（机械工程专业论文）车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究.pdf

下身激光焊接夹具设计 j 入射角对焊接质量影响的研究 摘要 激光加工技术作为先进制造技术之一 在工业发达国家的汽车工业应用中已 越来越广泛 激光切割和激光焊接逐渐成为标准的加工工艺 三维激光切割技术 可以取代冲压工艺中的冲孔模和修边模 不仅节省了大量的设计制造成本 而且 缩短了新车型的开发周期 激光焊接技术应用于白车身焊接 大大提高了车身的 强度和刚度 增加了车身的安全性 而且有利于车身的轻量化 本文对白车身切 割焊接柔性生产线和焊接柔性夹具进行了初步设计 激光光束入射角对焊接质量 的影响作为车身焊接中的难点问题之一 本文就该问题进行了重点研究 首先 对白车身切割焊接生产线和柔性焊接夹具进行了研究 分析了车门结 构和基于激光焊接的工艺 基于柔性化和安全性的考虑 对生产线总体布局进行 了设计 按照技术上先进 经济上合理 生产上适用的原则 对该生产线主要设 备进行了选型和设计 基于标准化 模块化的设计思想 设计和试制了车身激光 焊接柔性夹具 其次 论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用 对车身常 用板材一镀锌板的几种焊接方法进行了比较 即激光焊接 弧焊 电阻点焊 总 结分析了镀锌板激光焊接的难点和影响焊接质量的主要因素 提出了提高焊接质 量的方法 包括 工艺措施法 优化参数和焊接过程法 在线检测控制法 最后 针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究 通 过正交试验选取光束垂直入射焊接时较佳的工艺参数 在该参数下 改变光束入 射角 进行焊接试验 对试验结果做了大量的焊后检测分析 包括焊缝表面形貌 焊缝截面 拉剪试验 硬度 金相等 通过试验数据的处理和分析 得出了入射 角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下临界入射角 为激光焊接在 车身上的应用奠定了基础 关键词 白车身 生产线 柔性夹具 入射角 工艺 质量 a b s t r a c t l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a so n eo ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u 舯g t e c h n o l o g i e s h a sb e e na p p i i e d m o r ea n dm o r ew i d e l yo nt h e a u t oi n d u s t r yo l i n d u s t r i a ld e v e l o p e dc o u n t r i e s l a s e rc u t t i n ga n dw e l d i n gg r a d u a l l yb e c o m et h e s t a n d a r dp r o c e s s t h r e e d i m e n s i o n a l l a s e rc u t t i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a nr e p l a c e p u n c hd i ea n dt r i m m i n gd i ei nt h es t a m p i n gp r o c e s s c a nn o to n l yr e d u c et h e c o s to t d i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e b u ta l s og f e a t l ys h o r t e nt h ed e s i g nc y c l eo f an e wc a r l a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a nb ea p p l i e di nb o d y i n w h i t e b i w a s s e m b l y w e l d i n g c a nn o to n l yi m p r o v et h es t r e n g t h s t i f f n e s sa n ds e c u r i t y o ft h eb o d y b u t a l s or e d u c et h ec o n s u m p t i o no fb o d ym a t e r i a la n dw e i g h t t h eb i w l a s e rc u t t i n ga n d w e l d i n gp r o d u c t i o nl i n e a n dn e x i b i l i t yf i x t u r eh a v eb e e ni n i t i a ld e s i g n e d i n t h i s p a p er t h ee f f e c to fl a s e rb e a mi n c i d e n ta n g l e o n g a l v a n i z e d s h e e tw e i d l n g p e r f o r m a n c ei sad i 舔c u l tp r o b l e m w h i c hh a sb e e nm a i n l yr e s e a r c h e d f i r s t l v t h eb i wl a s e rc u t t i n ga n dw e l d i n gp r o d u c t i o nl i n ea n dn e x i b i l i t yf i x t u r e h a v eb e e nr e s e a r c h e d t h es t r u c t u r ea n dp r o c e s so ft h ed o o rh a v eb e e na n a l y z e d b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no fn e x i b l ea n ds a f e t y t h e o v e r a l ll a y o u to fb i wi s d e s i g n e d a c c o r d i n gt op r i n c i p l e o fm o d e r nt e c h n i q u e s e c o n o m y a n dp r o d u c t l o n p r a c t i c e s e l e c t i n ga n dd e s i g n i n gt h em a i ne q u i p m e n t s b a s eo n t h ed e s l g el d e ao 士 s t a n d a r d i z a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n t h eb i w f l e x i b l el a s e rw e l d i n gf i x t u r eo fb l w w a sd e s ig n e da n dt r i a l p r o d u c e d s e c o n d l y t h ep r i n c i p l eo fl a s e rw e l d i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni na u t om a n u f a c t u r e a r ed i s c u s s e d s e v e r a lw e l d i n gm e t h o d so fg a l v a n i z e ds t e e ls h e e ta f ec o m p a r e d t h a t i n c l u d el a s e rw e l d i n g a r cw e l d i n g r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g t h ed i m c u l tp o i n t o l g a l v a n i z e ds h e e tl a s e rw e l d i n ga n dm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fw e l d i n g p e r f 0 r m a n c e a r ea n a l y z e d t h em e t h o d so fi m p r o v i n gw e l d i n gp e r f b r m a n c e a r ep r o p o s e d i n c l u d i n gc h a n g ep r o c e d u r em e a s u r e o p t i m i z ep a r a m e t e r a n dw e l d l n gp r o c e s s o n 1 i n ed e t e c t i o nc o n t r o l s f i n a l l v t h ee f k c t so fl a s e rb e a mi n c i d e n ta n g l eo ng a l v a n i z e d s h e e tw e l d l n g p e r f 0 彻a n c eh a v eb e e ni n t e n s i v es t u d y t h er e l a t i v e l y i d e a lp r o c e s sp a r a m e t e r sl s 0 b t a i n e db yo r t h o g o n a l t e s t t h e ng a l v a n i z e ds h e e tw e l d i n ge x p e r i m e n tu n d e r d if f e r e n ti n c i d e n ta n 9 1 e sw e r ec a r r i e do u tb a s e do nt h er e l a t i v e l yi d e a lp a r a m e t e f so l v e r t i c a li n c i d e n c e t h et r a n s v e r s ew e l dt o p o g r a p h y t h ec o n n e c tw l d t hb e t w e e n 车身激光焊接央具设计与入射角对焊接质量影响的研究 p l a t e sa n dt e n s i o na n ds h e a rl o a d h a r d n e s s m e t a u o g r a p h i cs t r u c t u r ew e r ea n a l y z e d w h e nt h ei n c i d e n ta n g l ec h a n g e d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n td a t a t h ee f f b c t so fl a s e r b e a mi n c i d e n ta n g l ev a r i a t i o no n g a i v a n i z e d s h e e t w e l d i n gp e r f b r m a n c ea n d t h r e s h o l di n c i d e n ta n g l eh a v eb e e no b t a i n e d t h i ss t u d yw i l ll a yt h ef o u n d a t i o nf o r 1 a s e rw e l d i n ga p p l i e dt ob i w k e yw o r d s b o d y i n w h i t e p r o d u c t i o nl i n e f l e x i b i l i t yf i x t u r e i n c i d e n ta n g l e p r o c e s s q u a l i t y l v 硕j 学位论文 插图索引 图1 1 激光加工技术在车身制造中的应用 1 图1 2 意大利c o m a u 的o p e n r o b o g a t e 柔性混流生产线 3 图1 3 车身专用焊接夹具 5 图1 4 戴美乐三维夹紧系统 5 图1 5t o r r e s t o o l 柔性装夹系统 一5 图1 6 丰田全球车身制造系统 6 图1 7f a n u cf 1 0 0 a 夹具系统 6 图1 8 焊接头和夹具干涉图 7 图2 1 车门内板总成结构示意图 一1 0 图2 2 车门生产线总体布局图 ll 图2 3 车门激光焊接作业流程图 1 l 图2 4 侧围生产线总体布局图 1l 图2 5 扩散型s l a bc 0 2 激光器 1 3 图2 6s e s a m o 型三维激光切割机床 1 4 图2 7 激光切割机器人 1 4 图2 8 切割头六轴运动轨迹示意图 1 4 图2 9 光路传输示意图 一 1 4 图2 1 0 网格夹具c a d 图和实物图 1 6 图2 1l 原子灰快速成型夹具c a d 图 1 7 图2 1 2 光纤激光器 一1 8 图2 1 3i r b4 4 0 0 l 3 0 机器人图 1 9 图2 1 4i r b4 4 0 0 l 3 0 机器人工作示意图 1 9 图2 15p r e c i t e cy w 5 0 焊接头 2 0 图2 1 6 机器人和焊接头连接法兰 2 0 图2 17 传统车身焊接夹具 2 1 图2 1 8 不利于激光焊接的车身结构 2 2 图2 1 9 激光焊接和电阻点焊凸缘结构 2 3 图2 2 0 激光卷对接焊与电阻点焊车身结构 2 3 图2 2 l 定位元件 2 4 图2 2 2 移动定位元件 2 4 图2 2 3 夹紧元件 2 5 图2 2 4 激光柔性焊接夹具方案一 2 5 v h 车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究 图2 2 5 激光柔性焊接夹具方案和连接板 2 6 图2 2 6 激光柔性焊接夹具方案三和调节螺柱图 2 6 图2 2 7 激光柔性夹具方案图 2 7 图2 2 8 夹具阵列孔底板 2 7 图2 2 9 车门分总成的柔性焊接夹具图 2 8 图3 1 激光拼焊示意图 3 0 图3 2 激光拼焊在车身中的应用 3 0 图3 3 白车身激光组焊 3 1 图3 4 上下板表层锌蒸气排出图 3 4 图3 5 中间锌层排出图 3 4 图3 6 镀锌板焊接质量的影响因素 3 5 图3 7 汽车激光焊常见焊接接头形式 3 7 图3 8 汽车激光焊焊接接头形式 3 8 图4 1 试验原理图 4 5 图4 2 试验现场图 4 5 图4 3d c 0 2 5 型板条式c 0 2 激光器及其模式 4 6 图4 4s e s a m o 型三维激光切割机床 4 7 图4 5 不同光束入射角下板厚1 2 m m 1 2 m m 焊缝表面形貌 5 0 图4 6 不同光束入射角下板厚o 8 m m 0 8 m m 焊缝表面形貌 一5 l 图4 7 不同入射角下板厚1 2 m m 1 2 m m 搭接接头截面形状 5 2 图4 8 不同光束入射角下光斑上能量作用位置的变化 5 2 图4 9 不同入射角下板厚0 8 m m 0 8 m m 搭接接头截面形状 一5 3 图4 1o 拉伸试样 5 4 图4 1 1 所承受的拉剪载荷随入射角度变化 5 5 图4 1 2 间隙不同时拉剪载荷随入射角度变化 5 5 图4 1 3 板厚1 2 m m 1 2 m m 拉剪试验断口位置 一5 5 图4 1 4 板厚0 8 m m o 8 m m 拉剪试验断口位置 5 6 图4 1 5 不同入射角时硬度分布 5 6 图4 1 6 不同入射角时焊缝截面图 5 7 图4 1 7 母材区金相组织 5 8 图4 18 热影响区金相组织 5 8 图4 1 9 焊缝区金相组织 5 8 v l l i 硕 上学位论文 附表索引 表2 i 激光器主要技术参数 一1 3 表2 2 龙门式混合光路和飞行光路比较 1 5 表2 3 三维激光切割机床主要技术参数 1 5 表2 4 不同种类激光器性能比较 1 8 表2 5 不同机器人性能比较 1 9 表2 6a b bi r b4 4 0 0 l 3 0 型号机器人的主要技术参数 2 0 表3 1 钢与锌的熔沸点比较 3 2 表3 2 镀锌板常用几种焊接方法比较 3 2 表4 1r o f i nd c 0 2 5 激光器主要技术参数 4 6 表4 2 试验材料的力学性能和化学成分 质量分数 4 7 表4 3 正交试验因素水平表 4 8 表4 4 正交试验方案 4 9 表4 5 入射角试验参数 5 0 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 激光加工概况 激光技术是二十世纪与原子能 半导体及计算机齐名的四大发明之一 l9 6 0 年6 月 美国人t h m a i m a n 研制出了世界上第一台实用的红宝石激光器 激光加 工技术经过几十年的发展 已经成为工业生产中的一项常用技术 激光加工作为 一种非接触 低噪声 无污染 节省材料的绿色加工技术还具有信息化的特点 便于实现智能控制和加工技术的高度柔性化 是典型的集光 机 电 材料 热 物理等诸多学科于一体的先进加工技术 激光技术已在工农业生产 通信 军事 医疗卫生 能源等许多方面获得了重要应用 激光 l i g h ta m p l i n c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n 是原子核电子 受激辐射经光放大而形成的光辐射 具有很多不同于普通光的特性 如 单色性 相干性 方向性和高光强等 因此 激光束作为一种特种加工的能源 和传统加 工相比具有一系列的优点 激光束易于传输 其时间特性和空间分布容易控制 易于实现自动化 激光束聚焦后的光斑具有极高的功率密度 可以加热熔化甚至 汽化任何材料 可以进行局部区域的精细快速加工 加工过程中工件的热影响和 热变形都很小等 这些优点极大地推动了激光在材料加工行业中的应用 激光被 誉为 未来制造系统的共同加工手段 2 1 在工业生产中 激光加工主要用于切割 焊接 打孔 表面处理 打标等行 业 近年来 又开辟了一些新的应用领域 如激光成型与校形 激光微细加工 纳米材料制备及激光复合加工 激光快速制造等 目前 它已发展成为一个世界 范围内的产业 在欧洲各国中 诸多激光加工应用中最多的领域是激光切割 但 增长最快的加工类别却是激光焊接 在汽车制造业 激光焊接得到了最为广泛的 应用 技术也日趋成熟 图i 1 激光加工技术在车身制造中的应用 车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究 激光切割和焊接作为汽车制造业新加工方式 是一个具有很大发展潜力的方 向 在国际汽车工业界 激光加工技术己广泛应用于汽车制造中 激光切割与焊 接逐渐成为标准的加工工艺 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 而且对汽车制造的安全 节能 环保和快速换型有重要 影响 据估计 在车身制造工艺中采用激光加工技术 可节省2 3 的新车身开发 模具和约7 0 的夹具 使生产周期缩短5 0 白车身重量减少约2 0 制造精 度 形状 尺寸等 和白车身总体质量 刚度 强度等 显著提高b 图1 1 所示为激 光加工技术在车身制造中的应用 1 2 白车身柔性焊接生产线和柔性焊接夹具研究现状 1 2 1 白车身焊接生产线研究现状 1 2 1 1 国外现状 汽车产生于1 9 世纪末 福特汽车公司开发出了世界上第一条汽车生产流水 线 代替了早期的手工作坊式生产 福特生产线吸收了流水线和互换性的设计思 想 以标准化 具有互换性的零部件进行t 型车的组装 实现了汽车的大批量 生产 这种大批量生产方式极大的提高了生产效率和降低了生产成本 但是福特 生产模式每条生产线只能生产单一品种的车型 造成了资源的极大浪费 2 0 世 纪5 0 年代 欧洲汽车厂家把大批量生产和产品差异化结合起来 产品差异化即 针对不同的市场和客户 设计不同的产品和营销计划 这使得欧洲汽车汽车产量 逐渐超过了北美 由于汽车行业竞争的加剧 消费者需求趋于多样化 个性化 汽车品种开始逐渐增多 更新周期也越来越短 但之前单一 刚性的生产方式只 能满足大批量的生产 小批量生产必然带来成本的增加 上世纪六七十年代 丰 田公司吸收福特生产模式的原理 根据自身实践 创造出一套以准时化生产和全 面质量管理方式为主要特征的新型生产系统 即 精益求精 生产系统 开发出 了世界第一条柔性汽车生产线 使一条生产线能够适应多个品种的汽车车型生 产 精益求精 的生产方式也受到了世界其它工业国家的追捧 在其它工业行 业也得到了广泛的应用 如今 随着自动化技术 计算机技术以及机器人技术的发展 生产线大量应 用柔性化的设备 汽车通用平台技术的发展可以实现在同一条生产线上完成多种 车型的快速组装 减少生产线的建设数量和占地面积 提高自动化程度及生产效 率 显著降低新车型投资 世界各大汽车生产商均采用了此种生产模式 有的可 以实现五种甚至是六种车型的混流生产 切换速度快 生产效率高 节约了大量 的成本 硕士学位论文 图1 2 意大利c o m a u 的o p e n r o b o g a t e 柔性混流生产线 图1 2 所示为意大利c o m a u 的o p e n r o b o g a t e 柔性混流生产线 该生产线 包括6 台焊接机器人 6 6 套侧围夹具 l l 套传输系统 2 2 个传输小车 6 6 套侧围央具支撑 l l 侧围快速夹紧定位y 向平移机构 占地2 8 9 m 1 8 m 实 现一个平台6 种车型的柔性生产 该系统柔性很好 切换很方便 适应多种结构 的车身 不足之处是占地面积大 控制系统复杂 价格高 焊装做为汽车四大生产工艺之一 焊装的车身质量关乎到车身的外观质量及 总装装配的难易程度 焊装生产工艺在四大工艺中起到承上启下的作用 目前大 众 通用等世界各大汽车生产厂商大多采用了汽车白车身激光焊接系统进行车身 焊接 建立了激光白车身焊装生产线 1 2 1 2 国内现状 国内汽车工业起步较晚 19 5 6 年生产出中国第一辆解放牌汽车 生产线为 早期福特大批量刚性生产方式 生产方式简单落后 到了八十年代 国内汽车生 产企业和国外企业成立合资企业 即走引进 模仿 国产化的道路 近些年由于国内汽车行业竞争的加剧 大量引进国外车型 汽车的库存开始 增加 原有的大批量刚性生产线产能过剩 国内所有的汽车厂家都在寻找柔性化 生产方式 进行单一平台多车型共线生产 上海大众 一汽大众等企业已经实现 了一条生产线生产两种或两种以上的车型 目前国内汽车公司的焊装生产线焊接方式大多采用电阻点焊 且大部分为人 工操作 机器人应用较少 依然以劳动密集型为主 产品标准化程度较低 产品 质量也不高 生产线上的加工检测设备也以进口为主 比如车身激光焊 这是轿 车车身制造的关键技术 对提高汽车质量和安全性能起着重要作用 但目前这项 技术却为国外所垄断 国内只有合资企业才能通过引进设备使用这种焊接技术 在民族品牌汽车中 几乎还是空白 1 下身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究 1 2 2 车身柔性焊接夹具理论研究和应用现状 1 2 2 1 柔性夹具的理论研究现状 国内外的很多高校和科研单位在柔性夹具及其设计理论方法方面进行了大 量的研究 a m a r k u s 等人研制了一个用于箱体类组合夹具设计的基于p o r l o g 语言的专 家系统 当输入工件的形状 定位加紧点等信息 该专家系统能够自动选取合适 的夹具模块哺1 t h o m p s o n 和g a n d h i 在19 8 6 年提出了一种夹具模块化设计方法 r e m i c k h u 和w u 于1 9 9 3 年提出一种运用有限元分析和非线性优化的薄板 夹具设计方法 将优化结果通过价值函数分析来确定装配工序中最优夹具定位单 元数 1 c a i h u 和y u a n 于1 9 9 6 年提出了适合于车身薄板件夹具设计的 n 2 1 定位原理 在薄板件法方向即第一基准面应用多于3 个定位点去限制这一方向的 零件变形 其中的最优的定位点数 n 可利用有限元分析软件和非线性规划方 法找到 1 l e e 提出了关于p r r 型定位机器人的柔性夹具定位空间综合方法n 引 我国学者于8 0 年代中后期也开始对组合夹具元件的设计与管理进行了研究 和开发 在总结和吸取我国应用和发展槽系夹具经验的基础上 根据现代机械加工 特征及夹具的发展趋势 研制了新一代孔系组合央具系统 北京工商大学麻建东 和刘璇开发了组合夹具元件库 1 山东工业大学的徐志刚基于广义映射原理 开发了支持 t o p d o w n 的组合夹具设计自动化软件系统 为央具结构设计自动 化软件系统的开发探索出一条新的途径n 引 清华大学张展生等提出一种全新的由机器人调整的可重构汽车车身焊接夹 具 该夹具充分利用了焊装生产线上工业机器人的高精度与柔性自动化能力 并 采用 一步直拉式 夹具定位调整方法 实现夹具的快速自动化构建与调整n 朝 由于夹具设计过程中的随机因素较多 迄今为止 所开发的夹具设计系统还 很少应用于实际生产 1 2 2 2 车身柔性夹具的应用现状 柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后 夹具还能够适应这种变化并 继续使用的具有一定应变能力的夹具 目前国内汽车公司所用的夹具普遍都采用一个焊接工位设计一套央具 当工 位发生较大变化时就重新设计一套新的夹具 这就导致了车身制造成本的上升和 效率的下降 同时延长了新车型的研发周期 如图1 3 所示 4 硕士学位论文 图1 3 车身专用焊接夹具 德国戴美乐公司研发的三维央紧系统通过结构模块化系统 能准确 快速夹 紧各种形状和尺寸的工件 主要使用对象是生产小批量 多品种 高精度的焊接 加工单位 戴美乐三维夹紧系统如图1 4 所示 图1 4 戴美乐三维夹紧系统 图1 5t 0 r r e s t o o i 柔性装夹系统 图1 5 所示为西班牙m t o r r e s 集团公司设计制造的t 0 r r e s t 0 0 l 柔性装央系 统 这套系统最典型的结构是卧式三轴 它由若干个排架组成 每个排架在计算 乍身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究 机程序指令控制下可独立沿x 轴方向移动 每个排架下有若干个支撑杆 每个 支撑杆也是由计算机程序指令控制下沿y z 轴独立移动 在每个支撑杆的项端有 一个专门设计的可制动调整的吸盘 能在任意方向4 5 0 倾斜 用作系统的术端受 动器 是设备和航空部件的接触点 该系统较贵 每套数百万美元 1 丰田汽车公司全球车身制造系统 g l o b a lb o d yl i n e 简称g b l 采用内置式夹 具 如图1 6 所示 图示上图是柔性生产系统 f l e x i b l eb o d yl i n e 简称f b l 焊装 央具 其包括三套高精度且昂贵的央具 从车身的左 右 卜方对车体固定 如 图中红色 而g b l 核心之处在于 由内向外 的设计理念 从车体内部由一台 央具支撑并固定车体 夹具从敞开的顶部伸入 按车身结构设计的内部定位点定 位并按车身定位央紧方案进行夹紧 当侧面焊接完毕后 夹具从车体中抽出 车 体则随着生产线移动到下一工位 进行补焊 并安上车顶盖 对车项盖进行焊接 陔央具柔性很好 技术水平较高 通用性和互换性较好 投资也相对较小 当然 这需要相当精确的定位尺寸配合 而且其生产装备和质量控制与车身设计互为依 托 对车身结构设计要求很严 行业推广有很大的困难 g b l 图1 6 丰田全球车身制造系统图1 7f a n u cf 1 0 0 a 夹具系统 图1 7 所示是同本f a n u c 公司生产的f 10 0 a 夹具系统 该系统是一款可编 程的自动央具安装平台 每个央具平台由4 个或5 个伺服电机驱动的轴控制 通 过改变其运动程序 方便地实现不同定位基准的工件在州一个央具平台上生产 陔火具平台具有高刚性 编程简单 维修方便等优点 不仅适合整车焊装线 也 适合各分总成和零部件的多品种共线生产 但是该系统成本很昂贵 一次性投入 常高 1 3 激光光束入射角对镀锌板焊接质量影响的研究现状 镀锌板匿l 其良好的抗腐蚀性能而被广泛应用于各个领域 包括电力 交通 建筑 化工 通风供热设旋以及家具制造等行业 尤其在汽车制造中 各种普通 6 硕 学位论文 镀锌板 高强度镀锌板 超高强度镀锌板的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀 性能和汽车的使用寿命 通常8 6 m 厚镀层的镀锌板在大气中的使用寿命不低于 2 0 年 5 3 锌蒸气是影响镀锌板激光焊接质量的主要因素 减少锌蒸气的蒸发 和使其有效排出是当前的研究热点之 目前 提高焊接质量的方法主要有以下 三种 特定工艺措施法 卜圳 优化参数和焊接过程比9 1 在线检测控制阳0 3 6 j 激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激光光斑面积和反射率 进而 影响激光功率密度 而激光功率密度对激光焊接具有重要影响 国内外学者对激 光光束入射角偏转对激光加工质量的研究这一课题做了一定的研究 图1 8 焊接头和夹具干涉图 韩国学者c h e o l h e ek i m 等人研究了使用d i s k 激光器的激光远程焊接 研 究认为光束入射角小于等于2 0 0 时可以得到连续穿透焊缝 大于2 5 0 时 焊缝则 不连续m 1 湖南大学的陈根余 刘旭飞等对入射角改变时激光切割质量进行了研究 研 究认为光束入射角增加后会导致反射加大 实际输入工件材料的激光能量减少 入射角改变会导致切缝宽度变化 入射角在2 0 0 范围内变化时 对切割面租糙度 的影响很小 入射角超过2 0 0 时 切割面会严重过烧 粗糙度大大增加 切割质 量很差m 3 山东大学的刘杰 孙胜 管延锦等 刚研究了激光弯曲成型过程中激光入射 角变化对材料吸收率的影响 实验结果表明 在采用激光对具有吸收层的工件进 行多次扫描时 由于变形部分入射角增大引起激光吸收率提高 以及光斑面积增 大引起激光功率下降 从而导致作用于工件表面的激光能量因素改变 这是弯曲 角度发生变化的主要原因 董志娟 栾贵时n 叫研究了不同激光入射角度对表面硬化效果的影响 研究 结果认为 相同的激光硬化工艺处理参数 激光功率 扫描速度 离焦量 下 入 射角度越大 硬化层越浅 表面显微硬度也逐渐减小 淬硬层的宽度逐渐增大 但是关于激光光束入射角变化对镀锌板焊接质量的影响却没有相应的研究 激光光束入射角改变对焊接质量有着重要影响 生产实践中应用激光焊接白车身 车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究 时 因为焊接头不同于电阻点焊焊枪 其尺寸比较大 经常会和车身零部件及工 装夹具产生干涉 使焊接过程无法顺利进行 如图1 8 所示 而激光焊接头偏转 一定角度 可以很大程度上避免上述干涉 因此 开展激光光束入射角对镀锌板 焊接质量的研究具有重大的研究意义和实际应用价值 1 4 课题的研究背景和意义 汽车工业做为一个国家的支柱产业 其水平的高度在一定程度上代表了一个 国家工业水平的高度 汽车行业的竞争实际上就是汽车质量的竞争 汽车生产成 本的竞争 汽车经济效益的竞争 当前全球汽车企业之间的竞争越来越激烈 为 了在激烈的市场竞争中赢得先机 各汽车厂家的新款车型推出周期越来越短 同 时 随着年轻的消费者对汽车产品个性化需求越来越高 传统的单一大批量刚性 生产方式正逐渐被小批量 多品种 个性化的柔性生产模式所代替 因此 快速 的响应市场多元化的需求 建立柔性化的生产线 缩短新车型的推出周期对汽车 企业至关重要 汽车车身夹具作为汽车生产线的关键技术之一 其柔性水平很大程度上决定 了生产线柔性的水平 传统的汽车焊装夹具一般只能满足单一零件的工件装夹 当工件更换时 夹具也随之更换 这不断浪费了大量的资源和生产成本 而且间 接延长了整个生产线和新车型的研发周期 因此 研制柔性化的汽车焊装夹具对 于柔性生产线的实现和新车型的研发具有重要的意义 激光焊接作为一种新的加工手段 其在汽车车身上得到了广泛的应用 激光 焊接不仅减轻了白车身的重量 提高了白车身的强度和刚度 而且更容易实现白 车身焊接的柔性化和智能化 提高生产效率 镀锌板因其优越的防腐性在车身上 得到大量使用 镀锌板的激光焊接因为锌蒸气的沸点低 易蒸发 不易排出的锌 蒸气对焊接质量有严重不良影响 车身镀锌板激光焊接时 激光焊接时焊缝位置 的不同 会导致焊接方式和焊接角度随焊缝位置的变化而变化 由于车身零部件 以及焊装夹具结构的限制 焊接聚焦镜组不能总是垂直于焊缝来焊接 焊接头需 要偏转一个角度才能完成焊接 激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激 光光斑的大小和吸收率 进而影响激光功率密度 从而影响加工质量 因此进行 不同激光入射角度下的焊接试验研究 对激光焊接在汽车车身上的应用具有重大 的现实意义 1 5 本文的主要研究内容 本文的课题来源有国家8 6 3 重点项目 汽车白车身激光切割焊接生产线 项目编号为 2 0 0 7 a a 0 4 2 0 0 6 国家 高档数控机床与基础制造装备一科技重大 专项资助 编号 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 7 0 2 l 国家自然科学基金资助 项目编号 5 0 5 7 5 0 7 0 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题 8 硕f 学位论文 6 0 8 7 0 0 0 4 项目资助 本文对白车身生产线的总体布局进行了设计 对生产线主 要设备进行了选型 并对关键单元技术焊装柔性夹具和激光光束入射角偏转时镀 锌板焊接工艺进行了重点研究 主要内容包括以下几个方面 1 对白车身切割焊接生产线的主要研究对象车门进行了结构和工艺分析 基于柔性化和安全性的考虑 对生产线总体布局进行了设计 按照技术上先进 经济上合理 生产上适用的原则 以及可行性 维修性 操作性和能源供应等要 求 对该生产线主要设备进行了综合比较分析和选型 2 总结分析了激光车身焊接夹具的特点 基于激光焊接工艺探讨了车身结 构设计制造改型 按照模块化 标准化的设计思想 采用n 2 1 定位原理 设计 和试制了车身激光焊接柔性夹具 3 论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用 对车身常用 板材 镀锌板的几种焊接方法进行了比较 即激光焊接 弧焊 电阻点焊 分析 了镀锌板激光焊接的难点主要是焊接过程中产生的锌蒸气对焊接质量的不利影 响 分析总结了影响镀锌板激光焊接的主要因素和提出了改善焊接质量的方法 方法包括工艺措施法 优化参数和焊接过程法 在线检测控制法 4 针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究 通过 正交试验及后续试验选取了在光束垂直入射焊接时较佳工艺参数 在该参数下 改变光束入射角 进行不同入射角焊接试验 对试验结果做了大量的焊后检测分 析 包括焊缝表面形貌 焊缝截面 拉剪试验 硬度 金相等 通过对试验数据 的处理和分析 得出了入射角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下 的临界入射角 为激光焊接在车身上的应用奠定了基础 9 下身激光焊接央具设计及入日t 角对焊接质量影响的硼f 究 第2 章车身激光切割焊接柔性生产线和柔性夹具设计 本生产线针对我国自主品牌新车型丌发和小批量定制需求 包括激光切割 激光焊接两大巾元 白车身零部件由三维五轴激光切割机床切割成形 然后输送 到焊接单元焊接成白车身分总成 在焊装线上 焊装央具作为最主要的组成部分 其柔性很大程度 决定了生产线的柔性 2 1 工件结构和工艺分析 本生产线主要包括激光切割 激光焊接两大单元 切割单元将冲压拉伸后的 白车身零部件进行激光修边 切孔 激光焊接单元进行白车身分总成 如 车门 侧围 行李箱盖等 的合件 组件的激光焊接 本生产线加工对象j i 要为汽车白 车身车门 也可加工白车身侧围 车门主要由内板 i j 锁加强板 铰链加强板 外装饰带加强板 内装饰带加强板 玻璃导槽 防掩杆和外板组成 车门内板总 成结构示意图如图2 1 所示 图2 1 车门内板总成结构示意图 2 2 生产线总体布局设计 随着汽车制造业的高速发展 汽车的更新换代周期越来越短 i j 型产品越来 越多 为了应对市场的变化 满足多品种 短周期 小批肇的要求 生产模式越 来越向柔性化方向发展 激光切割焊接过程中 激光辐射具有危险性 出于安令 忡的考虑 加工要求在一个封闭空川内 因此必须安装封闭的安全门 如图2 2 2 3 所示为车门激光焊接生产线总体析i 局和车门激光焊接作业流程图 图2 4 所 玎j 为侧 激光焊接生产 线总体布局图 硕 l j 学位论文 图2 2 车门生产线总体布局图 丛牺 叫 1 ip 匿丽 防撞抒支架 装饰带加强 防叫一 图2 3 车门激光焊接作业流程图 气柜 系统捏翱巨 教光嚣拄撕巨 鼍光蓦 图2 4 侧围生产线总体布局图 布局图中左边区域是切割单元 冲压好的工件通过切割夹具快速固定后进行 三维激光切孔 修边 右边区域是激光焊接单元 包括两台焊接机器人 四个工 位的焊接夹具 激光器 安全门等配件 通过对机器人周边装置和控制系统的柔 性设计 最大程度地发挥机器人特点 使一套机器人系统能够根据需要焊接多种 零件 适应产品多样化和改进的要求 从而满足汽车行业r 益加剧的多品种 小 批量的生产要求 自 一 q 厨 塑 黝 于一 刘一 产蛐 釜燃 r r l i 车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究 为了缩短新车型研发周期 节约成本 满足多品种 小批量的生产要求 生 产线必须具有一定的柔性 本生产线的柔性主要体现在以下几个方面 1 激光切割单元采用三维五轴激光切割设备 可以满足汽车白车身零部件 的修边 切孔 切割头喷嘴的电容传感器在一定范围内能够调整并保持切割头喷 嘴和零件的相对位置 可以大大提高切割头的加工范围 切割不同的零部件只需 更换夹具 选择事先编制的相应切割程序即可 切割程序为离线编程 快速 简 便 激光焊接单元采用高精度焊接机器人 机器人本身就是柔性化程度很高的设 备 焊接程序既可采用离线编程 也可采用机器人示教编程 2 激光切割夹具和焊接夹具具有一定的柔性 激光切割夹具有两种 对大 批量 结构较复杂零件 可采用网格夹具 网格夹具采用离线编程 通过激光切 割 经过简单组装即可 对小批量 结构简单零件 可采用原子灰快速成型夹具 不同零件切割时 夹具体完全不用更换 只需通过锁紧螺母调整夹具体高度 并 根据车身零部件型面不同涂抹原子灰 原子灰半个小时左右即可凝固 焊接夹具 为自行设计制造的适合于激光焊的柔性焊接夹具 具有互换性 通用性 可适应 一定范围内的车身零部件的变化 当更换同类型零件时 无需重新设计制造夹具 只需进行三维调整 并更换某些型面及相应模块即可 3 激光焊接单元具有较高的柔性 本焊接单元主要包括两台机器人 多工 位焊装央具 激光器等 当车身零部件较小时 如车门 行李箱盖等 两台机器 人可分别焊接不同工件 如图2 2 所示 车身零部件较大时 如侧围 两台机器 人合焊一件工件 如图2 4 所示 2 3 生产线的主要设备选型和设计 设备选型必须满足生产工艺要求和市场供应情况 以及可行性 维修性 操 作性和能源供应等要求 按照技术上先进 经济上合理 生产上适用的原则 进 行综合调查和分析比较 选择最适合的产品 2 3 1 激光切割单元主要设备选型 2 3 1 1 切割用激光器 激光切割光源要有很高的光束质量 为了得到高的功率密度和精细的切口 聚焦光斑直径要小 为此 激光束的模式要达到或尽可能接近t e m o o 基模 激 光束还应具备良好的旋转对称性和圆偏振性 以保证不同方向切割时效果一致 激光器应该具备既能输出连续激光又能输出脉冲激光且二者之间能够快速转换 的功能 纠 c 0 2 激光器具有高功率 高效率 高光束质量和长波长的特点 能够 很好地满足金属板材的切割要求 激光器选用r 0 6 nd c 0 2 5 扩散型s l a bc 0 2 激光器 最大功率2 5 0 0 w 光束 1 2 硕l 学位论文 模式为t e m o o 输出能量近似高斯分布 其主要技术参数如表2 1 所示 工作 原理图如图2 5 所示 表2 1 激光器主要技术参数 型号 d c 0 2 5 光腔结构 波长 额定输出功率 连续 最大输出功率 输出功率稳定性 光束直径 光束质量 发散角 光束模式 频宽 频率 共振腔 控制器 l 作气体 消耗量 特殊合金共振腔 1 0 6 p m 2 5 0 0 w 2 5 0 0 w 0 9 即m 2 1 1 2 o 1 5 m r a d t e m o o o l0 0 d u t y 2 6 肛s c w o o r 2 5 0 0 0 h z 5 0 0 k g f 8 0 0 k f 预混气体 入合一 每小时小于o 3 公升 目 日 口 图2 5 扩散型s l a bc 0 2 激光器 2 3 1 2 三维五轴激光切割机床 激光嫩 2 兜墩骧7 l 3 输粥铳 冷慧j 东 s 盼激励拳 s 冷 i j 承 7 未臻镜 烀激蛐交换器 孰渡替电缀 目前 行业中主流的车身覆盖件切割设备有两种 三维激光切割机床和机器 人三维激光切割 如图2 6 和图2 7 所示 1 3 乍身激光焊接央具设计及入射角对焊接质量影响的研究 图2 6s e s a m o 型三维激光切割机床图2 7 激光切割机器人 二维激光切割机床优点是刚性好 速度快 加工精度高 但占用场地大 价 格较贵 激光切割机器人优点是灵活性高 占用场地小 但在加工速度和加工精 度卜还有待进一步提高 车身覆盖件的切割精度影响到后续加 1 和装配 因此汽 午行业大多采用三维激光切割机床 反射 挣聚焦镜 i b 件 图2 8 切割头六轴运动轨迹示意图图2 9 光路传输示意图 激光切割头要实现三维加工 首先必须保证机床本身互相垂直的x y z 三轴 的直线驱动 l 刊时切割头二个轴能够旋转运动 激光切割是非接触式加工 激光 是通过透镜聚焦于 j 件实现切割 所以为了保证切割的质量 要求激光束到达工 件的焦点位置要始终不变 即切割头喷嘴卜 表面和工件曲面之j 日j 的距离为定值 为了满足该要求 切割头设计了一个j j 于检测喷嘴到工件表面距离的电容传感 器 根据工什材料和板厚不同 喷嘴距离l 件表面距离也不同 此距离町通过切 割程序设定 最大距离为6 4 m m 此电容传感器检测装置实际t 相当r 机床的第 六轴 图2 8 所示为切割头六轴运动轨迹示意图 图2 9 为三维激光切割机床的 光路传输示意图 硕l 学位论文 表