车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准.doc
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车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准
一汽大众汽车有限公司规划部韩立军
简介：
激光焊接技术以其较高的能量密度、较快的焊接速度、较高的电弧稳定性和优质的焊缝成型在汽车车身制造过程中得到广泛应用，一汽大众迈腾车身的激光焊缝总长度达42m。
激光焊接技术的使用使车身的前撞、后撞、侧撞都能符合较高的设计要求，但在产品设计过程中，对焊接接头的设计和焊缝质量的评价标准以及焊后焊缝的返修也相应提出更高的要求。
关键词：
车身；激光焊接；接头型式；质量评价标准
中图分类号：
TG453文献标识码：
A
0前言
从20世纪80年代开始，激光技术开始运用于汽车车身制造领域，主要是运用激光焊接车身。
激光焊接设备使用的激光器主要有两大类：
Nd:
YAG固体激光器，主要优点是产生的光束可以通过光纤传送；CO2激光器，可以连续工作并输出很高的功率。
在开发激光焊接新技术方面，激光技术在车身制造过程中经历了不等厚板激光拼接技术、车身激光焊接技术、激光复合焊接技术的发展历程。
与单一的激光熔焊技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点：
高速焊接时电弧焊接的较高的稳定性、更大的熔深、较大缝隙的焊接能力、焊缝的韧性更好、通过焊丝可以调整焊缝组织结构等。
焊缝的设计型式和焊缝标准的评价随着激光焊接技术的发展也不断进行着改变与完善，特别是近些年镀锌板、三层板和超高强钢板的广泛应用，对接头的设计型式提出了更高的要求，焊缝标准的评价也不断细化和优化，这不仅为制造优质的焊接车身提供了保证，也为焊缝的返修提供了理论依据。
目前，一汽大众公司在AudiC6、GolfA6、宝来、速腾、迈腾、ModelX等几乎所有品牌车型的车身制造过程中都不同程度地采用了激光切割、激光熔化焊接、激光复合焊接等先进的制造技术（如表1）。
由于焊接部位不同，焊接接头的型式与评价标准也不尽相同，焊缝存在的焊接缺陷也不同，从而导致焊缝返修标准也存在一定差别。
表1一汽大众车型激光焊接部位数据统计
以一汽大众迈腾车身为例，车身激光焊缝总长度高达42m，焊缝的接头型式涉及顶盖激光钎焊时的对
接接头、前后风窗上沿的搭接I型接头、后流水槽处的搭接角焊缝以及前端的角接角焊缝等诸多形式。
由于焊缝的型式不同，激光焊接时的焊接方法、参数、评价标准和焊后返修的标准均有所不同（如图1）。
L-3201-LR1468mm
R-3201-LR1468mm
L-3267-LR20mm
L-3151-LR
25mm
L-3003-LR
17mm
R-3267-LR20mm
L-3001-LR
20mm
R-3151-LR
25mm
R-3002-LR
17mm
R-3003-LR
17mm
L-3051
20mm
L-3052-LR
15mm
R-3052-LR
15mm
L-3271-LR
15mm
L-3268-LR50mm
R-3271-LR15mm
R-3268-LR50mm
L-3002-LR
17mm
图1迈腾车身俯视激光焊缝
1激光焊原理与设备
图2激光熔焊原理
激光焊采用激光作为焊接热源，机器人作为运动系统。
激光热源的优势在于：
具有极高的加热能力，能把大量的能量集中在很小的焊接点上，所以具有能量密度高、加热集中、焊接速度快、焊接变形小等特点，可实现薄板的快速连接。
abc
图3激光焊、MIG激光复合焊接及MIG焊
接头成形比较
a－激光焊，功率2000W；b－激光复合焊接，功率1500W，
V=5.5m/min；c-MIG焊,V=11m/min
当激光光斑上的功率密度足够大时（大于106W/cm2），金属在激光的照射下迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高至沸点，金属发生气化。
金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池的表面，产生一个附加应力反作用于溶化的金属，使其向下凹陷，在激光斑下产生一个小凸坑。
随着加热过程的进行，激光可以直接射入坑底，形成一个细长的“小孔”。
当金属蒸汽的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续深入。
光斑密度很大时，所产生的小孔将贯穿于整个板厚，形成深穿透焊缝。
金属在小孔前方熔化，绕过小孔流向后方，重新凝固形成焊缝（如图2），所以激光焊缝具有深而窄的特征。
激光复合焊接将两个电弧进行复合，两个电弧相互影响和支持，形成的熔池比激光熔焊要大（如图3），因而搭桥能力更好，允许更大的焊接装配间隙。
同时，激光复合焊接的熔池比MIG焊的要小。
2一汽大众激光焊接接头型式
迈腾长达42m的激光焊缝，保证了其整体尺寸的精确性、车身强度和刚性。
迈腾的激光焊接主要是在车身的顶盖和侧围的连接、底板不等厚板的拼接、车门内板不等厚板的拼接、底板与侧围、后围板、前后风窗口以及门框等连接处。
表2显示了焊装车身激光焊接头的常见型式与基本设计原则，实际应用时应考虑具体的车身设计要求、焊接方法的使用、激光焊机的功率和能量密度以及焊接时的焊接速度等。
常用的激光焊接所连接的焊接材料有冷轧钢板、低于0.02%碳当量的热轧钢板、热镀锌和电镀锌钢
表2汽车车身激光焊焊缝常见接头型式与设计原则
序号
接头型式
图示说明
设计原则
1
激光熔焊搭接角焊缝
1.镀锌板必须考虑装配间隙的设计，一般SP设计间隙范围为0.05～0.2mm。
2.f1≥0.2mm
3.f2≥0.2mm
4.a≤0.7tminmm
2
复合激光焊搭接角焊缝
焊缝厚度a≥0.3mm
3
平行板角焊缝
fL≥tminmm,且SN≥tminmm
4
端部对接I型焊缝
1．对于镀锌钢板而言，锌的挥发容易。
2．有利的热流分布。
3．较高的端面加工精度要求，较好的连续性、端面较窄的匹配间隙。
4．对于匹配的要求较高。
5．S＝t1，t15
搭接接头I型焊缝
1．焊缝相对较少的加工费用
2．较少的装配调整费用
3．由于焊缝没有贯穿截面，强度较低。
4．存在不利的热流。
5．焊点深度控制困难
6．镀锌板必须考虑装配间隙的设计。
7．S2>0.3t2
加工
可焊性
焊接方法
材料
接头设计
焊接稳定性
焊接
性
图4焊接性与影响因素的关系
板，一般要求钢板的材质必须符合相应的技术标准，以实现优质连接。
要实现优质连接主要取决于三个要素：
即设计、加工和材料。
图4给出了焊接的可能性，以及在接头设计和加工制造之间获得优质焊接接头的相互关系。
除了设计的一般性原则外，诸如设计端面的处理、必要的焊前准备、焊接接头属性的描述、焊接工艺、夹紧技术、激光束的可达性、加工精度和焊后返修都起到相应的作用。
激光网
光学网
光电商情网
要获得较好的激光焊缝，必须依据以下原则：
接头是通过焊接区的相互连接而形成，对于每一种接头型式必须考虑工件的设计要求。
焊缝的形式最终取决于焊接端面的设计形式和加工准备的范围和型式。
对于金属涂层钢板的使用，需注意连接区域必须设计排气通道，缝隙的设计一般根据涂层的厚度在0.05～0.2mm之间选择，也可以通过设计一定的板材角度来解决。
另外，工件的夹紧设计和预处理必须确保排气通畅。
3激光焊接接头质量评价标准
3.1汽车车身激光焊接头内部常见质量评价标准
焊接接头的质量缺陷一般分为表面缺陷和焊缝内部缺陷两大类，表面缺陷一般具有可视性，内部缺陷无法目视发现，必须通过相应的技术手段观察和发现，如借助于微观金相分析等手段观察等。
表3显示了汽车车身激光焊焊缝内部常见缺陷及质量评价标准。
表3汽车车身激光焊焊缝内部常见缺陷与质量评价标准
序号
特征
图示说明
评价
1
未实现连接
在接缝板之间没有连接
不允许，必须返修
2
熔合缺陷
母材与焊缝的焊接连接不充分
不允许，必须返修
3
焊缝下陷
焊根向里凹
注：
在动态张力的情况下要注意由较大的h值得出来的切口应力集中效应
允许的范围：
对于整个焊缝长度h1.3<0.25t1,3
不允许的范围：
如果SN<0.75t1,3,那么h1,3>0.25t1,3。
4
在整条单个焊缝上焊缝突起，焊缝根部也突起
h1≤0.2t1
h3≤0.2t3
如果这种情况并不影响其焊缝的功能，那也可以大于。
5
收弧处焊缝凹陷
许可:
d1≤2b
如果对于外表面区或密封性有要求必须返修,除非特殊要求.
6
在连接层面最小的焊缝宽度b1和b2
在各自的接缝层面要达到bmin大于或等于0.8tmin的最小焊缝宽度。
备注：
焊缝宽度在不同的使用场合是不同的，激光焊缝的宽度一般为1.0mm～2.0mm之间。
7
焊缝空洞
缩孔横向切面示意图，一般可以在进行破坏性试验时同时进行。
缩孔和其密度应使用纵向金相切面分析。
对于单个缩孔￠max≤0.5tmin和￠max≤1.0mm；表面缩孔覆盖率≤8%。
焊缝余高、表面收缩等这里未做评价。
3.2汽车车身激光焊接头外表面常见质量评价标准
表4为汽车车身激光焊缝外部常见缺陷及质量评价标准。
表4汽车车身激光焊焊缝外部常见缺陷与质量评价标准
序号
特征
图示说明
评价
1
焊接缺陷：
1.焊缝宽度波动
2.表面气孔
3.焊接飞溅
4.某一区域有缩孔
1.如果出现这些情况，说明过程不稳定。
2.这种焊接缺陷可以通过目视检测出来。
3
b
1.焊缝内部有通孔。
2.上层板上有缩孔。
3.焊缝尾部的缺陷有缺陷。
1．如果d1>2b，并且在每30mm长的焊缝上出现1个以上的缩孔，则需要返修或者延长焊缝。
2．在短于30mm焊缝上的缺陷应≤整个焊缝长度的10%。
3．在可以直接看到的区域里不允许延长焊缝，前提是这一区域不采取其他措施也不会影响其密封性。
如果焊缝质量影响其密封性，则必须返修。
4
焊缝的不连续性
1.可存在偏差许可。
如图所示，间断距离d1和单位长度上定义间断地数量应被给出。
2.一般大于30mm，必须采用MIG或MAG或点焊进行点定，然后采用符合设计要求的胶进行填充。
5
熔化的焊接飞溅
1．焊接飞溅在法兰边上，如果不影响焊缝功能，视为符合设计要求。
2．焊接飞溅在目视区域和腐蚀应力区域里，使它们不影响焊缝功能。
6
焊缝法兰边一侧溶化、烧穿
不允许，必须返修
焊缝在进行返修时需满足如下要求：
注意不要影响总成的功能尺寸的变化和设计要求，返修后能保证车身总成的尺寸稳定性、较好的表面精度和较好的接头抗腐蚀性。
另外，在返修时涂胶区域不允许焊接，以免造成不必要的焊接变形，影响焊接返修接头的质量。
在法兰边较短（小于或等于8mm）时，或者不能钻孔返修的区域，要在搭接口使用贴角焊缝，或者在对接焊缝处用MIG或者等离子钎焊。
所修复的焊缝长度必须至少等于焊缝缺陷位置的长度。
在采取电弧钎焊（MIG,WIG,Plasma）等手段返修时，事先必须分析母材的焊接性，如通过拉延实验分析其屈服强度和断裂强度，通过金相手段分析其焊缝以及焊缝与热影响区的组织与形貌等。
在一些特殊的不可能返修的情况下，如在连接时因热量导致总成变形的车身，根据标准用这种使母材加热的返修办法则是不允许的，必须考虑冷胶胶接的方法或其它冷加工处理方法。
4结论
一汽大众作为国内知名的汽车制造企业，一直以技术领先引导国内汽车制造技术的发展方向，激光焊接及其复合焊接技术的开发与利用，是一汽大众车身制造水平发生质的飞跃的重要标志。
激光熔焊及其复合焊接技术作为目前最为先进的焊接方法之一，实现了较高焊接速度与较好焊接质量的完美结合，缩短了生产时间，并提高了生产效率，使一汽大众的产品更具有较强的信任度和市场竞争力。
随着符合产品设计要求的激光接头设计型式和接头焊接缺陷解决方案的逐步深化与完善，更加确保了一汽大众对这项先进的焊接新技术在一汽大众的广泛应用。
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