钎料不能很好的润湿和铺展，从而形成图3-6式的不平整不充分润湿焊缝。 当激光成一定角度照射到焊缝，同样的离焦量形成了更大的光斑，焊缝与母材有较宽区间形成必要的温度梯度，润湿效果更好，钎料也能相对的受热时间更长一些，铺展得更平整一些。于是形成图3-7那样较为完好的焊缝。 图3-7钎焊枪入料方向和焊缝方向倾斜时的焊缝3.1.9焊丝预应力钎焊丝与激光束的交点距焊缝处的垂直高度影响液体钎料的润湿及向固体母材金属扩散。距离过高，不利于钎焊丝的润湿及在焊缝中铺展，同时通过钎焊丝与板件作用力的调整，可以消除板件局部偏差引起的质量问题。通过现场的验证，一般情况下，在焊丝与板件接触时将钎焊丝下压0-1 mm为最佳，其焊缝成型美观，同时可以弥补焊丝位置发生的微偏差。钎焊丝与焊缝的角度、钎焊丝距焊缝的垂直高度要根据板件的形状设定具体的参数，这样有利于焊缝成型及减少缺陷。机器人示教中要保证整个焊接过程激光聚焦器、钎焊丝导嘴不能与板件干涉，合适的示教位置可以消除部分焊接缺陷。3.1.10焊接板材间隙 焊接板材间隙即两边母材接合处的间隙。这个宽度是由产品工程部根据车身结构强度计算得出，根据这个计算宽度再来为之匹配相应钎料直径。根据资料，该间隙宽度纸约为0.25mm。在生产过程中，考虑到材料配合误差，该间隙宽度范围是：0.1-0.4mm。板材间隙过小，钎料无法充分润湿，且会形成高出车身材料的焊缝；板材间隙过大，钎料逃逸，形成假焊。3.1.11表面质量对于激光钎焊，母材表面质量显得特别重要。因为激光钎焊所涉及到的工位，都是影响外观的，表面质量的好坏，直接导致美观程度。对于车身焊接，母材都是镀锌钢板，镀锌层的均匀程度，板材表面的清洁度，是表面质量的主要因素。在激光钎焊过程中，焊缝周围镀锌层受到激光束辐射及熔融钎料的热传导，都会挥发出锌蒸汽，锌蒸汽混入钎料中填充焊缝，并逐渐溢出焊缝。如果锌层不均匀，则局部区域的锌蒸汽就会过多而在溢出之后在焊缝表面留下较大的气孔；也可能是锌蒸汽冷却为锌粉颗粒残留于焊缝表面导致焊缝不平整。母材表面不清洁，如果是油污，那么钎料将油污加热后油污燃烧爆炸产生火花飞溅影响入料量和焊缝表面质量，也可能在油污溢出过程中留下气孔或针眼；如果是杂质，杂质就会混入焊缝中影响强度，同时杂质可能参与冶金反应，使钎料成份、冶金过程和冷却时间等不受控制。3.1.12焊接板材材料 车身激光钎焊涉及到的板材材料为低碳非合金镀锌钢板，厚度一般为0.8mm。低碳钢的成型性能良好，焊接工艺性也满足要求。为是提高车身的防腐蚀性能，某某汽车有限公司在车身外覆盖件上加上电镀锌层，内表面和其它部位加上热镀锌层，这样车身防腐蚀时间能达到11年之久。图3-8激光钎焊工艺相关材料的熔沸点13.1.13保护气某某汽车有限公司所使用的激光钎焊保护气体为Ar气。激光钎焊发应温度为1000度左右，在此温度下，空气中的氧气和水份已经可以参与冶金反应，比如氧气的锌发生反应生成ZnO俗称锌白混入焊缝降低焊缝质量，因而必须使用惰性气体保护。保护气体形成一定压力时还可以带走冶金反应产生的其它气体或小颗粒杂质，很好地清洁焊缝。实际生产中，气压大小范围是：0.17MP-0.20MP。3.1.14焊接机器人精度焊接机器人的精度主要是指焊接机械系统与设定运行参数的符合程度。焊接系统运行时间一长，由于机械磨损或材料形变等，系统精度会下降，导致焊接运行轨迹偏差。因此，保证机器人精度是获得合格焊缝的首要条件。3.2晶相分析法和强度分析法激光钎焊焊缝质量分析的主要方法是晶相分析和连接强度分析。3.2.1晶相分析法用于车身激光钎焊焊缝晶相分析的主要方式是宏观晶相分析，对试样截面进行观察时放大的倍数一般不超过100倍。此过程以测量焊缝的主要尺寸，分析宏观缺陷为主要内容。整个分析过程包括取样、制备、分析和评估四个步骤。试样焊缝直接取自白车身，采用等离子切割或机械切割的方式获取。3.2.2强度分析法相比较于晶相分析，实际生产中更常用的是连接强度分析。因为通过测定焊缝的连接强度，可以更为简单快速的评估车身焊缝质量。强度分析的实现主要有两种方法：生产现场的凿测试验和实验室的拉伸试验。凿测试验一般采用一定规格的凿子对焊缝进行破坏性检验，依照经验和断口状态来判断焊缝是否合格，同时也检验一定时期内的焊缝质量稳定性。拉伸试验在拉伸实验室完成，要求记录焊缝在拉伸过程中的变化，和产生屈服直至断裂时的强度值12。强度分析中最常用的是拉伸试验：图3-9位伸试验取样标准通过在钎料连接处进行拉伸试验可以检验焊缝强度。试样的破坏应当发生在基体材料上，如果破坏处位于焊缝则需要达到最低抗拉强度。对于非合金或者低合金车身板材焊接来讲，拉伸试样的最小抗拉强度为RRm*70%（Rm为钎料中基体材料的最低强度）。比如，某某使用的基本材料为CuSi3的钎料强度为330-370MP，因而如果断裂发生在焊缝，则焊缝断裂强度应为R=70%*330MP=231MP。实验材料：试样宽度b=（45+-2）mm； 试样长度I65mm；留出的平紧长度L95mm；所有切割边去毛刺处理。实验设备： 图3-10 自动拉伸机实验结果：断裂位置发生在焊缝，屈服强度为295MP，断裂强度为312MP。本次试验结果显示该焊缝满足焊缝强度要求。图3-11位伸试验试样受力断裂曲线第四章 激光钎焊焊缝缺陷分析及解决方案4.1合格的激光钎焊的判断方法合格的激光钎焊焊缝，焊缝必须表面清洁，润湿充分，无气孔无裂纹无夹杂。对于板厚为0.8mm母材，钎料形状及尺寸大致有三个指标16，如图4-1：图4-1板厚为0.8mm时的焊缝截面形状及尺寸要求合格激光钎焊焊缝外观，钎料必须分布均匀，无过烧留下的黑斑及锌层氧化产生的白斑。如图4-2：图4-2合格激光钎焊焊缝外观照片合格激光钎焊焊缝截面照片，形状必须满足尺寸要求。如图4-3：图4-3合格的激光钎焊焊缝截面图及照片合格激光钎焊焊缝晶相照片，必须能明显看到钎料与母材的接合过渡区间，以确保润湿和毛细作用发挥作用。且成份均匀，晶粒大小适中，无微观气孔或裂纹等缺陷。如图4-4：图4-4合格激光钎焊焊缝晶相照片根据某某汽车有限公司长期以来积累的资料，激光钎焊技术在车4.2常见缺陷及解决方案的提出 激光钎焊焊接车身经常出现气孔、夹杂、SN不合格、表面波浪不平整、单边未焊接、未焊接、焊缝稀薄、起始或收尾处过渡不好等等缺陷。下面对各种缺陷逐一进行分析。4.2.1焊缝内部气孔夹杂焊缝内部气孔或夹杂即气孔或夹杂的位置处于肉眼不可见的焊缝内部，通过凿测或断面试验发现。这类气孔或夹杂在日常车身焊缝质量检验中不能被检出。这类缺陷主要产生于如下：图4-5激光钎焊焊缝内部存在气孔照片焊接速度过快，导致焊接母材表面的油污或杂质未来得及排出焊缝。焊接钎料本身不清洁或成份发生细微变化使杂质卷入焊缝形成夹杂。焊接温度过高导致冶金产生气体或焊缝保护气体溶解于熔融钎料未来得及排出，在焊缝冷却过程中慢慢析出形成气孔。母材接合尺寸精度在该位置发生变化，在钎料不足的情况下焊缝表面有张力并急速冷却使内部空洞未来得及补充而形成气孔。挥发出来的锌蒸汽凝结于钎料棒上随着焊接进行而不断运动和积累，到一定程度后脱落形成锌粉夹杂。因为钎焊缝一般都很长，强度远远高于车身整体焊接强度，所以不大的气孔和夹杂是可以允许的。在工艺要求上，如上图当：气孔或夹杂的截面积/焊缝截面积S10%，且气孔或夹杂本身的直径1mm是被工艺允许的。当超出这个范围时，应当找出解决方案。对应于缺陷产生的原因，解决方案为： 调节机器人工艺参数，如焊接温度、焊接速度、焊丝入料角度等，确保其始终处在合适的范围内。在焊接前应用洒精等有机溶剂配合机械方法清除母材相应区域表面油污及杂质。检查夹具精度，确保母材间隙始终处于0.1-0.4mm范围内且不能有较大尺寸突变。4.2.2焊缝外部气孔及针眼图4-6激光钎焊焊缝表面出现气孔及针眼照片 原因大体相同。之所以单列出来是因为外部气孔将影响车身外观且防腐蚀性能下降，贯通式气孔即针眼还会影响车体密封性能，属严重缺陷。表面气孔产生原因主要为：在焊接速度过快的情况下，母材表面油污燃烧爆炸飞溅冲破焊缝表面，焊缝冷却过程中未来得及补充气孔。钎焊丝本身成份不均匀，冶金反应产生气体在排出的过程中焊缝冷却留下气孔。焊接温度过高，冶金反应气体或保护气体溶解于焊缝，焊缝冷却过程中气体排出时留下针眼型气孔。母材接合尺寸精度在该处发生变化，钎焊料在流动过程中受热气流冲击形成气孔。焊缝残留杂质在焊缝冷却后脱落形成气孔。焊缝表面气孔会严重影响外观和防腐蚀性能，形状不好的气孔还会出现应力集中，时间一长可能会衍化为裂纹影响强度和密封性。因此，要完全且严格地杜绝该类缺陷的产生。对应其产生原因，解决方案同内部气孔一样： 调节机器人工艺参数，如焊接温度、焊接速度、焊丝入料角度等，确保其始终处在合适的范围内。在焊接前应用洒精等有机溶剂配合机械方法清除母材相应区域表面油污及杂质。检查夹具精度，确保母材间隙始终处于0.1-0.4mm范围内且不能有较大尺寸突变。对于已产生的表面气孔，应当完整修复。常用的方法为，用MIG钎焊手工补孔，然后用磨石打磨光洁。对于细小到不能使用MIG钎焊手工补充的针眼，应注入石蜡等物质确保其