激光焊接技術(shù)在汽車中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、<p>　　專科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題 目：激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　系 別： 材料工程系 </p><p>　　專業(yè)年級(jí)： 2011級(jí)焊接及自

2、動(dòng)化專業(yè) </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2013年 12月 14 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　激光焊接是激光加工材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著激光技術(shù)

3、的不斷發(fā)展和汽車工業(yè)柔性、模塊化生產(chǎn)方式的需要，激光焊接技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，所占比例也越來越高，可達(dá)激光加工15%的份額。本文就激光焊接在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，從激光焊接的技術(shù)概況和激光焊接的發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行綜合論述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：激光焊接；優(yōu)勢(shì)；汽車；應(yīng)用；發(fā)展</p><p><b>　　目錄</b></p><p&

4、gt;　　第一章 前言……………………………………………………………………………… 1</p><p>　　第二章 激光焊接技術(shù)概況</p><p>　　2.1 激光焊接的原理………………………………………………………………………1</p><p>　　2.2 激光焊接相對(duì)于普通焊接的優(yōu)勢(shì)……………………………………………………2</p><p

5、>　　2.3 激光焊接過程控制……………………………………………………………………3</p><p>　　第三章 激光焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　3.1 汽車零部件的激光焊接………………………………………………………………4</p><p>　　3.2 激光拼焊技術(shù)…………………………………………………………………………4</p>

6、<p>　　3.3 汽車車身激光焊接技術(shù)………………………………………………………………5</p><p>　　3.4 激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用………………………………………5</p><p>　　第四章 激光焊接技術(shù)的前景及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　4.1 復(fù)合焊接………………………………………………………………………………6&l

7、t;/p><p>　　4.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型…………………………………………………6</p><p>　　4.3 激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨……………………………………………7</p><p>　　4.4 激光焊接技術(shù)前景……………………………………………………………………7</p><p>　　結(jié)論……………………………

8、……………………………………………………………7</p><p>　　致 謝……………………………………………………………………………………… 8</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………8</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p>　　激光焊

9、接從上世紀(jì) 60 年代激光器誕生不久就開始了研究，從開始的薄小零件或器件的焊接到目前功率激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的大量的應(yīng)用，經(jīng)歷了近40 年的發(fā)展。由于激光焊接具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點(diǎn)，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國(guó)防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設(shè)備等領(lǐng)域，所涉及的材料涵蓋了幾乎所有的金屬材料。雖然與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接尚存在設(shè)備

10、昂貴，一次性投資大，技術(shù)要求高的問題，使得激光焊接在我國(guó)的工業(yè)應(yīng)用還相當(dāng)有限，但激光焊接生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使其非常適于大規(guī)模生產(chǎn)線和柔性制造。其中，激光焊接在汽車制造領(lǐng)域中的許多成功應(yīng)用已經(jīng)凸現(xiàn)出激光焊接不同于傳統(tǒng)焊接方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，也為許多大功率激光器制造商和激光焊接設(shè)備制造商提供了更為誘人的經(jīng)濟(jì)效益前景。這也是激光焊接能夠吸引國(guó)內(nèi)外越來越多的科技人員從事研究和技術(shù)開發(fā)的原因。本文綜述了近年來國(guó)內(nèi)外激光焊接技術(shù)概況以及

11、激光焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并介紹了激光焊接在汽車零件和車身制造領(lǐng)域的典型應(yīng)用。</p><p>　　第二章 激光焊接技術(shù)概況</p><p>　　2.1 激光焊接的原理</p><p>　　激光焊接采用激光作為焊接熱源，通過光學(xué)震蕩器利用電能、化學(xué)能等原始能量將某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)激發(fā)，產(chǎn)生相位幾乎相同且波長(zhǎng)近乎單一的光束，這些光束由于相位相同且波長(zhǎng)單一，因而差

12、異角非常小，可以傳播較長(zhǎng)距離，所以可以被高度集中起來加以利用。當(dāng)激光束的功率密度足夠大時(shí)，金屬表面在激光束的照射下迅速升溫，在極短的時(shí)問內(nèi)可以達(dá)到沸點(diǎn)而發(fā)生汽化。當(dāng)金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池的表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。隨著加熱的繼續(xù)進(jìn)行，逐漸形成一細(xì)長(zhǎng)的小孔。隨著激光束的移動(dòng)，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫(見圖2-1)。焊縫的深淺與激光功率密度有關(guān)，當(dāng)所用激光

13、功率密度較低時(shí)熔深淺，深寬比較小。當(dāng)激光功率密度較高時(shí)熔深大，深寬比也大，這時(shí)就比較易于形成深穿透性焊縫。目前包括座椅在內(nèi)很多焊接工藝都是采用這種激光焊接技術(shù)。</p><p>　　圖2-1 激光深熔焊原理</p><p>　　2.2 激光焊接相對(duì)于普通焊接的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　圖2-2 激光焊接在生產(chǎn)中的應(yīng)用</p><p>　　相對(duì)

14、于電阻焊、CO：焊和釬焊等焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　(1)激光焊接的速度很快，最快可達(dá)20m／min。．(2)由于激光束光斑小(0．1～0．3mm)，功率密度高，加熱范圍小，速度快而且是非接觸焊接，因此殘余應(yīng)力和焊接變形很小，這一點(diǎn)對(duì)于焊接質(zhì)量來說很重要。</p><p>　　(3)焊接強(qiáng)度更好。由于激光焊接有很小的熱變形，而且對(duì)鄰近的金屬?zèng)]有機(jī)械扭曲作用

15、，因此激光焊接能保證所焊產(chǎn)品的強(qiáng)度。</p><p>　　(4)激光焊接可以大大減少預(yù)留的焊接邊緣，減少搭接寬度和一些加強(qiáng)用的部件，因而可以降低材料的用量，優(yōu)化設(shè)計(jì)，使座椅的設(shè)計(jì)更加柔性化。</p><p>　　(5)激光束易于聚焦，可通過反射鏡或光纖改變光的走向，也可在工件周圍進(jìn)行再導(dǎo)弓f，因而它的可達(dá)性好，在其他焊接方法難以接近的工件部位也能進(jìn)行焊接，這一點(diǎn)是其他焊接方法所無法比擬的。

16、</p><p>　　(6)激光焊接的非接觸性也避免了易損件的頻繁更換和維護(hù)，如電極帽、電極桿和電纜等，既節(jié)約了成本，又提高了效率。</p><p>　　(7)激光焊接還具有特殊的熔池凈化功能，能凈化焊縫金屬。在焊接過程中，由于激光的作用，焊接部位的金屬熔化并且部分汽化，因雜質(zhì)吸收光能的效率高，所以金屬內(nèi)的雜質(zhì)首先被汽化吸出，從而使焊縫中的雜質(zhì)含量減少，焊接質(zhì)量提高。</p>

17、<p>　　2.3 激光焊接過程控制</p><p>　　激光焊接過程控制的主要內(nèi)容就是對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時(shí)，光束焦點(diǎn)位置是影響激光深熔焊質(zhì)量最關(guān)鍵而又最難監(jiān)測(cè)和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點(diǎn)處于最佳焦點(diǎn)位置范圍時(shí)，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個(gè)范圍，熔深則下降，甚至破壞穩(wěn)定的深熔焊過程，變?yōu)槟Ｊ讲环€(wěn)定焊接或熱導(dǎo)焊。但實(shí)際激光焊接時(shí)，存在多種因素影響

18、焦點(diǎn)位置的穩(wěn)定性，包括因非平面工件和焊接變形引起的焊接噴嘴－工件距離變化，激光器窗口、聚焦鏡等元件熱透鏡效應(yīng)引起焦點(diǎn)位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點(diǎn)位置的變化等。如何迅速確定激光焦點(diǎn)位置并將其控制在合適的范圍，一直是激光焊接迫切要求解決而又難度很大的課題。</p><p>　　圖2-3激光焊接焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成</p><p>　　圖2-3是清華大學(xué)研制的CO2 激

19、光焊接焦點(diǎn)位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。整個(gè)系統(tǒng)包括數(shù)控激光焊接機(jī)床(CNC)、特殊設(shè)計(jì)的激光焊炬以及檢測(cè)控制系統(tǒng)。焊接噴嘴－工件距離可以通過上下調(diào)節(jié)焊炬位置實(shí)現(xiàn)，而聚焦透鏡位置則由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在焊炬內(nèi)獨(dú)立上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的調(diào)節(jié)。檢測(cè)系統(tǒng)由電荷傳感器(pcs 噴嘴)和裝在噴嘴側(cè)面的光學(xué)傳感器(ps 傳感器)組成。焊接過程中，根據(jù)檢測(cè)到的PCS 信號(hào)變化，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴至工件表面距離，保證在焊接過程中保持噴嘴－工件距離恒定；同時(shí)根據(jù)

20、PS 信號(hào)調(diào)整聚焦透鏡的位置，用于補(bǔ)償因熱透鏡效應(yīng)引起的焦點(diǎn)位置波動(dòng)，使焦點(diǎn)位置始終處在最佳焦點(diǎn)位置范圍。</p><p>　　第三章 激光焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　3.1 汽車零部件的激光焊接</p><p>　　激光焊接在汽車制造中的應(yīng)用始于變速箱的齒輪焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齒輪幾乎沒有焊接變形，不需要焊后熱處理，而且焊接速度大大

21、提高，因此很快得到了應(yīng)用。國(guó)外到目前為止，激光焊接已經(jīng)在汽車零部件生產(chǎn)中得到非常廣泛的應(yīng)用，包括尾氣排放系統(tǒng)（歧管、排氣管、消聲器等）、變速箱雙聯(lián)齒輪、減振器儲(chǔ)油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域應(yīng)用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲(chǔ)油缸筒的焊接。</p><p>　　3.2 激光拼焊技術(shù)</p><p>　　激光焊接在汽車制造應(yīng)用最為成功，同時(shí)效益最為明顯的一項(xiàng)技術(shù)就是汽車車身的拼

22、焊技術(shù)。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，即在進(jìn)行車身的設(shè)計(jì)制造時(shí)，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級(jí)和厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊技術(shù)完成車身某一部位的制造。激光拼焊技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)：減少零件和模具數(shù)量；縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期；減少材料浪費(fèi)；最合理使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減少車身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高車身結(jié)構(gòu)剛度和安全性。</p><p>　　德國(guó)大眾最早于 1985 年將激光拼

23、焊用于Audi 車型底盤的焊接，日本豐田于1986 年采用添絲激光焊的方法用于車身側(cè)面框架的焊接。北美大批量應(yīng)用激光拼焊技術(shù)是在1993 年，當(dāng)時(shí)美國(guó)為了提高美國(guó)汽車同日本汽車的競(jìng)爭(zhēng)力而提出了 2mm 工程。到目前為止，世界上幾乎所有的著名汽車制造商都大量采用了激光拼焊技術(shù)，所涉及的汽車結(jié)構(gòu)件包括車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、擋風(fēng)玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。</p><p>　　3.3 汽車車身激光焊接技術(shù)<

24、;/p><p>　　激光焊接在汽車制造中的另一個(gè)重要應(yīng)用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個(gè)</p><p>　　典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側(cè)板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點(diǎn)焊，如圖4a 所示，但現(xiàn)在正逐漸被激光焊接所代替（圖3-1b）。比較兩者可以看出，采用激光焊接后，頂蓋和側(cè)面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時(shí)提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術(shù)在各大汽車制造商的較新型

25、車中都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結(jié)構(gòu)使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長(zhǎng)多達(dá)30m。國(guó)內(nèi)，上海通用的Polo、上海大眾Passat 車型和一汽Bora 的制造中，也都采用了激光焊接技術(shù)。這是我國(guó)汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術(shù)的一個(gè)重要標(biāo)志。</p><p>　　圖3-1 汽車車身頂蓋與側(cè)面激光焊接代替點(diǎn)焊</p><p>

26、　　3.4 激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用</p><p>　　國(guó)內(nèi)關(guān)于激光- 電弧復(fù)合熱源焊接實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道較少，國(guó)外尤其是德國(guó)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究較深入。激光- 電弧復(fù)合焊接廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。以德國(guó)大眾Phaeton的車門焊接為例( 見圖3-2)：為了在保證強(qiáng)度的同時(shí)又減輕車門的重量，大眾公司采用沖壓、鑄件和擠壓成形的鋁件。車門的焊縫總長(zhǎng)4980mm，現(xiàn)工藝是7 條MIG 焊縫( 總長(zhǎng)380mm) ，1

27、1 條激光焊縫( 總長(zhǎng)1030mm) ，48條激光- MIG 復(fù)合焊縫( 總長(zhǎng)3570mm) 。</p><p>　　激光復(fù)合焊同樣用于新型奧迪A8 汽車的生產(chǎn)。在A8 側(cè)頂梁上有各種規(guī)格和形式的接頭，就是采用激光-MIG 復(fù)合焊工藝，焊縫共計(jì)4.5m 長(zhǎng)。激光復(fù)合焊另一特點(diǎn)就是具有很寬的焊速調(diào)整范圍。例如，復(fù)合焊在焊接Phaeton 車門對(duì)接接頭時(shí)，焊接速度1.2 ～4.8m/ min 都是可行的。通常焊絲送絲

28、速度為4 ～9m/ min，激光功率為2 ～4kW。最優(yōu)化的焊速是4.2m/ min，送絲速度6.5m/ min，激光功率2.9kW。</p><p>　　(a)鋁合金車門 （b）焊縫形貌 （c）焊縫夾具</p><p>　　圖3-2 某鋁合金車門結(jié)構(gòu)、焊縫及工裝設(shè)備</p><p>　　第四章 激光焊接技術(shù)的前景及發(fā)展趨勢(shì)</

29、p><p><b>　　4.1 復(fù)合焊接</b></p><p>　　等離子云吸收、反射激光,降低金屬材料對(duì)激光的吸收率,使激光的能量利用率降低;對(duì)焊接母材端面接口要求高,容易產(chǎn)生錯(cuò)位;容易生成氣孔疏松和裂紋;焊后在母材端面之間的接口部位存在凹陷,焊接過程不穩(wěn)定等等，為消除或減少單熱源激光焊接的缺陷,人們?cè)诒３旨す饧訜醿?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,利用其他熱源的加熱特性來改善激光對(duì)工件的

30、加熱,從而把激光與其他熱源一起進(jìn)行復(fù)合熱源焊接。</p><p>　　4.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型</p><p>　　在激光焊接過程熔透控制研究中,建立熔池形狀參數(shù)與焊接工藝之間的關(guān)系是關(guān)鍵問題,在試驗(yàn)過程中,對(duì)熔池形狀信息獲知得越豐富,對(duì)焊接過程熔透控制的效果越理想。Sonti 等人采用二維有限元非線性模型進(jìn)行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計(jì)算,得到了激光焊接的三維溫度場(chǎng)

31、。劉順洪進(jìn)行了薄板激光焊溫度場(chǎng)的分析與數(shù)值模擬,建立了有限元方程,并編制了相應(yīng)的程序。</p><p>　　4.3 激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前的激光焊接所使用的激光器主要為大功率CO2 激光器和脈沖Nd : YA G 激光器,激光器的發(fā)展仍然集中于激光設(shè)備的開發(fā)研制。在激光加工光束質(zhì)量及加工外圍裝置研究,應(yīng)研究各種激光加工工藝對(duì)激光光束的質(zhì)量要求、激光光

32、束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù),光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計(jì)和研制,開展焊接工藝及材料、焊接工藝對(duì)設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。</p><p>　　4.4 激光焊接技術(shù)前景</p><p>　　激光焊接技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對(duì)此都抱有十分積極的態(tài)度，采用新技術(shù)就意味著更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，特別是競(jìng)爭(zhēng)殘酷的汽車工業(yè)。激光焊

33、接技術(shù)在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構(gòu)架結(jié)構(gòu)焊接的應(yīng)用前途最大，激光器生產(chǎn)廠家應(yīng)該抓住商機(jī)，在激光器的可移動(dòng)性、體積等方面下功夫，用光纖傳輸激光，使激光器更適合汽車生產(chǎn)線的需要。國(guó)內(nèi)一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識(shí)到這一點(diǎn)，比如湖北光通光電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的脈沖Nd:YAG激光焊接機(jī)利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠(yuǎn)離焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)，也可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)傳統(tǒng)系統(tǒng)，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打

34、孔，一機(jī)多用途，特別適用于激光加工車間和自動(dòng)化生產(chǎn)線。</p><p>　　21世紀(jì)汽車工業(yè)正在步入能按照用戶要求進(jìn)行柔性模塊式生產(chǎn)的方式，傳統(tǒng)加工工藝不能滿足新生產(chǎn)方式的需要，這給激光焊接技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了一個(gè)機(jī)遇，激光焊接技術(shù)及其他激光加工技術(shù)在汽車領(lǐng)域中一定會(huì)有更大的發(fā)展，成為汽車工業(yè)中重要的加工方法。 </p><p><b>　　結(jié)論</b>&

35、lt;/p><p>　　激光焊接在汽車制造領(lǐng)域的大量成功應(yīng)用顯示出激光焊接強(qiáng)大的生命力和非常廣闊的應(yīng)用前景。雖然我國(guó)激光焊接技術(shù)的整體應(yīng)用水平還比較低，在激光器制造技術(shù)上還較發(fā)達(dá)國(guó)家落后許多，但是應(yīng)當(dāng)看到我國(guó)一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國(guó)一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐

36、碩的成果和廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過一段時(shí)間的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。在這段時(shí)間里，我運(yùn)用大學(xué)所學(xué)知識(shí)，通過對(duì)本設(shè)計(jì)的籌劃、搜集材料、繪圖等，對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實(shí)際動(dòng)手能力有了很大提高。</p><p>　　此次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利完成，我得到了很多老師和同