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汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 摘要 汽车白车身激光焊接已经成为了近年来推动汽车轻量化技术发展的先进制造 技术之一，在汽车工业中的得到了越来越广泛的应用。激光焊接技术应用于汽车 白车身焊接，特别是对接接头的焊接，大大提高了车身的强度和刚度，增加了车 身的安全性；减少了搭接接头的搭接宽度，节省了材料，有效降低了车身重量， 有利于车身的轻量化。 但是传统的激光对接焊对工件装配间隙要求比较严格，据现有研究成果表明， 其所能允许的最大间隙为工件厚度的1 8 左右，这大大地限制了激光焊接在车身 制造中的应用。而激光填丝焊正好弥补了这一缺陷，通过添加焊丝，一方面可以 降低装配要求，减少焊前的机加工程序；另一方面，可以通过添加焊丝来调节焊 缝冶金成分，以满足使用性能的要求，并可实现某些难以焊接的材料如高强铝合 金的连接。 本文选取某型号汽车前纵梁作为特定研究对象进行了激光填丝焊s y s w e l d 仿真实验及工艺实验，并对三维结构件在填丝焊焊接过程中容易出现的拐角过烧 问题进行了理论分析，并且提出了初步的解决方法。 首先，应用专业焊接仿真软件s y s w e l d 对填丝焊进行了仿真研究，包括模 型建立、网格划分、热源选取及校核、前处理、计算及后处理等程序，得出了在 不同速度、不同功率条件下的温度场和应力场仿真结果，为后续的工艺实验做出 了一定的指导。 其次，从s y s w e l d 仿真结果出发，对于在三维件焊接过程中容易出现的拐 角过烧问题进行了理论研究，选取模型拐角处的四个关键节点进行分析，得出了 解决拐角过烧的初步方案，并通过改变激光入射角进行工艺实验，得出了能够实 现良好焊接的激光入射角范围，对三维结构件的激光焊接有一定的指导作用。 再次，参考仿真结果得出的工艺参数，并利用正交试验进行了前纵梁的激光 填丝焊工艺研究，通过焊缝形貌分析、取样检测硬度、金相实验等，检验了焊接 质量，并通过碰撞实验及与电弧焊焊接的前纵梁进行对比发现，激光填丝焊焊接 的前纵梁更符合设计的预期目标。 关键词：激光填丝焊；汽车前纵梁；拐角过烧；数值仿真 i i a b s t r a c t b o d yi nw h i t el a s e rw e l d i n gh a sb e c o m eo n eo ft h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s i nr e c e n ty e a r st op r o m o t e t h ea u t o m o t i v ew e i g h tl i g h t i n g t h i s t e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y u s e di na u t o m o t i v eb i ww e l d i n g ，e s p e c i a l l yt h eb u t tj o i n t sw e l d i n g ，g r e a t l yi m p r o v e d t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ec a rb o d y ，i n c r e a s e dt h es e c u r i t y o ft h ec a rb o d ya n d r e d u c e dt h e1 a pw i d t ho ft h el a pj o i n t s ，s a v e dm o r em a t e r i a l s ，e f f e c t i v e l yr e d u c e dt h e b o d vw e i g h t i t sv e r yg o o df o rl i g h t w e i g h tt h eb i w 1 nt h el a s e rb u t tw e l d i n g ，t h ea s s e m b l yg a pb e t w e e nt h e w o r k p i e c ei sv e r y s t r i n g e n t ，e x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ea l l o w e d m a x l m u ng a p1 sa b o u t 18 o ft h et h i c k n e s so ft h ew o r k p i e c e s i tg r e a t l y l i m i t st h ea p p l i c a t i o no fl a s e r w e l d i n gi nc a rb o d ym a n u f a c t u r i n g l a s e rw e l d i n g w i t hf i l l i n gw i r ej u s tm a k eu pt h i s s h o r t c o m i n g ，b ya d d i n gt h ew i r e ，o no n eh a n dc a n r e d u c et h ea s s e m b l yr e q u i r e m e n t s ， a n dr e d u c et h em a c h i n i n gp r o g r a m sb e f o r ew e l d i n g ；o n t h eo t h e rh a n d ，c a na d j u s tt h e m e t a l l u r g yc o m p o n e n t so f t h ew e l db ya d d i n gaw i r e t om e e tt h ep e r t o r m a n c e r e q u i r e e m e n t s ，a n d s o m em a t e r i a l sd i f f i c u l t t ob ew e l ds u c ha s h i g hs t 。e n g t h a l u m i n u ma l l o yc a nb ec o n n e c t e d 。 a na u t of r o n tl o n g e r o niss e l e c t e d t ob et h es p e c i a lo b j e c to ft h es t u d y - t h e s i m u l a t i o no ft h el a s e rw e l d i n gw i t hf i l l i n g w i r eo ft h ea u t of r o n t1 0 n g e r o nu s e d s y s w e l dw a sc a r r i e do u t a n dt h et e c h n o l o g ye x p e r i m e n t sw a s a l s oc a r r l e d a n dt h e o v e rb u r n i n ga c c u r e da tt h ec o r n e ro ft h et h r e e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r ei nt h el a s e r w e l d i n 2w a ss t u d i e d ，a n da tt h es a m et i m e ，s o m em e t h o d st oa v o i dt h eo v e r b u r n m g w e r ep u tf o r w a r d a tf i r s t t h es i m u l a t i o no ft h el a s e rw e l d i n gw i t hf i l l i n gw i r eo nt h ea u t of r o n t l o n g e r o nw a sc a r r i e du s i n gt h ep r o f e s s i o n a l s o f t w a r es y s w e l d t h i sw o r ki n c l u d e s m o d e l i n g , m e s h i n g ，s e l e c t i n gt h eh e a ts o u r c ea n d v e r i f i c a t i o n ，p r e p r o c e s s i n g , c a l c u l a t l o n a n dp o s t - p r o c e s s i n gp r o g r a m ，t h e r e s u l t so ft h et e m p e r a t u r ea n d s t r e s si l e l d sa t d i f f e r e n ts p e e d sa n dd i f f e r e n tp o w e r c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h es i m u l a t l o nr e s u l t s c a nm a k eac e r t a i ng u i d a n c ef o rt h es u b s e q u e n tp r o c e s se x p e r i m e n t s n e x t ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ，t h eo v e rb u r n i n g a tt h ec o r n e ro f t h et h r e e d i m e n s i o n a li nt h el a s e rw e l d i n gp r o c e s sw a ss t u d i e d f o u rk e yn o d e so f t h e m o d e la r o u n dt h ec o r n e rw e r es e l e c t e dt oa n a l y z e t h ep r e l i m i n a r yp r o g r a m s t os o l v e i i i t 1 1 eo v e rb u r n i n gw a so b t a i n e d ，a n dt h e e x p e r i m e n tb yc h a n g i n gt h e l a s e ri n c i d e n t a n g l e sw a sc a r r i e d ，t h eg o o dr a n g eo ft h ei n c i d e n ta n g l e sw a s a c h i v e d i tc a nb eag o o d g u i d a n c et ot h el a s e rw e l d i n go nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e a tl a s t ，t h et e c h n o l o g ye x p e r i m e n t so nt h ea u t of r o n tl o n g e r o nw e r ec a r r i e du s i n 2 t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw i t hr e f e r e n c et ot h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h eo r t h o g o n a lt e s t a n dt b ea p p e a r a n c e ，t h eh a r d n e s s ，a n dt h e m e t a l l o g r a p h i co ft h ew e l dw e r et e s t e db v s a m p l n g a n dt h r o u g ht h ec r a s ht e s t ，t h ew e l dq u a l i t yo ft h el a s e rw e l d i n ga n dt h ea r c w e l d i n gw e r ec o m p a r e d a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea u t of r o n tl o n g e r o nw e l d e d b yt h el a s e rw e l d i n gw i t hf i l l i n gw i r ew a sb e t t e rt h a nt h a tw e l d e db vt h ea r c k e yw 。r d s ：l a s e rw e l d i n gw i t h f i l l i n gw i r e ；a u t 。f r o n tl o n g e r o n ；0 v e rb u r n i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 汽车前纵粱激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 插图索引 图1 1 激光加工技术在车身制造中的应用2 图1 2 激光功率密度与不同焊接模式之间的关系3 图1 3 激光焊接在车身中的应用实例一4 图1 4 激光填丝焊示意图一6 图1 5 铝合金激光填丝焊送丝速度与焊接速度的匹配关系7 图1 6 仿真原理图1 0 图1 7 仿真的步骤1 0 图2 1s y s w e l d 结构关系原理图l3 图2 2 焊接过程中各物理现象的相互关系1 4 图2 3s y s w e l d 主要应用1 5 图2 4 前纵梁u g 模型15 图2 5 锥形热源模型图1 6 图2 62 d 网格模型一17 图2 73 d 网格模型一1 7 图2 8 定义材料数据库1 8 图2 9 三维高斯圆锥模型示意图及参数输入1 9 图2 1 0 计算完成后的温度云图1 9 图2 1 1 网格划分2 0 图2 1 2 模型的左半部分c l 2 1 图2 1 3 焊接轨迹及焊接参考线一2 1 图2 1 4 抽取散热函数一2 2 图2 1 5 约束条件及装夹点设置( 卸载前) 2 2 图2 1 6 约束条件及装夹点设置( 卸载后) 一2 3 图2 1 7v i s u a l w e l d 求解2 4 图2 18 不同焊接速度下的熔池温度场云图2 5 图2 1 9 不同激光功率条件下熔池温度场云图2 6 图2 2 0 不同焊接速度下的纵向残余应力分布图2 7 图2 2 1 不同焊接速度下的横向残余应力分布图2 8 图2 2 2 不同焊接速度下的等效残余应力分布图2 8 图2 2 3 残余应力分布图( v = 2 0 m m s ，p = 2 0 0 0 w ) 一2 9 图2 2 4 应力曲线对应节点图( a 为拐角部分；b 为焊缝直线部分) 一3 0 v i i i 硕士学位论文 图2 2 5 拐角部分对应位置的残余应力分布曲线3 1 图2 2 6 不同条件下焊接变形仿真结果3 2 图3 1 拐角示意图3 4 图3 2 过烧示意图3 4 图3 3 三维件拐角示意图( g l 代表第一个拐角) 3 5 图3 4 关键点选取位置图3 5 图3 5g 1 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 6 图3 6g 2 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 6 图3 7 关键点焊接热循环曲线图3 7 图3 8g 1 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 7 图3 9g 2 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 8 图3 1 0 关键点焊接热循环曲线图3 8 图3 1 1g 1 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 9 图3 12g 2 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 3 9 图3 13 关键点焊接热循环曲线图3 9 图3 14g 1 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 4 0 图3 1 5g 2 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 一4 0 图3 16 关键点焊接热循环曲线图4 l 图3 17g 1 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 一4 1 图3 18g 2 处焊缝横截面温度场云图( 右图为局部放大图) 一4 1 图3 19 关键点焊接热循环曲线图4 2 图3 2 0 入射角为0 0 时焊缝正面( 左) 及背面( 右) 形貌4 4 图3 2 1 焊接示意图4 4 图3 2 2 不同入射角的拉伸断裂图4 4 图3 2 3 焊缝各区域金相组织图4 5 图4 1 光纤激光器及其光导和水冷系统4 7 图4 2y w 5 0 焊接头4 8 图4 3 机器人和焊接头连接法兰4 8 图4 4i r b 2 4 0 0 1 6 机器人4 8 图4 5h f 0 6 t 型送丝机4 8 图4 6 送丝装置4 9 图4 7 送丝机控制电路5 0 图4 8 自制前纵梁焊接夹具5 0 图4 9 前纵梁与台车连接图5 3 图4 1 0 焊缝表面形貌图一5 4 i x 汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 图4 11 焊缝表面形貌图( 左图为焊缝正面，右图为焊缝背面) 5 5 图4 1 2 焊缝各区域金相组织图5 6 图4 1 3 焊缝各区域显微硬度平均值图5 7 图4 1 4 从焊缝中心至母材区硬度值变化趋势图5 7 图4 15 碰撞变形后的纵梁( 激光填丝焊) 5 7 图4 1 6 碰撞变形后的纵梁( 电弧焊) 5 8 x 硕i j 学位论文 附表索引 表2 1 热源模型参数表2 0 表2 2 不同激光功率条件下残余应力极值3 0 表3 1 仿真实验参数表3 6 表3 2 焊接参数4 3 表4 1i r b 2 4 0 0 1 6 六轴机器人参数4 8 表4 2 材料化学成分( 质量分数，) 一5 1 表4 3 材料力学性能5 1 表4 4 焊丝化学成分一5 2 表4 5 焊丝机械性能5 2 表4 6 正交实验表5 2 表4 7 最佳工艺参数5 3 硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 汽车工业作为国民经济的支柱产业，在国民经济中占据着重要的地位。汽车 工业的发展，一方面会带动整个制造业水平的提高，同时也将带动机械、电子、 冶金、石化等相关行业的迅速发展。据现有统计表明，2 0 1 1 年我国汽车产销量均 突破18 4 0 万量，超过了美国此前创下的年最高销售1 7 0 0 万辆的记录，使我国成 为世界上最大的汽车消费国。并且伴随着我国经济的高速发展，我国的汽车产销 量必然以较快的速度继续增加。在我国汽车工业高速发展的同时，随着政府对环 保问题的日益重视以及全世界面临的日益严重的能源枯竭等问题，汽车轻量化设 计与制造逐渐被重视。与此同时，人们对于汽车消费品的个性化需求日益增加， 这对汽车生产商提出了更高的要求，各个厂商必须从设计、选材、制造工艺等方 面进行全新的探索，缩短新车型的开发周期，选择更轻量、更环保的材料，采用 更先进的制造工艺以使自己的产品能够适应当今社会发展的潮流。 激光加工技术作为2 0 世纪科学技术发展的一个里程碑标志，从它诞生之日起 便受到了全世界的重点关注。经过全世界激光研究者多年的努力，激光技术已经 成功应用于农业、工业、医学、军事、航空航天等国家重点行业。激光加工具有 适应性强、质量好、效率和精度高、无污染、能实现非接触远距离加工等优点。 激光加工技术是国外激光应用中最大的一个方面，同时也是对于传统制造工艺进 行改进的一个重要手段。主要体现在对各种材料的切割、打孔、焊接、热处理等 方面。近年来，激光微细加工、复合加工、快速成型制造等技术也被成功应用于 工业生产中，带来了很大的社会效益和经济效益。 汽车工业是激光加工技术应用最多的领域之一，主要应用在白车身零部件的 切割焊接以及分总成和总成的装配连接等方面。据统计，至2 0 0 0 年美国三大汽 车公司5 0 的车身部件点焊生产线已被激光焊接生产线所代替。采用激光加工 技术制造车身，可节省约2 3 的新车身开发模具以及约7 0 的夹具，使新车生产 周期缩短5 0 ，车身重量减少2 0 ，制造精度和总体质量显著提高【l ，2 1 。 大功率激光焊接不仅能够使焊接速度提高，而且还能减轻零部件及整车重量。 激光焊接在车身中的应用形式主要分为对接焊、搭接焊以及角接焊三种。激光对 接焊主要被用于如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等的焊接工艺 中。而激光搭接焊主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接【3 】。 采用激光焊接技术，工件连接部分较电阻点焊的搭接面积减小，或者可以没有搭 汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 接，直接采用对接焊方式，这样可以显著降低车身重量。同时由于激光焊的特点， 激光焊接也可以显著提高车身的刚度。目前，激光焊接技术已被各知名汽车厂商 广泛采用，图1 1 为激光焊接在车身各个部位的应用。 图1 1 激光加工技术在车身制造中的应用 传统的激光对接焊对于零部件的装配间隙要求非常高，据现有研究表明，对 接焊所允许的间隙最大值为板厚的1 8 嘣4 1 ，而且不能通过对焊缝成分进行控制来 满足人们特定的需求。这就需要在焊前对待焊件进行机加工等程序，这样不仅要 花费大量的时间，还需要更多的人力与设备。况且对于某些难加工材料如高强铝 合金等，采用传统的扫描加工方式就很难实现焊接【5 ，6 】。这些缺陷很不利于激光焊 接在工业生产中的推广应用。在这种形势下，激光填丝焊被应用于工业生产中， 通过添加焊丝，一方面降低了装配要求，能够适应更大的对接间隙，节省更多的 人力物力；另一方面，可以通过添加不同成分的焊丝，来满足人们的某些特定的 要求，因此激光填丝焊得到了越来越多的应用1 7 】。 对于三维结构件的激光焊接，在拐角处由于热积累等原因导致拐角处会出现 烧穿等问题，本文将之称为“拐角过烧”，关于解决拐角过烧问题的方法学术界还 很少有报道。本文结合“中国高水平汽车自主建设”国家重点课题子项目以及“汽 车白车身切割焊接生产线”8 6 3 重点课题，选择具有代表性的车身安全件一前纵 梁作为研究对象，通过应用s y s w e l d 专用焊接仿真软件进行仿真，后进行大量 的工艺试验，对拐角过烧问题提出了一定的解决方法，对于填丝焊在汽车三维结 构件的焊接工艺中推广起到了一定的作用。 1 2 激光焊接技术及其应用 1 2 1 激光焊接机理 激光焊接是基于光热效应的热加工，实际上是被加工材料对激光能量进行吸 收并转化为热量f i 0 ；0 n i , d _ 程。在不同功率密度的激光束作用下，材料表面会发生 各种不同的变化，包括材料温度的升高、熔化、汽化、形成小孔以及产生光致等 硕士学位论文 离子体等过程。根据激光功率密度的不同，大概可以分为以下几个类型i 引。 当激光功率密度小于1 0 4 w c m 2 时，金属吸收的激光能量引起材料表面温度 的升高，但材料维持固相不变。这种情况下，材料对激光的吸收主要取决于激光 波长和材料的热物理特性等因素，这种情况只用于表面退火及硬化过程。 当激光功率密度达到1 0 5 w c m 2 1 0 6 w c m 2 时，材料表面开始熔化，这种情 况下进行的焊接即为热传导焊。这种焊缝宽而浅，横截面呈半圆形，熔深小，深 宽比一般为l ：2 或者更小。这种功率密度主要用于金属的合金化、熔覆以及表面 重熔等工艺。 当功率密度提高到1 0 6 w c m 2 一- 5 x 1 0 7 w c m 2 时，材料表面发生汽化，形成等 离子体，同时材料在汽化膨胀压力下产生了深熔小孔。小孔的产生有助于材料对 激光能量的吸收，进入小孔的激光经过多次反射后，几乎可以全部被吸收。在这 种情况下进行的激光焊接为深熔焊，与热传导焊接模式相比，深熔焊接深宽比大， 热影响区小，焊件变形小，是实际应用中经常被采用的焊接模式。主要用于激光 切割、焊接及打孔等工艺过程。 当激光功率密度大于1 0 7 w c m 2 以上时，激光辐射使材料剧烈汽化，形成致 密的等离子体云。等离子体云对入射激光产生强烈的屏蔽作用，并最终导致小孔 的崩溃和焊接过程的终止。这种功率密度仅适用于采用脉冲激光进行的冲击硬化 及打孔等过程。 图1 2 定性地反映了不同功率密度条件下，激光与材料相互作用下材料产生 的变化1 9 j 。 加热升溻热传导焊接深熔焊接等离子体的阻隔 1 0 3 w c m 2 功率密度 1 0 8 w c m 2 图1 2 激光功率密度与不同焊接模式之间的关系 1 2 2 激光焊接在车身制造中的应用 从上世纪8 0 年代开始，美国率先将高功率激光器引入汽车制造行业。而最早 将激光焊接技术运用到车身制造上的则是德国大众公司，大众公司从1 9 9 6 年开始 就大规模将激光焊接技术应用到车顶的焊接工艺中。激光焊接设备的初期投资成 本比其他焊接设备要高，但激光焊接与其他焊接方式相比具有很大的优势，它不 但能够显著提高白车身的切割焊接质量，而且对于汽车改型换代速度的提高具有 汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 很大的优势。因此初期投入的成本在3 - - 4 年之内就能很快收回，并且可以创造巨 大的经济效益和社会效益，能够带动整个汽车白车身制造技术的发展【1 0 】。 白车身的激光焊接主要包括零部件的焊接、分总成焊接、总成焊接以及相关 的后续焊接过程，如图1 3 所示。截止1 9 9 7 年，德国大众的三个车型就已经拥有 激光焊接的车顶。g o l f v 系列车型激光焊焊缝长度达到了5 3 4 0m m 、激光钎焊焊 缝长度达到了3 4 0 0m m ；p o l o 系列车型激光焊缝总长度达到了6 5 9 1m m 。在大众 的研发制造中心沃尔夫斯堡工厂里，用于车身焊接的4 k wn d ：y a g 激光器达到 1 5 0 台，拥有2 5 0 个激光焊接头【1 。2 0 世纪9 0 年代，宝马汽车公司开始采用激 光焊接技术制造白车身，宝马5 系列轿车就是用激光焊接完成的，其焊缝总长度 达到了1 2m 。截止到2 0 0 3 年，宝马系列汽车上激光焊缝的累计长度已经达到15 0 万米，宝马公司还建立了五轴数控多功能激光焊接加工中心，可以用于车顶与侧 围的焊接。此外，意大利菲亚特和日本本田、丰田以及日产等大多数汽车公司也 在钢板组件和车身覆盖件的焊接装配中采用了激光焊接工艺。 美国底特律汽车工业中心有4 0 多家激光加工站，用于车身金属件的切割焊 接以及齿轮的焊接，激光加工的普及使汽车的换代时间从以前的5 年缩短到了2 年。通用汽车公司目前已经拥有2 2 条激光加工生产线，福特公司也采用y a g 激 光器配合焊接机器人进行车身的焊接。截止目前，美国前三大汽车公司的车身制 造中电阻点焊生产线已有5 0 被激光焊生产线所取代【l2 1 。 ( a ) 零部件激光焊接( b ) 后备厢激光焊接 ( c ) 侧同和顶棚激光焊接 图1 3 激光焊接在车身中的应用实例 硕士学位论文 从激光加工技术在国内的应用情况来看，大部分国际品牌的国产化车型都已 经应用了激光焊接技术，如：奥迪、迈腾、帕萨特、速腾、途安、波罗、东风标 致、福特福克斯等。一汽大众汽车公司在新一代的产品如g o l f a 4 、g o l f a 6 、b o r a a 4 、s a g i t a r 、c a d d y 、m a g o t a nc c 、a u d i a 4 、a u d ia 6 、m a o g t a n 、a u d ia 6 l 、a u d i q 5 等车型中引进了激光焊接技术。其中速腾、迈腾、奥迪三款车型共采用激光焊 缝数量到达1 6 0 0 余条，累计焊缝长度近7 0 m 。上海大众在众多新的车型上也已 经将激光技术应用于焊接顶盖和侧围，如帕萨特、p o l o 、途安等。其中p o l o 的全 车身激光焊焊缝总长度接近7 m ，顶盖与侧围连接的焊缝长度达到了1 7 m i ，1 4 l ， 成为最长的一条焊缝。同时因为激光焊的使用，使该车外观美观大方，备受年轻 时尚用户的青睐。上海通用公司的新君威、君越等车型也应用了激光焊接技术。 其中新君威的车身，车顶采用激光焊接进行一体式连接，具有更好的刚性和安全 性。同时将焊缝识别、跟踪系统以及实时监测系统集成于激光焊接头上，对激光 焊接过程进行实时监控、调整，有效的提高了激光焊接的质量。激光焊接应用在 车身制造工艺中，不但提高了整车的密封问题，同时还增加了车身的刚度及强度， 能够费者提供了更多的安全保障。 随着激光焊接技术在国外知名汽车公司中的应用日益增多，对于激光焊接技 术的理论和应用研究也随之不断的进行，所获得的成果也不断增多，这对于激光 焊接技术的成熟有非常大的促进作用。再加之激光焊接装备市场的竞争逐渐激烈 化，产品质量提高的同时，产品的价格逐渐下降，这使得汽车生产厂家的初期投 资成本减少，这样就给激光焊接技术的普及应用创造了良好的条件。我国的自主 品牌汽车，如奇瑞、吉利等相继在其开发的新车型制造中采用了激光焊技术。国 内学术科研界针对激光焊接在白车身制造上的应用开展了大量的研究，主要包括 白车身各种材料的激光焊工艺研究以及应用于白车身激光焊接的一体化柔性夹具 的研究等。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室在“汽车白车身切割焊 接生产线”8 6 3 重点项目和“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项的 支持下开展白车身零部件激光切割、焊接工艺以及生产线的研究，在切割焊接工 艺、焊接理论的研究以及生产线的布局研究等方面取得了突破性的成果，并已经 在国内某自主品牌汽车中开始应用。随着理论研究的深入以及相关装备技术的进 步，在国外汽车工业中激光焊接白车身零部件、分总成、总成等工艺都已成为标 准工艺，而我国自主汽车行业在激光焊接方面与国外相比还有一定的差距，这同 时也意味着激光焊接技术在国内汽车工艺中将具有更加广阔的发展前景。 1 3 激光填丝焊概述 激光对接焊相对于传统的焊接方式有很多突出的优点，但是仍存在许多局限 性，例如对待焊件坡口加工精度、装配精度要求高、焊接接头化学成分完全取决 汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 于母材、不能按特定要求调整焊缝化学成份等。同时对于难加工材料如铝合金的 焊接以及异种金属的焊接等问题，传统的对接焊就不能很好的应用【7 】。采用激光 填丝焊则可以克服以上的局限性，可以大大地扩展激光焊接的可能性和应用范围。 通过向焊缝中添加焊丝，聚焦光斑首先对焊丝进行加热并使其熔化铺展，母材部 分通过其余光能的辐射及焊丝熔化的热量来实现熔化从而实现连接。 1 3 1 加工原理 激光填丝焊的加工工艺原理如图1 4 示，填充焊丝由送丝机构送出至聚焦光 斑处，激光大部分照射在焊丝上，其余部分照射到母材。焊丝在激光照射下熔化 后填充至板问的连接间隙，在激光的继续作用下，母材开始熔化并形成小孔。小 孔周围的金属将入射的激光几乎全部吸收。当工件移动时，小孔随着移动，原小孔 处闭合形成焊缝。如果焊接过程中焊丝未能送到激光光轴和焊缝中心的交点，由于 连接间隙过大，激光的大部分能量将从连接间隙中穿过，仅有小部分能量被焊缝侧 壁吸收，这将导致焊接过程中不能形成连续的小孔，不能实现良好的焊接。激光束 与焊丝相互作用的机理比较复杂，部分光束用来熔化焊丝，部分光束被焊丝反射掉， 还有一部分穿透熔融焊丝f ”】。同时在激光填丝焊焊接过程中为了抑制等离子体对 焊接质量的影响，需要对加工部位吹送保护气体，根据需要可以进行侧面、正面 以及背面三个方向的保护。 爨嘴pq 鹈 涮缓t 嬲置粹? 方向 图1 4 激光填丝焊不意图 1 3 2 送丝速度的确定 送丝速度对于填丝焊能否成功起到很大的作用。送丝速度过大，则激光功率 不足以熔化所有焊丝，造成焊丝的堆积；而送丝速度过小，则会造成焊缝的不连 续。因此，确定合适的送丝速度具有重要的意义。送丝速度应该根据对接问隙， 应用焊接过程中物质平衡的原理来确定。因为焊接过程中，送出的焊丝1 0 0 过 度到了焊缝中16 1 ，所以存在如下公式： k b 万2o = 争d2 vr( 1 1 ) 叶 其中：b 为拼缝间隙，m m ； 6 硕士学位论文 6 为工件厚度，m m ； u o 为焊接速度，m m i n ； d 为焊丝直径，r a m ； v f 为送丝速度，m m i n ； k 为成形系数，成形系数由余高的要求确定，约为1 1 1 2 。 在实际的焊接过程中，在知道了板厚、对接间隙、焊接速度等参数后，便可 根据式1 1 来确定合适的送丝速度。 此外，送丝速度与焊接速度之间存在一定的匹配关系，以铝合金激光填丝焊 为例，如图1 5 所示。在图中阴影区内可以得到合格的焊缝，过大或过小的送丝 速度都得不到符合规定的焊缝【17 1 。 送蜓蘧庭t m m - 分 图1 5 铝合金激光填丝焊送丝速度与焊接速度的匹配关系 1 3 3 激光填丝焊的特点 激光填丝焊属于激光焊接的一种，因此它同样具有传统激光焊接的一般特点， 比如： ( 1 ) 焊缝深宽比大； ( 2 ) 线能量输入小，热影响区和热变形比较小： ( 3 ) 焊接接头机械性能优良，强度和韧性接近甚至超过母材； ( 4 ) 激光能量密度高、加热快，对被焊材料的适应性强，使难融合、难焊材 料如陶瓷都能实现很好的焊接； ( 5 ) 焊接速度快； ( 6 ) 属于无接触加工，无惯性加工，易于实现焊接自动化； 同时，由于添加了焊丝，克服了传统对接焊所固有的一些缺陷，所以，激光 填丝焊还具有以下突出特点： ( 1 ) 通过对焊丝的选择，可以方便实现焊缝成分和组织的控制，可以获得满 足特定焊接性能要求的焊缝； 汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究 ( 2 ) 可以解决激光对接焊装配要求太严的问题； ( 3 ) 可以实现用较小功率实现厚板窄焊道多层焊接； ( 4 ) 可通过添加不同成分的焊丝来实现某些难焊材料如高强铝合金的焊接。 1 3 4 填丝焊研究现状 目前，国内外学者对激光填丝焊开展了许多研究，主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 理论方面，s a l m i n e n 对激光束与焊丝的相互作用进行了专门的试验 研究，并对焊丝反射部分的能量进行了测量。得出了激光功率和送丝速度对光束反 射的影响，并建立了如何确定送丝速度的经验公式【1 8 】。 ( 2 ) 薄板工艺方面，y w p a r k 等人对车身用5 1 8 2 铝合金的激光填丝焊焊 接特性进行了研究。选取了激光功率、焊接速度、送丝速度等作为可变参数，焊 缝形貌、熔深、强度和杯突值做为焊接特性变量，试验发现，当激光功率下降和 焊接速度和送丝速度增加时，深熔焊的范围降低。并且指出，这其中的原因之一 是因为激光功率要同时融化焊丝和母材，并且发现激光功率对强度和杯突值有很 大的影响1 1 9 1 。 北京工业大学许飞等人对5 a 0 6 铝合金的填丝焊工艺进行了研究。研究发现， 填丝焊的工艺范围明显扩大，该文指出，送丝方式、送丝速度、激光功率、焊接 速度对焊接质量的影响都很大【20 1 。 中国第汽车集团姚远等人利用c 0 2 激光器对镀锌板填丝焊的工艺及机理 进行了研究。他们选用5 种常用的汽车车身用钢进行了填丝焊对比研究，得出填 丝焊的接头间隙最大可以是激光焊的两倍，并且得出由于镀锌层的影响，导致要 达到相同的焊接效果，必须提高激光功率或者减小送丝速度【2 。 上海交通大学李飞群等人对镀锌板进行了激光填丝焊工艺的初步研究。他们 用光纤激光器和a b b 机器人配合，采用预先埋丝的方式进行焊接，得出了填丝 焊可以较好焊接镀锌板的结论1 22 1 。 华中科技大学汪永阳等人进行了z l l l 4 a 铝合金激光填丝焊接工艺及显微组 织的研究。研究了工艺参数与焊接质量之间的关系，并观察了焊缝微观组织，讨 论了焊接熔池的冶金产物1 23 | 。 北京航空制造工程研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室刘昕、陈 俐等人进行了薄板铝合金激光填丝焊组织性能的分析。采用扫描电镜和能谱分析 仪对焊件的微观组织进行了分析，发现焊缝成分和组织均匀性都比激光焊好，抗 拉强度和断后伸长率都高于激光焊接头 2 4 1 。 ( 3 ) 厚板焊接工艺方面，c a i y a n 等人对船用大厚度钢板激光填丝焊焊接过 程稳定性和焊缝特性进行了研究，文章指出等离子体不但吸收激光功率并且影响 焊接过程的稳定性，作者采用高速相机对电子密度、温度和等离子体厚度等进行 8 硕二l ：学位论文 了观测，并且指出低速侧吹保护气体可以有效抑制等离子体，最后通过对焊缝进 行一些列检测，指出，高功率激光焊接时一种有效的方法【2 5 | 。 ( 4 ) 异种金属焊接方面，a l e x a n d r em a t h i e u 等人对钢铝异种金属进行了填 丝焊研究，运用锌基焊丝( 8 5 z n ，1 5 a 1 ) ，研究表明，焊缝形貌合强度都比较 好。并且提出了一种激光熔钎焊的焊接方法，以此能够比较好的实现钢铝焊接【2 引。 ( 5 ) 热丝焊工艺方面，a l e x a n d r em a t h i e u 等人同时运用热丝焊( 8 8 a 1 ， 1 2 s i ) 技术对钢铝焊接进行了研究，热丝电源的型号是e l e k t r o s7 1 1 a f c 4 0 0 ， 发现这种方法可以有效地抑制金属问化合物，能够得到强度较好的焊缝【2 川。 1 4 激光焊接模拟仿真 1 4 1 仿真概述 仿真是对复杂的现实系统经过一定的简化和抽象，形成的系统模型，然后在 分析的时候运行此模型，从而得到预期的计算结果。仿真的应用是以仿真系统的 形式来体现的。 一般说来，仿真可以理解为一门对已经存在或尚不存在但正在开发的系统进 行系统特性研究的科学。对于实际系统不存在或已经存在但无法在现有系统上直 接进行研究的情况，只能构造既能反映系统特征又能符合系统研究要求的模型， 并在该系统模型上研究所关心的问题，揭示已有系统和未来系统的内在特性、运 行规律、分系统之间的关系并预测未来2 8 , 2 9 】。 仿真是以建模、计算方法、评估方法为基础，以网络技术、计算机技术、图 形图像技术、软件工程、多媒体技术、信息处理、自动控制及系统工程等相关技 术为支撑的综合性交叉科学。