开题报告-某重型商用车车门里板激光远程扫描焊的工艺研究及应用

-1研究问题 1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题目前一汽解放XX重卡驾驶室左/右前门里板焊接总成重量12.88kg，焊点数量115/118，一期5万辆时，夹具4套，占地64平方米，节拍240秒，操作者6人；二期8万辆时，夹具6套，占地80平方米，节拍145秒，操作者8人。由于人工点焊受车门里板焊接总成槽形工件制约，节拍慢，需要拆分工序，导致占地面积大，操作人数多。玻璃导轨等槽形零件，需要选用特殊焊钳才能焊接，电极帽不能通水冷却，焊钳寿命短。车门里板属大型零件，重9.57kg，人工作业强度高。若采用机器人自动焊，需要8台机器人，占地约140平方米，机器人数量多，占地面积大。图1 一汽解放XX重卡驾驶室车门线平面规划图和现场实施图传统工艺目前存在的问题为：人工点焊作业强度大、用人多、占地面积大、窄槽结构焊钳寿命短、自动焊夹具结构复杂、需要拆工序、机器人数量多等弊病，因此，拟采用激光扫描控制器系统与机器人控制系统同步耦合技术解决现生产存在的种种问题，采用该种技术进行工艺可实施性研究对应的科学问题如下：激光熔焊焊接普通低碳钢的焊缝质量及焊点强度优化分析：通过优化激光焊的工艺参数，找到得到焊缝质量优良、焊点强度符合要求的相对最优工艺参数，为后续激光熔焊工艺的量产应用提供焊接参数上的准确指导；激光熔化焊工作站协同工作方法的研究，即机器人、激光器、激光光学镜组、工作台、夹具、工件等之间的同步作业的工作方法的研究；焊接总成不同焊接接头结构的焊接效率及焊点强度的对比分析，找到满足设计要求基础上的焊接效率及焊点强度相对最优的激光束“飞行”路径，即相对最优的焊接接头结构。2）课题来源、选题依据和背景情况【课题来源、选题依据及背景介绍】本论文课题来源于中国第一汽车股份有限公司工艺技术创新项目T099车型车门里板焊接总成激光远程扫描焊的工艺开发，该课题具有良好的技术前瞻性和现场实用性，同时具有极大的经济效益和技术效应，为此本论文将对此进行深入研究，为国内重卡行业激光焊接积累经验。激光扫描控制器系统与机器人控制系统同步耦合技术，俗称“飞行加工”，是目前最为高效的焊接技术。与传统的电阻点焊相比，激光扫描焊接系统能够减少50%的加工区域，缩短60%的加工时间，能够解决点焊工艺存在的诸多弊端。3）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值【研究目标】通过对激光扫描控制器系统与机器人控制系统同步耦合技术应用于一汽解放某重型商用车车门里板焊接总成的研究，完成年产8万辆的左/右前门里板焊接激光远程扫描焊工艺的可行性研究，并形成实施方案。【理论意义】通过研究在重型卡车驾驶室车门里板焊接总成焊接中采用激光扫描控制器系统与机器人控制系统同步耦合技术，能够丰富汽车用低碳钢激光焊接基本理论并为在重型商用车驾驶室采用“激光飞行焊”提供理论支撑，为业界对该技术的应用起到积极的引导作用。【实际应用价值】解决人工点焊作业强度大、用人多、占地面积大、窄槽结构焊钳寿命短、自动焊夹具结构复杂的工艺问题；相比于传统点焊工艺，实现单班节省7名操作者，双班节省14名操作者的省人化目标。若人工成本按12万/年计算，实现节省人工成本168万元/年的经济成本。精选资料2文献综述（文献综述不得少于2000字）1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态 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已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1。汽车制造水平很大程度体现在四大工艺（冲压、焊装、涂装、总装）的水平及技术应用上，车身制造质量的优劣对整车质量起着决定性作用，而焊接装配质量是影响车身装配质量的重要因素2。焊装工艺作为车身制造的主要工艺，其水平的高低直接影响整车制造水平，电阻点焊作为焊接工艺的重要分支被广泛应用于汽车制造过程中，其焊接原理为对置于两电极之间的工件加压，并在焊接处加以电流，利用工件本身的电阻产生的热量来加热而局部熔化，断电冷却时，在压力继续作用下而形成牢固接头3。但随着科学技术的进步，人们对焊接质量、接头性能和生产效率提出了更高的的要求。随着激光在汽车制造业中越来越多的应用，激光焊接技术正不断被研究与应用，与传统的焊接工艺相比，激光焊的焊接速度快、生产效率高，深熔焊的焊缝深宽比高、热输入小、接头热影响区小、组织细化4-5。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6。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。高功率的CO2、YAG及光纤激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在国防工业、航空航天、汽车制造、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用7。现在随着激光器成本的下降，而激光焊又具有传统焊接不可比拟的优势，使普通制造业也逐步采用激光焊接方法8。激光焊接有两种基本模式，按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊一般分为传热焊和深熔焊。激光传热焊是材料表面吸收激光的能量，通过热传导的方式向内部传递，激光光斑上的功率密度一般小于106Wcm2，传热焊由于激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金属表面所折射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，焊点小，热影响区小，因而焊接变形小，精度高，焊接质量也很好9。当激光光斑上的密度大于106Wcm2时，高功率密度激光引起材料局部熔化形成小孔，激光束通过小孔深入到熔池内部，随着激光束的运动形成连续的焊缝，这种焊接模式称之为激光深熔焊。激光深熔焊的焊接质量是由相关工艺参数共同决定的，其主要的影响因素有激光功率、焊接速度、离焦量、保护气体、搭接焊时多层板之间的间隙。激光熔深焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度10，焊接熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光速功率和光速直径的函数11。在激光功率和离焦量不变的情况下，焊接速度是影响焊缝熔池形状和焊接质量的重要工艺参数，对工件的焊接表面成型有着重要的影响12、13。激光焊接时，为了保持足够的功率密度，焦点相对于工件的位置（即离焦量）至关重要。通过经验得出，焦点位于工件表面以下0.4mm左右较为适宜14。为了了解离焦量对激光焊接质量的影响，可以有针对性地做不同工艺参数的激光焊接试验，离焦量的大小直接影响焊缝的熔深、熔宽、横截面积15、16。保护气体的作用有三个17：保护工件的表面在焊接过程中免受氧化；保护聚焦透镜免受金属蒸汽污染和液体熔滴的溅射；除去高功率焊接中产生的对激光束有吸收和散射作用的等离子云，从而增加熔深。白车身覆盖件主要是镀锌钢板，预留间隙法可有效地降低镀锌层在加热过程中的气化影响，从而获得较高的激光焊接质量18。针对不同的激光焊接工艺参数对焊接质量的影响，国内外的学者都进行了深入的研究。学者Rehan Akhter认为这种接头的结构必须保证留有一定的间隙才能获得良好的焊缝，但是现实生产中难于保证合适的间隙要求19；还有学者Y F Tzeng采用脉冲激光焊接无间隙叠层镀锌钢板获得成功，但是这种规范仅仅限制在很窄的许可限度内，容易受到锌层种类及厚度，钢板厚度，激光种类和功率诸因素的影响20；学者J Xie采用双束激光(一前一后)焊接镀锌钢板也获得了良好效果，这种双束激光的机构是采用了特殊设计的，还需要前后焊接规范的良好配合21。近年来，国内学者也针对激光焊接进行了大量的研究。上海交通大学、华中科技大学、北京工业大学、重庆光机所等科研单位开辟了国内机器人激光焊接应用的先河。上海交通大学焊接工程研究所引进了日本IHI 3KW YAG激光器配合ABB机器人的激光焊接系统，开展了汽车白车身镀锌板的大量焊接实验。重庆市激光技术研究中心于2007年12月引进一套机器人YAG激光加工系统。激光器采用GSI公司的JK500SW固体激光器，最大功率可达500W，机器人为日本安川公司生产的6轴垂直多关节HP20型。通过该系统，在车身开发中进行了应用22；黄海军等人用德国HAAS的4KW Nd:YAG激光器和SEF工业机器人对汽车用镀锌钢进行了激光焊接工艺研究，通过预留板间间隙的激光焊工艺试验，对不同工艺条件下焊接试样的焊缝成形、微观组织及结合强度进行了分析与评价。试验结果表明:预留间隙法可以有效地降低镀锌层在加热过程中的汽化影响，从而获得高质量的激光焊接质量23；中国第一汽车集团公司技术中心的魏伟等人针对车身镀锌钢板进行激光搭接焊实验，分析其搭接间隙、焊缝成形和焊接性能，来控制车身激光焊接工艺质量24。 激光焊接是工业发达国家汽车车身制造中应用广泛的一种成熟工艺。采用机器人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。世界著名的汽车公司纷纷采用机器人激光焊接工艺用于其汽车车身的生产25。Volvo(沃尔沃)是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。其后世界各大汽车公司纷纷效仿，如德国大众公司的 AudiA6, Golf A4, Passat车型，BMW(宝马)公司的5系列和Opel(欧宝)公司的Vectra车型车顶均采用了激光焊接26。Audi(奥迪)汽车公司使用激光焊接生产车身辅助构架，每天可完成2000件。BMW(宝马)、Opel(欧宝)、Volvo(沃尔沃)汽车公司也已建成激光焊接和切割生产线，用于车身构架和覆盖件的制造;意大利FIAT(菲亚特)在大多数钢板组件的焊装中采用了激光焊接27。相比于国外的激光焊接技术的广泛应用，国内的起步相对较晚，国内只有少数合资企业(上海大众、一汽大众、上海通用等)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28。在上海别克赛欧的制造中，采用了FANUC公司的机器人进行激光焊接;在上海帕萨特和波罗的制造中，采用了SEF公司的机器人进行激光焊接29。目前一汽大众公司在AudiC6, Golf A6、宝来、速腾、迈腾、Model X等几乎所有品牌的车型制造过程中，均不同程度地采用激光焊接和激光复合焊接等先进的制造技术30。2）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值 一汽解放汽车有限公司作为国内领先的卡车制造企业，一直坚持新技术、新工艺的开发，致力于打造高可靠性、高舒适性和高经济型的中重型卡车。为此我们在传统可靠的车门里板点焊工艺的基础上，以解决现实生产中的问题为出发点，以转化吸收新工艺为载体，提出了车门里板激光飞行焊的方案。 目前国内各大卡车企业的车门焊接工艺都为点焊，尚无激光焊接的先例。一汽解放J7车门里板激光飞行焊在国内重卡行业属于首例，将为行业提供宝贵的技术经验，具有良好的经济效益、技术效应和示范作用。附：参考文献序号文献目录（作者、题目、刊物名、出版时间、页次）1张敏等.现代汽车工业中的光制造技术.汽车工艺与材料，2005,4:1-32Ashley Steven.Steel cars facea weighty decision .Mechanical Engineering,1997,119(2):56-613邓仕珍，范淼海.汽车车身制造工艺学.北京：北京理工大学出版社，1997，107-1094MeizbowerEA,BhadeshiaHKDH,PhilipsRH.Microstructures in hot wire laser beam welding of HY80 SteelJ.Materials Science an Techrology,1994,10:56-595陈彦宾.现代激光焊接技术M.北京：科学出版社，2015;105-1106边美华、许先果.高能束焊在汽车工业中的应用.电焊机，2005,35（7）：9-127关振中.激光加工工艺手册.中国计量出版社，19988李亚玲、黄志坚、高志国等，高功率激光焊接汽车用高强钢B405LAD组织与性能J.中国激光，2008,35（2）：2047-20519林尚杨，我国焊接生产现状与焊接技术的发展.船舶工程，2005(2)增刊：15-2410郑启光，辜建辉.激光深熔焊接的熔池行为的研究J.激光技术，1998,18(3): 60-6711刘庆斌.高功率CO:激光焊接及其工业应用.激光与光电子学进展，1997(8):55-5812张永康，周建忠，叶云霞等.激光加工技术M.北京:化学工业出版社，2004:53-5413张雨泉.深冲合金化镀锌板生产工艺研究.中国汽车工程学会材料学会年会论文，济南:200014H.Stan.NimbuS Laser Lights the way ahead. 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