（机械制造及其自动化专业论文）激光焊接汽车双联齿轮的工艺与数值模拟研究.pdf

摘要 随着汽车行业竞争的日趋激烈，采用高效、高水平的生产制造技术成为其发 展趋势。由于激光焊接具有焊接速度快、变形小、效率高和热损伤小等优点，近 年来激光焊接汽车双联齿轮在国际上受到了广泛关注。激光焊接齿轮是个多学科 交叉的综合技术，仍处于发展阶段，有许多机制尚待探讨，因此开展汽车双联齿 轮激光焊接研究对于该项技术的产业应用具有重要的实用价值和科学意义。 本课题比较全面地对汽车双联齿轮激光焊接的工艺和关键技术进行了深入 研究，针对影响焊接质量的工艺参数如激光功率、焊接速度、离焦量等设置了大 量的研究工作。整个研究过程以大量的实验为基础，科学的检测和分析作为手段， 从根本上阐明了各项参数和因素对齿轮激光焊接质量的影响。并研究了激光焊缝 组织及其形成机理，分析了焊后接头中常见缺陷，探讨了其产生的主要原因和有 效的防止措施。研究结果表明，选用合适的焊接工艺参数和坡口形状，并采用有 效的焊前处理，能获得深宽比大、外观无气孔和热裂纹等缺陷的高质量焊缝，能 焊接出高品质的汽车双联齿轮。 在激光焊接工艺研究的基础上，结合齿轮材料2 0 c r m n t i 特点，建立了温度 场的三维瞬态数值分析模型，分析了焊接工艺参数对激光焊接温度场的影响。并 对数值模拟结果进行了验证和对比分析。研究结果表明，本文建立的激光焊接温 度场数值分析模型是正确的，所采用的数值求解方法是可靠的。 关键词：激光焊接；汽车双联齿轮；工艺；显微组织；温度场 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e n s ec o m p e t i t i o ni nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，h i g h e f f i c i e n c ya n d h i g h q u a l i t ym a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s w i l lb e c o m et h et e n d e n c yo f a u t o m o t i v ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t l a s e rw e l d i n go fa u t o m o b i l ed o u b l e - l i n k e dg e a r sh a ss o m ea d v a n t a g e so fv e r y s m a l ld i s t o r t i o n ，h i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y s o ，i ti sw i d e l yu s e di nt h e w o r l da tp r e s e n t t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r yo nt h er e s e a r c ho ft h el a s e r w e l d i n go ft h ed o u b l e l i n k e dg e a r s i nt h i ss u b j e c t ，w e l d i n gp r o c e s s a n d k e yt e c h n o l o g y o fa u t o m o b i l e d o u b l e 1 i n k e dg e a r sh a v e b e e ns t u d i e dd e e p l y a i m i n ga tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ( s u c h a sl a s e rp o w e r , w e l d i n gs p e e d ，d e f o c u se t c ) t h a ti n f l u e n c ew e l d i n gq u a l i t y , al o to f r e s e a r c he f f o r t sh a v eb e e nd o n e w h o l er e s e a r c hp r o c e s sb a s e o ne x p e r i m e n t ， s c i e n t i f i cd e t e c t i o na n da n a l y s i st ob eu s e da st h em e a n s f u n d a m e n t a l l yc l a r i f i e dt h e i n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r sa n df a c t o r st ot h ew e l d i n gq u a l i t yo fl a s e rw e l d i n g o f a u t o m o b i l ed o u b l e 1 i n k e dg e a r s m i c r o s t r u c t u r eo fl a s e rw e l d i n gs e a mh a sb e e n s t u d i e d t h ec o m m o nd e f e c t si nt h ew e l d i n gs e a mw e r ea n a l y z e d ，a n dt h em a i nc a u s e s a n ds i g n i f i c a n tp r e v e n t i v em e a s u r e sw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t so fs t u d yi n d i c a t e ： s u i t a b l ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ra n dp r o c e s s i n gb e f o r ew e l d i n gt ob eu s e dw i l l l e a dt os u p e r i o rw e l d i n gs e a mt h a th a v eh i g ht o r d i o n a ls t r e n g t h ，l a r g ed e p t h w i d t h r a t i oa n dn os u r f a c ed e f e c t ( s u c ha sp o r o s i t ya n dh o tc r a c ke t c ) ，a n dt h e nh i g h q u a n t i t ya u t o m o b i l ed o u b l e - l i n k e dg e a r s w h i c hh a v e b e e nw e l d e d b a s e do nt h es t u d yo fw e l d i n gp r o c e s s ，at h r e ed i m e n s i o n a lt r a n s i e n tn u m e r i c a l m o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l do ft h el a s e rw e l d i n gm o l t e np o o lw i t ham o v i n g l a s e rb e a m i se s t a b l i s h e d t h ew e l d i n gv a r i a b l e s i n f e c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di sa l s oa n a l y z e d c o r r e s p o n d i n gw e l d i n ge x p e r i m e n t sa r ed o n es u b s e q u e n t l y b yc o m p a r i s o n ，i t sf o u n d t h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa p p r o x i m a t e l ya g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c h p r o v e st h a tt h em o d e l i sb a s i c a l l yc o r r e c ta n dt h en u m e r i c a lm e t h o di sr e l i a b l e k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g ；a u t o m o t i v ed o u b l e l i n k e dg e a r ；p r o c e s s ；m i c r o s t r u c t u r e ； t e m p e r a t u r ef i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文 中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 可i 晶 签字日期：弘凹年f 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云i 室三 些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 、 学位论文作者签名：弓i 相 签字日期：7 曲g 年f 月日 导师躲枷f 坼 签字日期：形年月，岭移 学位论文的主要创新点 一、对汽车齿轮进行了激光焊接的工艺研究，研究了激光功率、焊接 速度、离焦量等主要工艺参数对焊缝深度、宽度以及焊接质量的 影响，设计了适合需要的正交试验，科学地采集了实验数据，对 工艺参数进行了优化，确定了最佳的工艺参数，为汽车齿轮的激 光焊接提供了参考数据。 二、研究了汽车齿轮激光焊接后的组织和性能，分析了焊接过程中组 织的转变规律和焊接后的常见缺陷及预防方法。 三、初步建立了2 0 c r m n t i 齿轮材料激光深熔焊接的三维温度场模型， 并对三维温度场进行了模拟，分析了工艺参数对温度场以及焊缝 深度的影响。 第一章绪论 第一章绪论 1 1激光焊接的类型及特点 激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后 冷却得到焊缝。激光焊接的机理有两种： 1 、热传导焊接当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材 料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向 材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。 2 、激光深熔焊当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光 能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面 时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继 续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后 将两焊件焊接在一起。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各 焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表 面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为 激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入； 而深熔焊时，d , - 孑l 的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊 接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光 能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时问依赖性能够使激光焊接 在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用过 程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。 与常规的焊接相比激光焊接有以下特点【1 _ 4 】： 1 ) 激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的 合金材料。 2 1 激光焊接具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同或不同材质、 厚度的金属间的焊接。 3 ) 激光焊接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量 可调，移动速度可调，可以多种焊接加工。 4 ) 激光焊接热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理，可实现精密焊接。 5 ) 激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换。 第一章绪论 6 ) 激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗 蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 8 ) 可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。 尤其是近几年来，在y a g 激光光纤激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激 光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。 9 ) 激光束易实现光束按时问与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位 加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1 、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因 为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求， 很容易造成焊接缺憾。 2 、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 1 2激光焊接在汽车工业的应用及最新研究动向 1 2 1 激光焊接在汽车工业的应用 激光焊接从上世纪6 0 年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零 件或器件的焊接到目前大功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了4 0 多年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、 易实现自动控制、无后续加工等优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要 手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电 设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法 相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光 焊接在我国的工业应用还相当有刚5 切，但激光焊接生产效率高和易实现自动控 制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。其中，激光焊接在汽车制造领 域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也 为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益 前景。 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，从汽车 零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的最主要焊接方法之 一。总体上讲，激光焊接在汽车制造中的应用主要包括三个方面： 1 2 1 1 车身在线焊接 第一章绪论 车身在线激光焊接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，传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代剖引。用激光焊接技术， 可以提高产品设计的灵活性，降低制造成本，工件连接之间的接合面宽度可以减 少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度，增加产品的竞争力。国外汽车公 司在这方面的应用较早，主要是一些欧洲的汽车制造商，而在北美和日本等地并 不普及。部分汽车公司的应用情况如表1 1 所示： 表1 - 1国外部分汽车公司的激光在线焊接情况 时间汽车公司制造厂车型焊接部位 1 9 9 1v o l v og h e n t 8 5 0 型系列车身顶部 1 9 9 8场l v ot o r s l a n d as 7 0 、$ 8 0车身两边 1 9 9 5b m w d i n g o f i n g 第5 系列车型车架顶部车身尾部 1 9 9 7 f o r d科隆制造厂 s c o r p i o 型车身顶部与侧部 1 9 9 4a u d i i n g o l s t a d t a 4 型l i m o u s i n e 轿车顶 车 1 9 9 3 v o l k s w a g e n e m d e n和p a s s a t 型车顶 m o s e l 1 9 9 7 v o l k s w a g e n沃尔夫斯堡厂 g o l f i v 车型车顶车厢内部结构 2 0 0 1r e n a u l ts a n d o u v i l l e l a g u n a 型整个车身的三维激光 焊接 我国在激光焊接方面起步较晚但发展较快，目前，上海大众汽车公司的帕萨 特、p o l o 、g o l f 以及t o u r a n 等车型采用了激光焊接。帕萨特车身的激光焊 接长度约4 1 米、p o l o 的接近6 6 米、而g o l f 和t o u r a n 车身的激光焊接长 度分别为5 2 5 和4 1 米。一汽大众奥迪a 6 顶盖和宝来后盖采用激光焊接，速腾 的车身激光焊缝长度分别达到3 0 多米。此外，作为国内自主汽车品牌的华晨、 奇瑞、吉利汽车也相继在其新车型上应用激光焊接技术。 1 2 1 2 激光拼焊 激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同 规格、不同厚度、强度和镀层的钢板焊接在一起，完成车身某一部位的制造，例 如前后车门内板，前后纵梁，侧围，底板，轮罩，中立柱等。激光拼焊具有减少 零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提 高尺寸精度等好处。从2 0 世纪8 0 年代中期开始，拼焊板作为新技术在欧洲、美 国、日本得到了广泛的关注1 9 1 。1 9 7 6 年，美国福特汽车公司就采用激光焊接技术 进行车身钢板的拼焊，但未走向商业化。1 9 8 5 年德国t i s s e n 钢铁公司与德国大 第一章绪论 众汽车公司合作，在a u d i l 0 0 车身上成功采用了全球第一批激光拼焊板，目前， 该公司已经在印度尼西亚及美国( 底特律) 建立了合资公司，主要为卡迪拉克轿车 新车型提供激光焊接车门及其它板件。日本丰田于1 9 8 6 年采用添丝激光焊的方 法用于车身侧面框架的焊接。此后，法国阿赛洛公司和意大利s o l l a k 公司也进行 了激光拼焊研究，目前，蒂森克虏伯、浦项、新同铁、阿赛洛等世界级的钢铁公 司都开始生产激光拼焊板，这些激光拼焊板在通用、丰田、本田、福特、宝马、 菲亚特、奔驰、大众公司等汽车上得到了广泛应用。我国对激光拼焊板生产的研 究和应用正处在上升阶段，自从2 0 0 2 年武汉蒂森克虏伯中人激光拼焊有限公司 在武汉安装我国第一条激光拼焊板生产线以来发展较快，但是目前国内生产的激 光拼板还不能满足汽车业的需求，大部分依赖进口。国内部分公司的生产及应用 情况如表1 2 所示 表1 2 国内激光拼焊板的生产应用情况 时间 生产单位主要应用焊板的汽车公司 宝钢阿赛洛公司上海大众公司 2 0 0 4宝钢一汽合资公司东风汽车 中国重汽卡车公司上海通用 长春一汽 2 0 0 5蒂森克虏伯鞍钢中卡车公司 瑞( 长春) 激光拼焊一汽大众汽车有限公司 板有限公司 1 2 1 3 齿轮及零部件激光焊 齿轮及零部件焊接采用激光焊代替传统焊接，零件焊接部位几乎没有变形， 焊接速度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经广泛采用，常见 于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链、传动轴、转向轴、皮带轮、排气管、离合 器等【1 0 以钔。美国福特汽车公司采用4 5k w 的c 0 2 激光焊机焊接车轮轮盘钢圈， 钢圈厚1m m ，焊速为2 5c m m i n 。该公司还采用了6k w 激光系统建成汽车底板自 动化生产线，整体生产线用电子计算机控制，仅需1 个人操作。u t i l a s e 公司用激 光焊接发动机室支承轨，可以在达到原先结构强度前提下，采用不同厚度板材拼 焊而成，每件可节省3 4k g 原材料，完工部件质量减少1 3k g 。奥迪8 0 轿车的 发动机；悬架等零件采用激光焊接，每车有4 2m 的焊丝线，日产20 0 0 辆。 1 2 2 激光焊接最新研究动向 第一章绪论 1 2 2 1 新的焊接激光器的研究 1 半导体激光器 主要优点是体积小、电光转换效率高、可靠性高，主要缺点是光束质量不 好。在材料加工领域目前主要作为全固态激光器的泵浦源，但已开始把它直接用 来焊接、热处理、标记，并且显示出不可比拟的优越性。德国于1 9 9 7 年就开展 了“模块化半导体激光束工具 的研究计划，目标是改进高功率半导体激光单元， 把半导体激光器集成为高功率系统，满足制造业应用。目前采用锥形腔技术，瓦 级的半导体激光器可获得m 2 2 的光束，集成的模块在3 k w 下 b p p 1 0 0 m m m r a d 。美国2 0 0 3 年启动了“超高效率半导体激光源”的研究计划， 目标是把半导体激光器电光转换效率提高到8 0 ，目前n l i g h t 公司已将总效率 从5 0 提高到了7 0 。现在多家公司能生产激光加工用的高功率半导体激光系 统，如r o f i n 公司的3 k w 的半导体激光器体积只有一只鞋盒大小，很容易安装 在机械手上。焊接汽车车身用的2 4 k w 半导体激光器与n d ：y a g 激光器相比， 其转换效率高1 0 倍，占地面积仅为1 5 ，维护问隔时间长2 0 倍。 2 盘状激光器( d i s kl a s e r ) 盘状激光器是利用半导体激光( l = 9 4 0 n m ) 作为泵浦光，光入射到抛物镜 面上，然后回聚到薄片圆盘状y b ：y a g 晶体上( y b ：y a g 晶片后面安装散热器) ， 通过圆盘形状显著减少光热效应热透镜效应，从而实现高光束质量和在长 的距离下工作。它具有高功率输出，高光束质量，细小焦点，长的工作距离，可 数控编程，在大工作范围内工作，长距离光纤输出，多路光缆输出，多个工作站 同时工作，高的光电转换效率，低功率消耗等特点。 3 光纤激光器 光纤激光器基本结构和固体激光器的结构基本相同，由泵浦源( 激光二极 管和必要的光学耦合系统) 、增益介质( 掺稀土元素的增益光纤) 、谐振腔( 可为 反射镜、光纤光栅或光纤坏) 等组成。按泵浦光的入射方式，光纤激光器可分为： 端面泵浦光纤激光器、双包层光纤激光器和任意形状光纤激光器。在世界范围内， 光纤激光器的技术方案已经表现出全光纤结构的明显趋向，这种光路全部由光纤 和光纤元件构成的全光纤激光器，从激光的产生到激光的传输，全部在柔软的光 纤中进行，从而表现出了众多显著的优越性。与c 0 2 激光器和y a g 激光器相 比，整体化的结构从根本上解决了由于内腔光学件污染、位置变化引起的故障，大 大提高了可靠性；同时，光纤激光器输出激光的模式由光纤波导参数决定，而这些 参数取决于光纤的折射率分布，因此输出的激光不仅光束质量好，而且稳定；a n 上 体积小、转换效率高、光纤柔软可弯曲，便于激光传输。自1 9 9 9 年首次获得1 0 0 w 的输出功率至今，光纤激光器的输出功率得到了迅速提高，美国i p g 第一章绪论 ( p h o t o n i c s ) 公司已经生产出输出功率5 0 k w 光纤激光器。目前光纤激光器主要用 于标记和高功率焊接。 1 2 2 2 激光复合焊接( l a s e r h y b ri d ) 激光复合焊技术并不是将激光和电弧焊两种焊接方法依次作用，而是两种焊 接方法同时作用于焊接区，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子 云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的 电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母 材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高。 与各种单独使用的激光焊接技术相比，激光混合焊接技术具有显著的优点 u 5 1 6 1 。对于激光混合，优点主要体现在：更大的熔深较大缝隙的焊接能力；焊 缝的韧性更好，通过添加辅助材料可对焊缝晶格组织施加影响；无烧穿时焊缝背 面下垂的现象；适用范围更广；借助于激光替换技术投资较少。因此对汽车工业 来说具有极大吸引力和经济效益。目前f r o n i u s 公司对复合焊技术已经进行了 大量的基础研究。大众汽车公司已经在p h a e t o nd 1 和a u d ia 8 两款铝合金车上 采用了激光复合焊接，宝马汽车公司在b m w5 系列的铝合金隔板与内高压变形 加工的铝合金支架的连接中采用激光混合焊接技术。 1 2 2 3 远程焊接 自从2 0 0 4 年1 0 月，m a g n a a u t o t e k 以c 0 2 激光器为基础的远程焊接系统 ( r w s ) 开始为大众汽车j e t t aa 5 型汽车生产零件，远程激光焊接已经正在成为一 种替代传统汽车白车身应用中电阻点焊的一种手段。根据行业调查【17 1 ，已安装 的设备超过6 0 套，主要集中在欧洲和北美地区。远程激光焊接技术发挥了单侧， 非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相 结合，大大缩短了焊接时间，在整个焊接流程中增加了总生产效率。远程激光焊 接的优势是最为显著的，如果和传统激光机器人焊接的一些工作周期相比： 2 0 r a m 的缝焊能在o 2 0 4 秒内完成，重复定位时间最大3 秒，而对于远程焊接 来说焊接时问相同，重复定位时间仅为0 2 秒。远程焊接的关键优势在于降低了 定位时间，这是由于装备了高速的光束扫描装置( 见图1 1 ) 。 第一章绪论 h 0 0 p t k 柏，# t l t d l h 圈1 1 远程焊接的关键优势是通过高速光m 1 描降低了定位时间 到目前为止，报多公司丌晨了这方面的研究，德国通快集团整合了大功率激 光器和机器人系统的远程焊接系统可用于替代传统电阻点焊，进行高速扫描焊 接，能节省高达6 0 的加工时间和3 0 的投资成本。r o f i n r w s 远稗焊接系 统t 口搭载最大功率可达8 k w 的高品质c 0 2 s l a b 激光器，并通过r w s 3 0 控制软 件，优化焊接路径实现高谜焊接，实现2 4 0 0 r a m 1 5 0 ( h n m 6 0 0 m m 加工面积内 平面及三维空间的点焊及叠焊。茭图i p g ( p h o t o n i c s ) 公司已经生产光纤激光器 和机器人系统的远程焊接系统如图1 - 2 是光纤激光器焊接汽牟牟门及焊缝形貌。 幽1 - 2 是i p g 公司光纤激光遥控焊接汽车车窗及焊缝形貌 目前，激光遥控焊接的类型主要有三种： 1 ) 高功率c 0 2 激光器、驱动系统、一个具有长焦距( 典型为1 0 0 0 毫米- 1 6 0 0 毫米) 的“远距离”扫描系统和检测系统组成。计算机驱动的运动系统按程序行走 第一章绪论 一段路程，就像机械手或c n c 控制器那样，便可完成对待焊金属薄板组件的激 光焊接。但是该系统由于采用一个具有长焦距的“远距离”扫描系统，使的焊接伸 缩范围不大，揉性化不是很高。 2 ) 高精度龙门框架、驱动系统、高功率激光器、光纤和三维旋转光束头和 检测系统组成，这种遥控系统具有加工范围大，加工精度高等特点。适合各种编 程和系统集成，至少可实现六坐标加工，即三维直线运动坐标( x ，y ，z ) 和三维转 动坐标( o ，f ，甲) 。所有坐标轴的驱动均采用交流伺服电机、直线滚动导轨、滚 珠丝杠螺母副等。这种遥控系统可靠性高，但造价也高。 3 ) 六自由度关节式机器人操作系统( 机座、支柱、腰、臂、腕) 、驱动系统、 高功率激光器、光纤、检测系统及激光工作头组成，关节式机器人由于它在相同 几何参数和运动参数条件下具有较大的活动空间，动作灵活，适于现场应用。它 可以至少进行六个坐标加工。 1 2 2 4 双焦点焊接 双焦点激光焊接可以在被焊接材料上形成间距很小的两个焦点，可实现激光 束的分束和叠加。两种双焦点技术产生原理如图1 3 所示，一个激光光源的分束 可以使焊接热源对称，减少焊接变形等缺陷。激光光源的叠加可大大提高激光功 率、生产的稳定性和降低对焊件装卡的要求。 t 。 ii 图1 - 3 两种双焦点产生原理 1 ) 激光光源的分束 汽车的许多部件中存在着大量t 型筋板、t 型接头等结构，需要在工件两侧 采用相同的焊接方式进行焊接。如果采用单光束光路系统，需要先焊接t 型接 头的一侧，然后再焊接另一侧，由于焊接热源不对称，很容易产生焊接变形等缺 陷。如果采用两台激光器提供双光束，由两套单光束光路系统将激光束聚焦成两 第一章绪论 个焦点，对t 型焊缝的两边同步进行焊接。由于两束激光来源于不同的激光器 且传输光路系统也不相同，两束激光的模式有一定的差异。此外，很难保证两激 光器光闸开闭完全同步，因而也影响了t 型接头焊接精度的进一步提高。最好 的方法就是通过分光镜片将一束高功率的激光分为两束，分别经光路传输并聚焦 成模式相同的两个焦点，用于t 型接头两侧焊缝的对称、同步、均匀焊接，大 大提高了工件的焊接效率和质量。 2 ) 激光光源的叠加 激光束经过聚焦后，激光焦点直径非常小，要有精密的夹紧装置，保持焊缝 间隙在很小的范围内，不然可能会出现直接透过焊缝或者激光偏离焊缝的现象， 影响焊接质量。另外，热影响区的温度梯度非常大，对工作性能产生不好的影响， 容易产生咬边等缺陷，复合焊接能解决这个问题，双焦点技术也能有效的防止上 述缺陷的发生。当两个焦点垂直于焊缝分布，焊接时焊缝熔宽比较大，不容易产 生焦点偏离焊缝的现象，从而可以降低对装配的要求。通过改变焦点间的距离和 焦点的分布来调节焊缝上的能量分布，双焦点沿焊缝分布的模式可以提高焊接工 艺性。另外激光器的功率是激光器价格的决定因素，功率大就会增加设备的成本， 双焦点技术还能提高激光功率，对于一些能用光纤传输的激光器多根光纤传输的 能量在工件上叠加，克服了单根光纤传输能量不高的缺陷，从而可以用于较厚板 材的焊接。 1 2 2 5 车用镁铝合金的激光焊接 随着车身防腐蚀和进一步降低车重的要求，铝材料巳经广泛应用在发动机、 轮圈、仪表板装饰及其它零部件上，材料与加工工艺是密切相关的，新材料的应 用伴随新工艺的产生。由于激光焊接本身的本身的优点，使激光焊接铝合金在国 外受到了广泛关注1 1 9 垅】。目前，激光焊接铝合金还主要是应用铝合金拼焊板， 大量用于车身制造上还是少见，只有在奥迪a 2 车身采用铝合金制造，铝材在整 个构架中取代钢材起承载重量和冲击力的作用。 最近，在汽车零部件的制造中出现镁合金。镁除了重量比铝轻以外，还具有 比强度和比刚度高、导热导电性能好、阻尼减震和电磁屏蔽性好、易于加工成形、 可以回收等优点，是理想的金属结构材料。目前，欧洲正在使用和研制的镁合金 汽车零部件有6 0 多种，单车用镁合金9 3 2 0 3 k g ；北美正在使用和研制的镁合金 汽车零部件已有1 0 0 多种，是世界上汽车用镁合金量最大的地区。目前，世界各 大汽车公司都已经把采用镁合金零部件的多少作为衡量其汽车产品技术是否领 先的标志。镁合金的铸造和塑性变形等零部件的制造都离不开焊接，并且与铝合 金相比，镁合金在焊接时更易形成疏松、热脆性较大的氧化膜及夹渣，其焊接工 第一章绪论 艺更为复杂。由于激光焊接焊接能很好的满足铝合金焊接的要求，近年来镁合金 的激光焊接和铝合金一样成为了研究的热点。 1 2 2 6 车用塑料的激光焊接 金属材料的激光焊接己经在汽车工业领域得到了较广泛的应用，但是当今 汽车车身的大趋势是力求减轻其重量，与金属相比塑料比较轻，因此塑料在汽车 上将得到了越来越广泛的应用【2 3 1 。如汽车的仪表板和仪表盘、刹车显示灯、方 向指示器等，而且原先许多传统使用金属的零部件( 汽车进气管、油箱、过滤器) 也丌始逐渐被塑料所代替。塑料的焊接局限于热塑性塑料的焊接( 例外情况是热 固性塑料的感应焊) ，因为只有热塑性塑料在加热时可以熔化或软化，而热固性 塑料加热时不能软化和重熔。近年来塑料的焊接主要还在使用超声波和振动的方 法。 伴随着激光技术的发展，激光焊接热塑性塑料的研究受到了广泛关注j 。 由于n d ：y a g 激光器和半导体二极管激光器发射的波长接近1um 光容易被塑料 吸收，因而适合用来焊接塑料。在使用激光焊接时，塑料的这种吸收特性是非常 重要的。塑料吸收辐射光的能力和辐射光对塑料的穿透力取决于的塑料组织结构 和激光光束的特性。对于c 0 2 激光器产生的激光辐射，塑料在其表面层进行吸 收，并引起塑料汽化。n d ：y a g 激光器和二极管激光器的辐射能穿透塑料聚合物， 产生一个焊接过程所必需的熔池。因此，目前，在塑料的焊接的研究上主要应用 的是n d ：y a g 激光器和半导体二极管激光器。 1 2 2 7 焊接在线检测 由于激光焊能量密度高，焊接深宽比大，其焊接质量比传统焊接方法高。但 是，如何保证激光焊接的质量，即激光焊接在线检测，所谓在线检测，是指利用 c c d 相机、电感、电容、声波、光电等各种传感器，通过对等离子体放出的光、 熔池压力变化引起的声音、焊件中机械应力引起的超声波、金属蒸气或等离子介 电常数的变化、或反射激光柬功率的监测，以及熔池及小孔的直接观察等，来判 定焊接过程的变化，并通过计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如焊 缝跟踪、熔池监控、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数，从 而实现自动化激光焊接。 早期的在线检测系统检测一般采用一到两个传感器采集焊接过程中的光或 声信号，从中可提取的有效信息较少，并且容易受到干扰，系统的可靠性差，且 只能用于监测焊接过程的稳定性【2 5 1 。最为典型的1 9 9 5 年宝马公司在b m w 5 系 列汽车车顶焊接中采用的德国p r e c i t e c o p t r o n i k 公司的激光焊接监控器( l w m ) ， 第章绪论 如图i - 4 ，它是基于一个光电二极管的传感器基础上的。近年来，采用多传感器 从多个方丽获取焊接质量信息成为一个研究的热点，多传感器的采用不仅可以获 取更为全面的质量信息，使焊接缺陷的识别成为可能，更大大提高系统在恶劣工 业环境下的可靠性。如s u n 等人通过采集与分析激光焊接过程中的紫外( u v l 、 红外( i r ) 、可听声波( a s ) 发超声波( a e l 等四种信号实现了焊接熔透状态和气孔的 监测；a l i 和f a r s o n 等人通过采集光辐射、可听声波及等离子体电荷等信号实现 薄板对接焊缝的质量诊断：p a r k 等人通过一个红外、两个紫外传感器实现了激 光剪裁拼焊的质量诊断1 2 6 - 2 7 1 。目前，国内也有许多单位儿展了这方面的研究， 例如：_ 天津工业大学、华中科技大学等。 幽1 4 德幽p r e c i t e c o p i r o n i k 公司的激光焊接：盥控器( l w m ) 12 28 激光焊接的数值模拟技术 许多焊接结构中由于焊接工艺本身的特点，焊缝接头存在着应力集l 】等各 种焊接缺陷。出于焊接应力分妇复杂，引起承载能力下降和焊接变形采用常规 的手段无法分析焊接应力分布和预测焊接变形，报难控制焊接总成的质量1 2 8 , 2 9 1 。 因此采用数学模拟技术进行焊接应力和焊接变形方面的研究根有必要。通过焊接 数学模拟，可以模拟出焊接过程中的应力变化及分布情况，为制定合理的焊接工 艺提供理论依据。目前，只能通过反复试验获得相对合理的焊接工艺但试验存 在着盲目性，并且试验周期长、投人人，若采用数学模拟技术，可以经济、快速 地模拟出正确的工艺方案。 目前在众多的激光焊接数学模型中，既有较简单的线热源模型，也盲考虑了 激光一光致等离子体相互作用或熔池流体流动等现象的复杂模型。丰要有半定量 模型、统计模型、解析模型、数值模型。这些数学模型太多是建立在对小孔形状 和能量传输等问题的简化基础之上的p 。随着诮算机技术及训锋理论的快速发 展，深熔激光焊接过程的数学模拟研究已有了很大的进展。迄今为止，还没有一 个模型能将影响深熔激光焊接过程的所有因素都考虑在内：实际上，无法或者也 第一章绪论 无此必要将每种因素都考虑在内，关键要建立实用、高效的激光焊接小孔和熔池 形状数学模型。数学模拟将使激光焊接工艺研究从“定性”走向“定量”。 1 3汽车变速箱齿轮总成国内外的发展状况 汽车变速器齿轮作为汽车传动部分的关键零件，决定汽车的动力传动性能， 其生产制造技术水平决定了其质量水平。随着汽车行业竞争的日趋激烈，采用高 效、高水平的齿轮生产制造技术成为其发展趋势。在其设计制造中，为减少重量 和体积，减轻齿轮冷加工及热加工的难度，提高生产效率，经常将齿轮分为各自 独立部分分别加工，然后将各部分复合在一起，形成一个整体，构成复合齿轮， 也称为齿轮总成，如齿轮与锥体( 接合齿) 构成的齿轮总成。复合齿轮的连接主 要有两种方式：花键连接和高能束连接。花键连接是通过内外花键实现连接，为 机械配合，其空刀槽较大，齿轮轴向尺寸大，生产效率低，已经不能够满足实际 大规模低成本生产需求，没有进一步发展空削3 1 j 。 高能束焊接主要是电子束焊和激光焊，它以光滑圆柱体配合连接形式代替花 键连接，使空刀槽减小，齿轮体积缩小，车辆减重，生产效率显著提高，已在国 际汽车生产中开始广泛应用。 采用齿轮焊接工艺使齿轮的机加工工艺流程缩短，生产效率提高，有效降低 制造成本。省去了插花键、粗磨、磨压装花键这些费时工序，而新增的清沈工序 时间3 秒件，激光焊接加工只需1 2 秒件，大大节约了加工时问，提高了生产效 率。同时由于将齿轮结构由传统的花键连接，改进为国际通行的焊接连接方式， 减小齿轮体积和结构复杂程度，提高了齿轮连接的强度和传动性能。 原生产工艺流程：精车一插花键一滚齿一倒棱一剃齿一热处理 一粗磨一磨压装花键一压装一精磨 采用激光焊接生产工艺流程：精车一滚齿一倒棱一剃齿一清洗一 压装一激光焊接一热处理一精磨 通过对毛坯成本、加工制造成本分析，采用激光焊接齿轮工艺与原有花键连 接工艺节约成本1 0 ，同时生产效率提高2 0 。 齿轮焊接后要求变形小，不破坏原材料性能，焊接强度高，传统焊接很难达 到上述要求。电子束焊接虽然有焊缝窄、热影响区小、深宽比高等优点，但它一 般需要在真空中进行，增加了设备的复杂性，而且抽真空时间较长，影响了生产 效率；目前非真空电子束焊接因技术复杂，设备昂贵，防x 射线辐射要求高，日 产运行费用很大。 激光焊接齿轮的特点是焊缝热影响区窄，焊接速度快，而且不需要焊后热处 第一章绪论 理，焊缝强度高，焊缝深宽比大，焊缝处具有相当或者优于母材的综合机械性能， 保证了齿轮可以传递较大的扭矩；加热和冷却速度快，焊接齿轮变形小，焊接后 的齿轮无需再精加工；加工过程具有高稳定性、高速性和准确性，还可以实现异 种材料之间焊接。与电子束焊接相比，激光焊接的主要优势在于：其焊接接头硬 度、塑性虽相差不多，但抗交变负荷能力要好许多；可在大气中焊接，不需要真 空室，对零件尺寸无限制，夹具装卸容易，几乎没有污染；由于无需真空焊接， 显著减少了停机准备时间，负荷系数和生产效率要高，激光焊接运转费用较低， 其单件加工费更低。美国的s p e c i a lw e l d i n gs e r v i c e s ( s w s ) 公司采用c 0 2 激光 焊接，其焊接效率是电子束焊接的1 5 倍，而单件的加工费用只是采用电子束焊 接费用的1 2 0 ，因此在变速器齿轮焊接方面，目前激光焊接已有取代电子束焊 接的趋势。 目前世界各大汽车制造商如a u d i ( 奥迪) 、f i a t ( 菲亚特) 、b m w ( 宝马) 、 n is s a n ( 尼桑) 和t o y o t a ( 丰田) 等竞相采用激光焊接变速器复合齿轮以提高 产品在国际市场上的竞争力。通用、福特、奔驰、丰田、大众、宝马、菲亚特等 已全部拥有自己的激光焊接生产线，且激光加工机数量以每年2 0 的速度增长。 经过与电子束焊接的多年比较后，美国三大汽车公司之一的克莱斯勒公司于 1 9 8 5 年便首次将激光焊接用于一种新型四速变速箱齿轮的焊接，这是激光焊接 第一次用于焊接汽车齿轮，也是激光焊接第一次用于汽车工业。八十年代末，美 国的k o k o m o 公司购进9 台6 k wc 0 2 激光器，用于齿轮激光焊接，生产能力提 高4 0 。 随后，英国的a u s t i nr o v e r ( 罗孚) 公司和德国的d a i m l e r - b e n z ( 戴姆勒 奔驰) 公司也将激光焊接应用于各自的新型变速箱齿轮，焊接效率较电子束提高 5 0 。 九十年代初，美国三大汽车公司己投入4 0 多台激光器用于齿轮传动部件的 焊接。奔驰公司利用激光焊接代替电子束焊接，因为前者焊缝热影响区小。 意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮费用只比老设备提高一倍生产 效率却提高5 7 倍。美国阿符科公司研制的h p l 工业用c 0 2 激光焊接机用于焊 接汽车转动组件的两个齿轮，焊接时间为1 秒，每小时可焊1 0 0 0 多件。福特公 司有2 0 台5 k w c 0 2 激光焊机，通用公司有1 1 台1 4 k wc 0 2 激光焊机专门用于汽 车齿轮焊接。克莱斯勒公司目前也有1 0 台6 - 9 k w c 0 2 激光焊机从事相同的工作。 国内汽车齿轮激光焊接正处于生产应用的初期阶段，已有少数公司和科研单位在 开展这方面的研究，如上海大众、长春一汽、天津一汽夏利、南昌齿轮厂、天津 工业大学、北京工业大学、武汉理工大学等，但和国外汽车生产技术水平相比， 有比较大的差距【3 2 3 5 1 ，目前还存在许多问题。 第一章绪论 1 4 本课题的来源及意义 本课题来自天津工业大学激光研究所杨洗陈教授与天津一汽夏利汽车齿轮 厂合作的横向项目的一部分。 汽车变速器齿轮作为汽车传动部分的关键零件，决定汽车的动力传动性能， 其生产制造技术水平决定了其质量水平。随着汽车行业竞争的日趋激烈，采用高 效的激光焊接汽车齿轮技术成为其发展