车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准

车身激光焊接接头设计型式与质量评价标准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 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 关键词 车身 激光焊接 接头型式 质量评价标准 中图分类号 中图分类号 TG453 文献标识码文献标识码 A 0 前言前言 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 Audi C6 Golf A6 宝来 速腾 迈腾 Model X 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 表表 1 一汽大众车型激光焊接部位数据统计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 CADDYBORA A5BORA A4GOLF A4AUDI C5AUDI C6AUDI B6 顶盖设备VVVVVV 前端VV 白车身V 密封槽 侧围Vnote 侧围V 车门V 后盖VV 221111 应用工位 主焊 合计 27台 1 表示HL4006D 表示HL3006D a b c 图图 3 3 激光焊 激光焊 MIGMIG 激光复合焊接及激光复合焊接及 MIGMIG 焊焊 接头成形比较接头成形比较 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 1 激光焊原理与设备激光焊原理与设备 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 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 L 3201 LR 1468 mm R 3201 LR 1468 mm L 3267 LR 20 mm L 3151 LR 25 mm L 3003 LR 17mm R 3267 LR 20 mm L 3001 LR 20 mm R 3151 LR 25 mm R 3002 LR 17 mm R 3003 LR 17mm L 3051 20 mm L 3052 LR 15 mm R 3052 LR 15 mm L 3271 LR 15 mm L 3268 LR 50 mm R 3271 LR 15 mmR 3268 LR 50 mm L 3002 LR 17 mm 图图 1 迈腾车身俯视激光焊缝迈腾车身俯视激光焊缝 图图 2 激光熔焊原理激光熔焊原理 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 表表 2 汽车车身激光焊焊缝常见接头型式与设计原则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 t10 3t2 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 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 3 激光焊接接头质量评价标准激光焊接接头质量评价标准 3 13 1 汽车车身激光焊接头内部常见质量评价标准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 表表 3 汽车车身激光焊焊缝内部常见缺陷与质量评价标准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SN0 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 23 2 汽车车身激光焊接头外表面常见质量评价标准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 表表 4 4 汽车车身激光焊焊缝外部常见缺陷与质量评价标准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 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 b 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