（机械工程专业论文）白车身激光焊接单元设计与搭接焊接头性能研究.pdf

d e s i g nf o ru n i to f l a s e r w e l d i n go fb o d y - - i n - w h i t ea n dr e s e a r c ho nt h e p e r f o r m a n c eo f l a pw e l d i n gj o i n t s g uc h u n y i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e n g e n y u m a y , 2 0 1 1 舢0m 5 560 9川i肿y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：凰舂影日期：2 d ij 年d 歹月2 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阿。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：凤巷影 导师签名： 日期：2 d i1 年 日期：p 叭年 0 5 月2 莎日 r 月矿日 硕i j 学位论文 摘要 随着激光焊接技术在汽车车身制造中的广泛应用，激光焊接逐渐取代传统 的焊接工艺。与传统的焊接方法相比，采用激光焊接工艺可以减少车身材料消 耗，减轻车身重量，提高车身装配精度和刚度，进而提高车身的安全性能。激 光焊接技术在国内取得了长足的发展，但在汽车制造方面的应用与国外尚存在 较大差距，目前主要还是引进国外成套车身组焊激光加工设备和技术，有的厂 家则直接进口国外激光加工的零部件。自主品牌汽车车身的激光组焊生产线的 研发起步较晚，发展也比较慢。这阻碍了激光焊接这一高新技术的应用推广， 降低了激光产业化水平。本课题将在汽车车身组焊生产线和车身焊接工艺技术 方而展开研究，这对提升制造装备的集成能力，促进民族汽车工业发展具有重 要的战略意义。 本文综述了国内外研究现状，主要对汽车白车身激光焊接单元总体布局进 行了初步设计，在上述搭建的激光组焊单元平台上进行激光焊接汽车车身零部 件试验，之后重点对镀锌板光纤激光焊与c 0 2 激光焊的性能进行了比较分析。 首先，分析白车身零部件结构和制造工艺流程；依据技术先进、经济合理 及生产适用的原则，对激光焊接单元主要设备进行选型和设计；基于生产单元 安全性的考虑，进行激光焊接生产单元总体布局设计，并对焊接单元进行实体 仿真和工艺可行性分析。 其次，选用合适的焊接工艺参数，分别采用电阻点焊和光纤激光焊对车门 分总成之一的防撞杆进行焊接，参照电阻点焊的焊点布置情况，提出光纤激光 焊接防撞杆的焊缝布置方案。焊接试验完成后，在l m s 振动测试仪上对电阻 点焊与激光焊防撞杆进行动态刚度比较分析，通过分析采集到的数据，得到自 由模态前三阶固有频率和各阶振型，进而评价其焊接质量。 最后，对镀锌板光纤激光焊与c 0 2 激光焊的性能进行比较分析。针对不同 板材搭接方式，设计不同长度的激光焊缝，分析激光焊缝长度增加时接头力学 性能的变化情况。通过拉剪试验数据的处理和分析，总结出两种类型激光器对 不同镀锌板材搭接接头力学性能的影响规律。此外，对光纤激光焊接头与c 0 2 激光焊接头的金相组织、显微硬度进行比较分析。结果表明，光纤激光焊接头 的显微组织较c 0 2 激光焊接头细小均匀，显微硬度略高于c 0 2 激光焊接头。 关键词：车身零部件；焊接单元；光纤激光焊；动态刚度；c 0 ：激光焊；性能 l l a b s t r a c t w i t he x t e n s i v eu s eo f l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yi n t h ea u t o m o t l v eb o d y m a n u f a c t u r e ， l a s e rw e l d i n gg r a d u a l l yr e p l a c e s t h et r a d i t i o n a lw e l d l n gp r o c e s s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw e l d i n gm e t h o d s ，l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g y c a nr e d u c e t h eb o d vm a t e r i a lc o n s u m p t i o na n db o d yw e i g h ta n di m p r o v ea s s e m b l yp r e c l s l o n a n dr i g i d i t yo ft h eb o d y ，a n dt h e ni m p r o v e t h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h eb o d y t h o u 2 hl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yh a sa c q u i r e dg r e a tp r o g r e s s i nc h i n a ，t h e r el ss t l i i aw i d eg a pw h e nc o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e si nt h ea u t o m o t i v em a n u f a c t u r l n g a p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，t h ec o m p l e t el a s e rp r o c e s s i n ge q u i p m e n t a n dt e c h n o l o g yo f b o d vw e l d i n ga r em a i n l y i n t r o d u c e df r o mo v e r s e a s a n ds o m em a n u f a c t u r e r s d i r e c t l vi m p o r t l a s e r p r o c e s s i n g c o m p o n e n t s f r o mo v e r s e a s r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fo u ro w n b r a n dl a s e rw e l d i n ga u t o b o d yp r o d u c t i o nl i n e s t a r tl a t e a n dd e v e l o pm o r es l o w l y ，w h i c hh i n d e r t h ep r o m o t i o no fl a s e rh i g h - t e c ha p p l l c a t l o n a n dr e s t r i c tt h el e v e lo fl a s e ri n d u s t r y t h er e s e a r c ho f c a rb o d yw e l d l n gp r o d u c t l o n l i n ea n dw e l d i n gt e c h n o l o g yw i l lb em a d ei nt h i sp r o j e c t i th a si m p o r a n s 。r a 。e 9 1 c s i g n i f i c a n c et o e n h a n c et h ei n t e g r a t i o nc a p a c i t yo fm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t a n d i m p r o v ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a la u t oi n d u s t r y t h i sp a p e r r e v i e w st h er e s e a r c h s i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d t h e o v e r a l l l a v o u to fl a s e rw e l d i n gp r o d u c t i o nu n i t o fa u t o b o d yi sp r e l i m i n a r i l yd e s l g n e d l a s e rw e l d i n ga u t ob o d yp a r t se x p e r i m e n ti s m a d ei nt h ea b o v e - m e n t l o n e di a s e r w e l d i n gu n i t f o rt h ef i b e rl a s e rw e l d i n ga n dc 0 2 l a s e rw e l d i n go ft h eg a l v a n l z e d s t e e ls h e e t ，t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c ei s d o n ea sa ne m p n a s l s f i r s t l v t h es t r u c t u r eo fb o d y i n w h i t ep a r t sa n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t l o w a r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l e o fa d v a n c e dt e c h n o l o g y ， e c o n o m l c r a t i o n a l i t ya n ds u i t a b l ef o rt h ep r o d u c t i o n ，t h em a j o re q u i p m e n t s o nl a s e rw e l d l n g u n i ta r es e l e c t e da n dd e s i g n e d b a s e do np r o d u c t i o nu n i ts e c u r i t y c o n s i d e r a t i o n s , t h eo v e r a i il a y o u to fl a s e rw e l d i n gp r o d u c t i o n c e l li sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e , p h y s i c a ls i m u l a t i o no fw e l d i n g u n i ta n dt e c h n o l o g i c a lf e a s i b i l i t ya n a l y s l s 1 sd o n e s e c o n d l y ，a f t e rt h ea p p r o p r i a t ew e l d i n gp a r a m e t e r ss e l e c t e d ，t h eb u m p e r s o f d o o rs u b - a s s e m b l ya r ew e l d e db yr e s i s t a n c es p o tw e l d i n ga n df i b e r l a s e rw e l d l n g r e s p e c t i v e l y r e f e r r i n gt o t h ea r r a n g e m e n to fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gj 0 1 n 。s ，w e l d l a v o u ts c h e m eo ff i b e rl a s e rw e l d i n gb u m p e ri sp u tf o r w a r d w h e n t h ew e l d l n gt e s t i sc o m p l e t e d ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd y n a m i cs t i f f n e s so f r e s i s t a n c es p o tw e i d l n g i l l 硕i ：学位论文 a n dl a s e rw e l d i n gb u m p e r si sd o n ew i t hl m sv i b r a t i o nt e s t e r b yc o l l e c t i n gt h e d a t a ，t h ef i r s tt h r e en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d e so ft h ef r e em o d ea r e o b t a i n e d ，a n dt h e nt h ew e l d i n gq u a l i t yo fb u m p e ri se v a l u a t e d f i n a ll y ，t h ep e r f o r m a n c eo ff i b e rl a s e rw e l d i n ga n dc 0 2l a s e rw e l d i n go ft h e g a l v a n i z e ds t e e ls h e e ta r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r f o rt h ed i f f e r e n tp l a t e sl a p j o i n tw a y s ，b ym e a n so fd e s i g n i n gd i f f e r e n tl e n g t ho fl a s e rs e a m ，t h ei n f l u e n c eo f t h el a s e rw e l dj o i n tl e n g t ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h el a pj o i n td u et ot h e c h a n g ei sa n a l y z e d t h r o u g hd e a l i n gw i t ht e n s i l e - s h e a rt e s td a t a ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sl a wo fd i f f e r e n tg a l v a n i z e ds t e e ls h e e tl a pj o i n tw h i c hi si n f l u e n c e db y t w ot y p e so fl a s e r si ss u m m a r i z e d i na d d i t i o n t h em i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so f f i b e rl a s e rw e l d i n gj o i n t sa n dc 0 2l a s e rw e l d i n gj o i n t sa r ec o m p a r e d r e s u l t ss h o w t h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ff i b e rl a s e rw e l d i n gj o i n t si sm o r eh o m o g e n e o u sa n d s m a l l e rt h a nc 0 2l a s e rw e l d i n gj o i n t s ，a n dh a r d n e s si sh i g h e rt h a nt h a to ft h ec 0 2 l a s e rw e l d i n gjo i n t s k e y w o r d s ：a u t o - - b o d yp a r t s ；w e l d i n g u n i t ；f i b e rl a s e rw e l d i n g ；d y n a m i cs t i f f n e s s ； c 0 2l a s e rw e l d i n g ；p e r f o r m a n c e i v j 下身激光焊接啊i 设计j 搭接焊接头悱能研究 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘 要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 激光焊接技术概述3 1 2 1 激光焊接原理一3 1 2 2 激光焊接的特点4 1 2 3 激光焊接技术在汽车工业中的应用5 1 2 3 1 激光拼焊技术5 1 2 3 2 车身的激光焊接6 1 2 3 3 汽车零部件激光焊接一8 1 3 研究现状9 1 3 1 白车身焊接生产线的研究现状一9 1 3 2 车身镀锌板激光焊接特性的研究现状l o 1 4 本文的主要研究内容一13 第2 章汽车白车身激光焊接单元总体设计1 4 2 1 汽车焊装生产线设计特点和思路1 4 2 2 车身零部件结构分析1 4 2 3 焊接单元主要设备选型1 5 2 3 1 激光器与焊接头1 5 2 3 2 机器人1 8 2 3 3 焊接夹具1 9 2 3 4p l c 控制装置2 0 2 4 激光组焊单元布局设计与仿真2 l 2 4 1 激光焊接单元布局设计一2 l 2 4 2 激光组焊单元的仿真2 3 2 5 本章小结“2 7 v 硕l j 学化论文 第3 章车身零部件搭接焊性能研究一2 8 3 1 电阻点焊与激光焊2 8 3 2 影响三维激光焊接质量的工艺参数3 0 3 3 试验条件与方法一3 1 3 3 1 试验设备及方法3 1 3 3 2 试验材料3 2 3 3 3 试验方案一3 2 3 4 试验结果与分析3 3 3 4 1 防撞杆光纤激光焊与电阻点焊效率3 3 3 4 2 动态刚度模念分析基础及方法3 4 3 4 3 光纤激光焊与电阻点焊防撞杆的动态刚度比较分析3 6 3 5 本章小结一3 9 第4 章车身用镀锌板的光纤激光与c 0 2 激光搭接焊性能比较分析一4 0 4 1 试验条件与方法4 0 4 1 1 试验设备一4 0 4 1 2 试验方法4 l 4 1 3 试验材料4 1 4 1 4 试验参数4 2 4 2 试验结果与分析一4 3 4 2 1 光纤激光焊缝与c 0 2 激光焊缝表面形貌4 3 4 2 2 两种光源作用下焊缝的横截面形状4 4 4 2 3 光纤激光与c 0 2 激光焊接接头力学性能比较4 5 4 2 4 光纤激光焊与c 0 2 激光焊接头的金相组织比较分析一5 0 4 2 5 光纤激光焊与c 0 2 激光焊接头的显微硬度比较分析5 2 4 3 本章小结5 3 总结与展望5 5 参考文献5 7 致 射6 1 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 2 v i 白车身激光焊接簟冗设计j 搭接焊接头件能研究 插图索引 图1 1 激光加工技术在车身制造中应用1 图1 2 汽车白车身的激光焊接2 图1 3 激光焊接原理图4 图1 4 激光拼焊示意图5 图1 5 激光拼焊技术在车身部件中的应用一5 图1 6 激光焊接在车身中的应用实例7 图1 7 激光焊接齿轮8 图2 1 白车身总成结构示意图15 图2 2 某车门内板总成与外板总成示意图l5 图2 3 光纤激光器1 7 图2 4 激光焊接头1 7 图2 5 点焊机器人一1 9 图2 6 弧焊机器人1 9 图2 7 激光焊接机器人l9 图2 8 左前门焊接夹具总体结构示意图2 0 图2 9 左前门焊接央具实物图2 0 图2 10p l c 控制系统2 1 图2 1 1 车门激光焊接单元总体布局2 2 图2 1 2 激光焊接单元车门的焊接作业流程图一2 2 图2 1 3 焊接单元加工现场2 3 图2 1 4 系统的p p r 结构图2 4 图2 15 夹具和安全门的c a t i a 数模2 4 图2 1 6 激光焊接单元仿真图2 5 图2 1 7 焊接头与夹具干涉图2 5 图2 1 8 焊接头与夹具干涉报告2 6 图2 1 9 机器人不可达情况示意图2 6 图3 1 几种常见的激光焊接接头结构2 8 图3 2 电阻点焊示意图2 8 图3 3 电阻点焊原理2 9 图3 4 激光深熔焊原理2 9 图3 5 电阻点焊设备3l 图3 6 防撞杆总成各零部件图3 2 v l i 硕j j 学位论文 图3 7 防撞杆总成示意图_ 3 3 图3 8 防撞杆电阻点焊布置图一3 4 图3 9 防撞杆激光焊缝布置图3 4 图3 1 0 试验模态分析过程“3 5 图3 1 l 模态试验设备图“3 6 图3 12 传感器和力锤的量程设置界面3 7 图3 1 3 窗函数设置界面3 7 图3 1 4 锤击参数设置界面图3 7 图3 1 5 锤击响应测量界面图3 8 图3 161 阶振型3 8 图3 172 阶振型3 8 图3 183 阶振型3 9 图4 1 光纤激光器与焊接头4 1 图4 2 c 0 2 激光器与三维加工机床4 1 图4 3 光纤激光不同焊缝长度搭接焊接头表面形貌4 3 图4 4 c 0 2 激光不同焊缝长度搭接焊接头表面形貌一4 3 图4 5 光纤激光焊接接头不同焊缝熔宽4 4 图4 6 c 0 2 激光焊接接头不同焊缝熔宽4 4 图4 7 焊缝横截面形状( a ) c 0 2 激光焊接( b ) 光纤激光焊接4 5 图4 8 焊缝横截面形状( a ) 上板为h 2 2 0 y d ( b ) 上板为d c 5 6 d 4 5 图4 9d c 5 6 d 与h 2 2 0 y d 光纤激光焊接头焊缝表面形貌与横截面形状4 8 图4 1 0d c 5 6 d 与h 2 2 0 y dc 0 2 激光焊接头焊缝表面形貌与横截面形状一4 8 图4 1 1 光纤激光与c 0 2 激光不同长度焊缝的抗拉剪能力4 9 图4 1 2h 2 2 0 y d 钢板搭接接头的抗拉剪能力一4 9 图4 1 3 异种板材接头的抗拉剪能力4 7 图4 1 4g x 5 1 倒置式金相显微镜一5 l 图4 1 5d c 5 6 d 钢母材金相组织5 l 图4 1 6 光纤激光焊接接头显微组织5 2 图4 1 7c 0 2 激光焊接头显微组织5 2 图4 1 8d c 5 6 d 板材光纤激光焊与c 0 2 激光焊接接头显微硬度值比较分析5 3 白1 i 身激光焊接单几设计。j 搭接焊接头性能研究 附表索引 表2 1 c 0 2 激光器各种激励方式的性能比较1 6 表2 2i r b4 4 0 0 l 3 0 型号机器人的主要技术参数1 9 表3 1d n 3 16 0 型悬挂式电阻点焊机主要参数一3 2 表3 2 零部件的板材型号及板厚3 2 表3 3 激光焊接工艺参数一3 3 表3 4 焊缝布置方案3 3 表3 5 自由模态前三阶固有频率3 8 表4 1 三维激光加工机床技术参数4 l 表4 2 试验板材的力学性能和化学成分4 2 表4 3 c 0 2 激光焊接工艺参数表一4 2 表4 4 光纤激光焊工艺参数表4 2 表4 5 板厚为0 8 m m 与o 8 m md c 5 6 d 激光焊接接头的力学性能表一4 6 表4 6 板厚为1 2 m m 与1 2 m md c 5 6 d 激光焊接接头的力学性能表一4 6 表4 7 板厚1 2 m m 与1 2 m mh 2 2 0 y d 激光焊接接头的力学性能表4 7 表4 8 板厚o 8 m md c 5 6 d 与h 2 2 0 y d 激光焊接接头的力学性能表4 8 硕l ：学位论义 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 汽车是科技发展和人类社会文明进步的象征，汽车拥有量和制造水平己成为 一个国家现代化程度的标志，在我国，汽车制造更是推动国民经济发展的重要支 柱。进入2 1 世纪，汽车工业正在步入能按用户要求进行柔性加工的精益生产阶段， 汽车工业出现了柔性模块式生产方式，现代汽车工业也在向着技术高新化的方向 发展，汽车技术f 经历着由传统机械制造技术向先进制造技术的转变。激光制 造技术作为一种新型的先进制造技术应运而生。该技术为汽车的丌发与生产制造 注入了活力。 汽车行业是高新技术高度集中的行业，同时也是将激光技术应用于其加工领 域的先行者。目的，激光技术几乎渗透到了汽车制造的各个部分。激光技术在汽 车工业领域应用十分广泛，从白车身、电器仪表到传动部件，从焊接、切割到激 光打标，到处都有激光技术的应用，如图1 1 所示。作为先进制造技术之一的激 光制造技术，在发达国家的汽车工业中应用越来越广，采用激光焊接和切割技术 来完成加工的零部件越来越多心1 ，德国汽车行业甚至以激光加工所占比例来衡量 其水平。随着激光制造技术的不断发展，其对机械制造业的变革也不断加大，必 然会对以机械制造技术为基础的汽车工业带来影响，激光制造技术在提高汽车工 业的研发与制造水平中，正发挥着越来越重要的作用。 图1 1 激光加工技术在车身制造中的应用 车身在汽车整车制造中占有重要的地位，不仅车身成本占整车的4 0 5 0 ， 而且车身质量对汽车整体功能有很大的影响。汽车车身的制造工艺是一个非常复 杂的过程，通常由3 0 0 5 0 0 多个具有复杂空问曲面的薄板冲压零件，在有近1 0 0 白下身激光焊接甲兀设计j 搭接焊接头性能研究 个装配工位的生产线上大批量、快节奏地焊装而成；同时车体装配又为一种多层 次体系结构，若干零件经焊装成为分总成，分总成又变成下一层装配中的零件。 中间环节众多，因此车身制造质量的控制尤为重要。车身制造质量的优劣对整车 质量起着决定性作用，而车身冲压零件及其焊接装配的质量是影响车身质量的重 要因素1 。在车身制造过程中焊接是最主要的联结方式，因此选择适合的焊接方 法意义重大。与传统的加工方法相比，激光焊接以其单边加工、复杂结构适应性 好、能焊接多层板、易于实现远程焊接和自动化等优点1 ，广泛运用于车身制造 领域，包括车身不等厚板的激光拼焊和车身框架结构总成及零部件的焊接等。可 以降低车身重量达到降低燃油消耗的目的；减少车身总零件数目，加强车身一体 化程度；提高车身的装配精度和刚度，从而提高车身的安全性b 1 。目前国内的车 身设计和制造技术尚属汽车工业的薄弱环节，在很大程度上仍依赖国外引进，所 以努力开发研究适合国内汽车生产的车身技术，是提高我国自主开发汽车能力的 关键。 激光焊接技术是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式，非常适合大量 而连续的在线加工。汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术 的行业，车身的激光焊接如图1 2 所示。现在，在全世界的汽车领域，激光焊接 广泛应用于底盘、车顶、侧围、车门及车身总成等部分和车身大型覆盖件的焊装 中，成为了车身装配时的主要工艺手段哺1 。随着激光焊接技术在汽车车身制造中 的广泛应用，激光焊接逐渐取代传统的焊接工艺，开始新的焊接时代。 图1 2 汽车自车身的激光焊接 随着汽车需求量的增加，安全性能的提高和轻量化的发展趋势，原来的点焊 技术已经难以满足技术要求。激光焊接具有单位热输入量少、热变形小、焊缝深 宽比大、焊接速度高、焊缝强度普遍高于母材，且激光焊接是单边加工、复杂结 构适应性好、能焊接多层板、易于实现远程焊接和自动化等优点，因此，在发达 国家汽车工业界，激光焊接逐渐成为标准的加工工艺m 。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随3 。激光焊接技术在 国内取得了长足的发展，但在汽车制造方面的应用与国外尚存在较大差距，目前 2 硕f j 学位论文 主要还是引进国外成套车身组焊激光加工设备和技术，有的厂家则直接进口国外 激光加工的零部件。自主品牌汽车车身的激光组焊生产线的研发起步较晚，发展 慢，几乎还是空白。造成目前这种现状的原因，不是各厂家未认识到激光加工工 艺的优越性，而在于成套装备、工艺技术完全依靠进口，极大地限制其应用。很 多企业提出要求，迫切希望自主开发车身组焊成套设备和生产线，以便替代从国 外大量进口的激光加工零部件，同时开发具有知识产权的产品，提高我国汽车的 品质和竞争力。本课题的完成将打破国外在汽车车身组焊生产线和车身焊接工艺 技术方面的垄断，对提升制造装备的集成能力，促进民族汽车工业发展具有重要 的战略意义。 1 2 激光焊接技术概述 激光焊接是目前工业激光应用的第二大领域。激光焊接是把激光聚焦成很细 的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光焊 接熔深大且焊缝窄、速度快、工件变形很小、可实现精密焊接，且在机械性能、 电磁学性能和抗腐蚀性能上优于其他传统常规焊接方法。激光焊接能量密度高， 对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接技术具 有熔池金属净化效应，适用于相同和不同金属材料间的焊接阳1 。因此，汽车行业 逐渐采用激光焊接技术取代传统的焊接工艺，不仅可以提高焊接质量，改善车身 部件的机械力学性能，而且可以节省材料，大大降低车身的制造成本。激光焊接 技术经过几十年的的发展，在现代汽车白车身制造过程中的地位是不可替代的。 激光焊接具有许多传统焊接不具有的优点，其正向高速度、高精度、高柔性、低 成本、智能化、集成化的方向发展，相信未来它的应用领域会更加广阔。 1 2 1 激光焊接原理 激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度 高效率焊接方法。激光焊接技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦 装置中产生巨大能量的光束，当高强度激光束照射在材料表面上时，部分光能将 被材料吸收而转变成热能，使材料熔化，从而达到焊接的目的。高功率激光焊接 时，通常根据是否产生匙孔将焊接过程分为热传导焊接和深熔焊接两种模式引。 与激光热传导焊接模式相比，深熔焊接效率高，速度快，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。如图1 3 所示，当激光照射 到金属表面的功率密度大于10 6 w c m 2 时，金属表面温度可在极短的时间内 ( 10 一10 - s s ) 升高到金属的熔点和沸点以上使其熔化和气化，熔化的液态金属表面 在巨大的金属蒸汽膨胀压力作用下向下形成凹坑，激光束直射至凹坑底部，产生 新的金属蒸汽，从而加大凹坑深度，直至最后形成“d , ：f l ”。上述熔化和气化过 白车身激光焊接单元设计0 搭接焊接义性能研究 程连续进行，会在液态金属中形成一个细长的d , - 孑l 3 。当激光束在d , - 孑l 内产生的 金属蒸汽压力与四周液态金属的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以穿越 小孔直射到孔底，小孔不再加深且深度稳定，这就是d , - 孑l 效应。当激光束向前运 动时，稳定状态的小孔也随之向前移动， 的金属填充小孔移开后所留下的空腔， 弥合，冷凝形成焊缝1 2 1 。 小孔前方的金属不断熔化和气化，熔融 并借助液态金属的表面张力和重力进行 1 等离子体云 2 熔融材料 3 小孔 4 熔深 图1 3 激光焊接原理图 激光深熔焊接的本质特征是存在着小孔效应引。研究结果表明，小孔的形成 过程只有数毫秒的时间。小孔内的金属蒸汽继续在高功率密度的激光作用下产生 电离，从而在孔内及孔外形成一定浓度的高温等离子体。激光与金属相互作用机 理受到小孔和等离子体的影响发生变化，激光束可以深入金属内部，液态金属对 激光束的吸收率明显提高，几乎达到1 0 0 。因此采用激光深熔焊接模式时，材 料对激光的吸收主要取决于等离子体与激光的相互作用以及小孔效应等因素。 1 2 2 激光焊接的特点 由于激光光能在一个很小的作用点上集中起非常大的能量。与传统的点焊和 熔焊工艺相比，激光焊接具有以下优点： l 、单面焊接 点焊在进行双面板材焊接时，需要预留足够的焊接凸缘，便于焊枪达到翻边 的两侧。激光焊接只需焊接单面翻边材料，可以大大减少预留的凸缘，减少凸缘 材料可以减轻整个车身的重量，并使车身的结构设计更具弹性。 2 、焊缝深宽比大，热影响区小 激光束在聚焦后可以得到很高的功率密度( 1 0 5 l0 9w c m 2 或以上) ，加热速 度快，可实现深熔焊和高速焊接，由于深熔焊小孔的存在，在同等功率和焊接厚 度条件下，焊缝深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形和应力小。 3 、能在大气下或特殊条件下进行焊接 激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适合于在玻璃制成的密 4 硕i j 学位论文 封容器罩焊接铂合金等剧毒材料；激光不受电磁场影响，不存在x 射线防护，也 不需要真空保护。 4 、可焊接难焊接材料和异性材料 激光束可以被聚得很细，光斑能量密度很高，几乎可以汽化所有的材料，可 焊接难焊材料如镁合金、铝、钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。对 高熔点、高导热率、高反射率和物理特性相异的金属焊接十分有利1 。 5 、易于实现自动化 可以实现激光焦点的功率和大小按加工要求动态地进行调节，同时对加工过 程进行实时监控，实现各种各样的应用可能。激光束可按时间与空问对光束分光， 能进行多光束同时加工及多工位加工，便于实现高的柔性和自动化。 据有关资料统计，在欧美发达国家汽车工业界，有5 0 7 0 的汽车零部件应 用激光来