當(dāng)前，盡管激光焊接已經(jīng)深入汽車制造領(lǐng)域，比如在車身、車門、副車架、電機殼體、動力電池模組和電池包上都有應(yīng)用，但焊縫質(zhì)量一直是實際應(yīng)用中的難點。如何保證激光焊縫質(zhì)量，就需要根據(jù)激光焊接的關(guān)鍵特性，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、工藝規(guī)劃、裝備設(shè)計及檢測過程，進(jìn)行全過程管控。在本文中，筆者將以車身頂蓋與側(cè)圍機器人激光填絲焊接為例，總結(jié)了從設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)試、測量、統(tǒng)計和批量生產(chǎn)階段的全過程系統(tǒng)解決方案。
焊接工藝問題的提出
國產(chǎn)汽車上很少有激光焊接的應(yīng)用，究其原因是汽車工程師對薄板件激光焊接沒有正確理解，設(shè)計的關(guān)鍵特性無法滿足工藝要求，并且在沖壓工序、焊接工序、關(guān)鍵型面檢測等環(huán)節(jié)上都缺乏有針對性的控制。比如當(dāng)焊接裝配車身骨架時，側(cè)圍焊接總成與頂蓋總成的匹配間隙無法保證，造成燒穿、漏焊等重大缺陷，此時由于缺乏有效對策，焊縫質(zhì)量不能滿足整車強度、密封淋雨的要求，屬于嚴(yán)重質(zhì)量缺陷。
圖 1：汽車產(chǎn)品項目開發(fā)流程圖及應(yīng)用工具
對此，筆者總結(jié)了目前車身激光焊接存在的問題，提出了車身機器人激光焊接全過程及系統(tǒng)性的解決方案，通過幾何尺寸公差（GeometricDimensioningandTolerancing）規(guī)范產(chǎn)品技術(shù)文件，明確關(guān)鍵特性要求，并將關(guān)鍵特性要求準(zhǔn)確傳遞給產(chǎn)品車身沖壓及焊接工藝工程師、測量工程師，從而規(guī)劃有效的工藝路線和工藝裝備，配置適宜的測量設(shè)備及檢具，確保激光焊接焊縫的質(zhì)量符合工藝要求。
圖 2：頂蓋與側(cè)圍結(jié)構(gòu)圖
汽車產(chǎn)品的開發(fā)過程是一個綜合復(fù)雜的項目，就車身激光焊接而言就涉及到產(chǎn)品、模具、檢具、焊接夾具、測量系統(tǒng)等。IATF16949（原IS0/TF16949）質(zhì)量體系文件，將汽車從項目啟動、開發(fā)設(shè)計、過程規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)試及批量生產(chǎn)、市場反饋及改進(jìn)的五大階段進(jìn)行了定義闡述。
圖 3：側(cè)圍工序圖
先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃（AdvancedProductQualityPlanning）、失效模式及影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis）、測量系統(tǒng)分析（MeasurementSystemsAnalysis）、統(tǒng)計過程控制（StatisticalProcessControl）、生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（ProductionPartApprovalProcess），以此作為汽車產(chǎn)品開發(fā)流程指南。其中先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃作為項目管理（PM）總綱，定義了各階段的具體要求，筆者結(jié)合車身激光焊接的具體案例進(jìn)行分析總結(jié)。
車身激光焊接關(guān)鍵控制點
決定車身激光焊接質(zhì)量的硬性因素包括：在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段是依據(jù)產(chǎn)品功能需求及關(guān)鍵特性，確定頂蓋、側(cè)圍、內(nèi)板及關(guān)鍵的側(cè)圍總成，車身骨架總成的幾何尺寸公差；在產(chǎn)品工藝規(guī)劃階段是規(guī)劃激光焊接設(shè)備、車身鈑金件沖壓模具、檢具及測量設(shè)備；在沖壓工藝分析階段是結(jié)合“幾何尺寸公差”和“參考基準(zhǔn)點系統(tǒng)”（ReferencePointSystem），規(guī)劃側(cè)圍總成、車身骨架總成專用焊接夾具、檢具及測量儀器和設(shè)備。
圖 4：側(cè)圍總成焊接關(guān)鍵工序圖
另外，工程師還需要理解焊接位置的工藝補償，克服沖壓件自身的面輪廓度公差和位置度公差，從而實現(xiàn)模具精度、成本和焊接質(zhì)量之間的最優(yōu)平衡。
幾何尺寸公差在產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用
針對頂蓋、側(cè)圍兩大車身外覆蓋件，關(guān)鍵點是如何在三維或二維數(shù)據(jù)中定義形位公差，通過參考基準(zhǔn)點系統(tǒng)定義合適的產(chǎn)品公差，并統(tǒng)一前后工序的定位基準(zhǔn)。筆者在試驗時，結(jié)合了設(shè)計失效模式及后果分析（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），梳理了關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量特性，并結(jié)合測量系統(tǒng)分析，提出產(chǎn)品試驗驗證及測量檢測要求。其中，最重要的是設(shè)計型面公差，并將其準(zhǔn)確傳遞給工藝和測量工程師。接下來，筆者以側(cè)圍為例說明。
現(xiàn)在有工程師會采用標(biāo)注線性尺寸公差的方式，這樣做無法滿足車身激光焊接的匹配精度要求。對于型面公差要求為±0.5mm，以Y方向坐標(biāo)為例，側(cè)圍Ysb=620±0.5mm、頂蓋Yroof=620±0.5mm，最大間隙誤差Tmax=(YsbmaxYroofmin)=(620.5-519.5)=1mm>0.35mm。因此，激光填絲焊接只會偏向一側(cè)，無法形成完整焊縫，另一側(cè)因為沒有焊絲填充，會形成空腔。最大干涉誤差Tmin=(Ysbmin-Yroofmin)=(519.5-620.5)=-1mm<0.00mm，側(cè)圍與頂蓋在裝配過程就會發(fā)生擠壓干涉，激光光斑有可能直接擊穿頂蓋或側(cè)圍。
理解產(chǎn)品關(guān)鍵特性和工藝過程關(guān)鍵特性
對于車身X、Y、Z坐標(biāo)系，依據(jù)參考基準(zhǔn)點系統(tǒng)側(cè)圍基準(zhǔn)孔是A、B、C，其中基準(zhǔn)孔A是第一基準(zhǔn)，基準(zhǔn)孔B是第二基準(zhǔn)，基準(zhǔn)孔C是第三基準(zhǔn)。在保證前后窗框、前后門框的基礎(chǔ)上，筆者又增加了側(cè)圍與頂蓋搭接面c-d的型面要求，其公差要求也更嚴(yán)格。
圖 5：鋁板模組激光焊接
從產(chǎn)品失效模式和失效分析判定（DesignFailureModeandEffectsAnalysis），±0.5mm的型面公差將無法保證焊縫質(zhì)量，頂蓋與側(cè)圍焊接處會漏水。2004年筆者所在的團(tuán)隊在對后行李箱蓋做激光填絲焊接時，就因為在沒有定義好公差、模具設(shè)計制造、調(diào)試、檢測、測量延續(xù)電阻焊搭接工藝之前就進(jìn)行了產(chǎn)品定義和工藝開發(fā)，最終只能通過TIG焊彌補焊接缺陷。
為了解決這一問題，筆者在后期的工藝開發(fā)過程中結(jié)合傳統(tǒng)尺寸公差，延伸了一個補充定義，型面公差在±0.5mm的基礎(chǔ)上增加了極差R的約束，即當(dāng)公差為±0.5mm時，規(guī)定激光焊接搭接型面的極差控制在0.15mm以內(nèi)。待模具制造完成后，筆者對零件掃描檢查，對型面偏差進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示，例如當(dāng)型面偏差75%的尺寸偏差集中在+0.4mm，那么偏差在-0.5mm，-0.2mm，+0.2mm之類的離散偏差就對模具進(jìn)行修正，通過焊裝夾具的定位調(diào)整進(jìn)行位置度補償，從而保證焊縫質(zhì)量。
如果采用線性尺寸公差控制，雖然型面尺寸公差符合檢具要求，但實際在裝焊匹配時，零部件搭接間隙均勻性和一致性的表現(xiàn)不理想，有些間隙甚至超過2mm。以前激光功率偏小，激光焊絲不超過1mm，經(jīng)常會出現(xiàn)單邊焊不上的嚴(yán)重缺陷。
2010年左右，筆者在進(jìn)行高倍聚光模組高強度鋁板的機器人激光焊接時，根據(jù)尺寸公差要求，考慮了沖壓單件的搭接面的極差控制，使焊接質(zhì)量基本得到保證。
隨著對激光焊接應(yīng)用和研究的深入，我們導(dǎo)入了先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃和幾何尺寸公差規(guī)范，優(yōu)化了項目開發(fā)流程，將產(chǎn)品、工藝、裝備、設(shè)備、質(zhì)量和測量工程師組成了緊密的合作團(tuán)隊。對于產(chǎn)品公差，筆者通過幾何尺寸公差進(jìn)行了準(zhǔn)確定義，根據(jù)產(chǎn)品關(guān)鍵特性要求制定沖壓檢測、焊裝總成、焊裝匹配檢測的規(guī)范，在車身骨架裝配焊接匹配、檢測上引入面輪廓度復(fù)合公差。這樣一來，產(chǎn)品要求、制造工藝、測量方法和技術(shù)就建立在統(tǒng)一的基準(zhǔn)之上。
激光焊接存在的問題
激光填絲時的激光光斑為0.5mm，熱影響區(qū)小，易于控制焊接變形，焊接效率高，特別適合頂蓋和側(cè)圍焊接。但目前模具、夾具、檢具及測量方法缺乏全過程的系統(tǒng)性解決方案，主要問題有產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與模具設(shè)計規(guī)范、制造及調(diào)試精度不匹配；模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、補償與檢具設(shè)計及測量關(guān)鍵型面不匹配；測量技術(shù)及設(shè)備沒經(jīng)過全面測量系統(tǒng)分析；模具、檢具、夾具設(shè)計、制造和匹配調(diào)試過程中，參考基準(zhǔn)點系統(tǒng)缺乏延續(xù)和繼承，局部基準(zhǔn)和系統(tǒng)基準(zhǔn)的包容、約束、邏輯關(guān)系及累計補償關(guān)系缺乏理解；在后期調(diào)試中，沒有充分利用測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計分分析。
導(dǎo)入先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃等五大工具
無論是模組、后行李箱蓋、車門飛行焊接，還是車身激光填絲焊接，一直是困擾自主車企焊接的難題。2015年底，筆者所在的車企開發(fā)了一款車型，并決定車身頂蓋與側(cè)圍采用激光填絲焊接。為此筆者成立了一個攻關(guān)小組，根據(jù)先期產(chǎn)品質(zhì)量策劃要求，運用幾何尺寸公差、車身尺寸工程、產(chǎn)品失效模式和失效分析判、潛在失效模式及影響分析（PotentialFailureModeandEffectsAnalysis）、測量系統(tǒng)分析、統(tǒng)計過程控制等工具，就產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、模具工藝構(gòu)件圖及計算機輔助工程分析（ComputerAidedEngineering），利用測量系統(tǒng)分析現(xiàn)有的檢具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)能否滿足幾何公差要求，測量設(shè)備能否實現(xiàn)“0.01級別”的測量要求。
在試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)時，關(guān)鍵點是如何利用“統(tǒng)計過程控制”工具，搭接間隙位置度和面輪廓度的一致性和穩(wěn)定性。在2017年底推出的一款SUV車型上，筆者所在的技術(shù)團(tuán)隊對每個環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效控制和測量驗證，經(jīng)過對20輛車身的焊接調(diào)試，成功地焊接出完美的激光焊縫。
為了確保焊縫質(zhì)量，就需要基于產(chǎn)品關(guān)鍵特性，保證頂蓋與側(cè)圍搭接面（長度2200mm）輪廓度之間匹配間隙（0.1mm-0.35mm）的要求。筆者所在的團(tuán)隊研究編制了側(cè)圍、側(cè)圍總成及車身骨架總成失效模式及影響分析文件，作為模具設(shè)計、檢具設(shè)計、夾具設(shè)計、測量儀器配置的指導(dǎo)性文件。
接下來，筆者結(jié)合潛在失效模式及影響分析、測量系統(tǒng)分析和統(tǒng)計過程控制，說明事先進(jìn)行沖壓工序分析對焊接工藝有著重要作用。潛在失效模式及影響分析結(jié)果顯示，側(cè)圍型面變形導(dǎo)致側(cè)圍與頂蓋焊接時超差，焊縫不連續(xù)和漏水。
接下來進(jìn)行的是測量系統(tǒng)分析，掃描結(jié)果顯示仿形高強度鋁合金測量塊可移動；用0.01mm塞尺進(jìn)行常規(guī)檢查；在調(diào)試階段移動全型測量塊，在檢具上將零件壓緊，用三維掃描設(shè)備進(jìn)行掃描。
最后進(jìn)行的是測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，統(tǒng)計圖表是把收集的制程巡檢數(shù)據(jù)依據(jù)統(tǒng)計學(xué)公式計算控制上、中、下線控制圖表，然后再把巡檢收集來的制程巡檢數(shù)據(jù)，描點在控制圖表上確認(rèn)在工藝合格的區(qū)間內(nèi)。
基于統(tǒng)計學(xué)的概念得出產(chǎn)品性能指數(shù)（PPK）和工序能力指數(shù)（CPK），之后在批量生產(chǎn)中綜合“人、機、料、法、環(huán)、測”等主因素的數(shù)據(jù)，用來指導(dǎo)后續(xù)的調(diào)整和改進(jìn)工作。
激光焊接設(shè)備及參數(shù)分析
車身激光填絲焊接，利用激光光束作為熱源，聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面上，焊絲在光束能量持續(xù)加熱下融化形成高溫液態(tài)金屬，液態(tài)金屬浸潤到零件表面連接處，形成良好的冶金結(jié)合。需要注意的是，激光填絲焊接工件間的連接是通過釬料融合金屬形成的，母材不應(yīng)該被激光熔化。
經(jīng)過研究，筆者發(fā)現(xiàn)提升機器人激光焊接質(zhì)量的條件有：夾具定位滿足焊縫的重復(fù)精度在±0.35mm，夾具夾緊后的間隙需穩(wěn)定并小于0.35mm，送絲速度誤差需要穩(wěn)定在±0.3m/min，機器人激光焊接軌跡的重復(fù)精度在0.1mm。
頂蓋焊縫效果確認(rèn)及在線實時監(jiān)測
頂蓋激光焊接質(zhì)量，在保證搭接面間隙小于0.35mm的前提下，基本保證激光焊接質(zhì)量，若搭接處縫隙有稍微偏移，也可通過系統(tǒng)糾正焊縫軌跡，從而保證焊接質(zhì)量。
為預(yù)防批量生產(chǎn)時發(fā)生質(zhì)量問題，激光焊接房應(yīng)配備激光在線實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下幾個作用：實時檢測搭接面間隙，判斷搭接面貼合處的坐標(biāo)位置，實時檢測間隙是否超差，導(dǎo)致焊漏；檢測貼合面與激光焊接軌跡偏移，導(dǎo)致偏焊；檢測送絲系統(tǒng)是否正常送絲，有無卡絲現(xiàn)象。
一旦有異常發(fā)生，實時檢測系統(tǒng)會將異常信息及時反饋給可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）控制系統(tǒng)，停止焊接進(jìn)行糾正。焊接完成后，實時檢測系統(tǒng)可以在20秒內(nèi)完成激光焊縫的外觀質(zhì)量檢查，可以檢查0.2mm左右的微小氣孔、0.2mm左右的細(xì)小裂紋和其他缺陷，確保激光焊縫在經(jīng)過涂裝處理后不存在任何漏水現(xiàn)象。
結(jié)語
目前，激光焊接在汽車制造業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，為了讓激光焊接更好地發(fā)揮作用，應(yīng)當(dāng)對激光焊接有正確認(rèn)識。筆者結(jié)合車身頂蓋焊接、后行李箱蓋焊接、鋁合金副車架焊接、高倍聚光模組焊接的失敗和成功的經(jīng)驗體會，認(rèn)為要想保證激光焊接的質(zhì)量，首先需要保證沖壓件、焊接分總成件及骨架總成件精度，實現(xiàn)激光焊接的高質(zhì)量焊接搭接縫隙。
其中，確保焊縫間隙質(zhì)量則需要有高效的團(tuán)隊協(xié)作，團(tuán)隊中的每個成員需要深刻理解和熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特性、幾何公差、關(guān)鍵工藝過程特性、測量方法和技術(shù)。另外，工程師需要重點關(guān)注模具精度、檢具精度、夾具精度、測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
只有當(dāng)項目管理到位，形位公差合理滿足產(chǎn)品功能要求，設(shè)計、工藝、測量基準(zhǔn)統(tǒng)一傳遞準(zhǔn)確，制造工藝裝備可靠、工藝補償有效，零部件精度符合公差要求，再配合實時在線監(jiān)控，在每一步都做到位的情況下，車身機器人激光焊接焊縫質(zhì)量才能達(dá)到理想效果。
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