激光焊接技術在汽車中的應用畢業(yè)論文

1、<p>　　?？粕厴I(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目：激光焊接技術在汽車制造中的應用</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　系 別： 材料工程系 </p><p>　　專業(yè)年級： 2011級焊接及自

2、動化專業(yè) </p><p>　　指導教師： </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應用的重要方面之一，與傳統(tǒng)焊接技術相比有著較為明顯的優(yōu)勢。隨著激光技術

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，激光焊接技術在汽車領域的應用范圍越來越廣，所占比例也越來越高，可達激光加工15%的份額。本文就激光焊接在汽車領域中的應用，從激光焊接的技術概況和激光焊接的發(fā)展趨勢等方面進行綜合論述。</p><p>　　關鍵詞：激光焊接；優(yōu)勢；汽車；應用；發(fā)展</p><p><b>　　目錄</b></p><p&

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

6、<p>　　3.3 汽車車身激光焊接技術………………………………………………………………5</p><p>　　3.4 激光復合焊接技術在汽車車身制造中的應用………………………………………5</p><p>　　第四章 激光焊接技術的前景及發(fā)展趨勢</p><p>　　4.1 復合焊接………………………………………………………………………………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 激光焊接技術前景……………………………………………………………………7</p><p>　　結論……………………………

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

9、接從上世紀 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、易實現(xiàn)自動控制、無后續(xù)加工的優(yōu)點，近年來正成為金屬材料加工與制造的重要手段，越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、海洋工程、核電設備等領域，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，激光焊接尚存在設備

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

11、激光焊接技術的發(fā)展趨勢，并介紹了激光焊接在汽車零件和車身制造領域的典型應用。</p><p>　　第二章 激光焊接技術概況</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，通過光學震蕩器利用電能、化學能等原始能量將某些固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)介質激發(fā)，產(chǎn)生相位幾乎相同且波長近乎單一的光束，這些光束由于相位相同且波長單一，因而差

12、異角非常小，可以傳播較長距離，所以可以被高度集中起來加以利用。當激光束的功率密度足夠大時，金屬表面在激光束的照射下迅速升溫，在極短的時問內(nèi)可以達到沸點而發(fā)生汽化。當金屬蒸汽以一定的速度離開金屬熔池的表面時，會產(chǎn)生一個附加應力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，產(chǎn)生一個小凹坑。隨著加熱的繼續(xù)進行，逐漸形成一細長的小孔。隨著激光束的移動，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，當所用激光

13、功率密度較低時熔深淺，深寬比較小。當激光功率密度較高時熔深大，深寬比也大，這時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。</p><p>　　圖2-1 激光深熔焊原理</p><p>　　2.2 激光焊接相對于普通焊接的優(yōu)勢</p><p>　　圖2-2 激光焊接在生產(chǎn)中的應用</p><p>　　相對

14、于電阻焊、CO：焊和釬焊等焊接技術，激光焊接技術具有以下優(yōu)勢。</p><p>　　(1)激光焊接的速度很快，最快可達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，因此殘余應力和焊接變形很小，這一點對于焊接質量來說很重要。</p><p>　　(3)焊接強度更好。由于激光焊接有很小的熱變形，而且對鄰近的金屬沒有機械扭曲作用

15、，因此激光焊接能保證所焊產(chǎn)品的強度。</p><p>　　(4)激光焊接可以大大減少預留的焊接邊緣，減少搭接寬度和一些加強用的部件，因而可以降低材料的用量，優(yōu)化設計，使座椅的設計更加柔性化。</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，也可在工件周圍進行再導弓f，因而它的可達性好，在其他焊接方法難以接近的工件部位也能進行焊接，這一點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，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，因雜質吸收光能的效率高，所以金屬內(nèi)的雜質首先被汽化吸出，從而使焊縫中的雜質含量減少，焊接質量提高。</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)容就是對焊接工藝參數(shù)的控制。在激光焊接時，光束焦點位置是影響激光深熔焊質量最關鍵而又最難監(jiān)測和控制的工藝參數(shù)之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦點處于最佳焦點位置范圍時，才可獲得最大熔深和良好的焊縫成形。偏離這個范圍，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)定焊接或熱導焊。但實際激光焊接時，存在多種因素影響

18、焦點位置的穩(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引起焦點位置的變化，以及光束在飛行光路中不同位置引起焦點位置的變化等。如何迅速確定激光焦點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激光焊接焦點位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)組成</p><p>　　圖2-3是清華大學研制的CO2 激

19、光焊接焦點位置的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。整個系統(tǒng)包括數(shù)控激光焊接機床(CNC)、特殊設計的激光焊炬以及檢測控制系統(tǒng)。焊接噴嘴－工件距離可以通過上下調(diào)節(jié)焊炬位置實現(xiàn)，而聚焦透鏡位置則由電機驅動在焊炬內(nèi)獨立上下運動，實現(xiàn)焦點位置的調(diào)節(jié)。檢測系統(tǒng)由電荷傳感器(pcs 噴嘴)和裝在噴嘴側面的光學傳感器(ps 傳感器)組成。焊接過程中，根據(jù)檢測到的PCS 信號變化，系統(tǒng)可以自動調(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；同時根據(jù)

20、PS 信號調(diào)整聚焦透鏡的位置，用于補償因熱透鏡效應引起的焦點位置波動，使焦點位置始終處在最佳焦點位置范圍。</p><p>　　第三章 激光焊接在汽車工業(yè)中的應用</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，因此很快得到了應用。國外到目前為止，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、減振器儲油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國內(nèi)汽車領域應用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲油缸筒的焊接。</p><p>　　3.2 激光拼焊技術</p><p>　　激光焊接在汽車制造應用最為成功，同時效益最為明顯的一項技術就是汽車車身的拼

22、焊技術。激光拼焊的目的是為了降低車身重量，即在進行車身的設計制造時，根據(jù)車身不同部位的性能要求，選擇鋼材等級和厚度不同的鋼板，通過激光裁剪和拼焊技術完成車身某一部位的制造。激光拼焊技術具有下列優(yōu)點：減少零件和模具數(shù)量；縮短設計和開發(fā)周期；減少材料浪費；最合理使用不同級別、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；提高車身結構剛度和安全性。</p><p>　　德國大眾最早于 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面框架的焊接。北美大批量應用激光拼焊技術是在1993 年，當時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了 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，所涉及的汽車結構件包括車身側框架、車門內(nèi)板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、中間支柱等。</p><p>　　3.3 汽車車身激光焊接技術<

24、;/p><p>　　激光焊接在汽車制造中的另一個重要應用是汽車車身框架的激光焊接，其中一個</p><p>　　典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側板的焊接。傳統(tǒng)的焊接方法為點焊，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，頂蓋和側面車身的搭接邊寬度減少，降低了鋼板使用量，同時提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術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用，例如Audi A2 車體框架是由鋁合金材料焊接而成，比同樣結構使用鋼材可減少重量43kg，其中激光焊接的焊縫總長多達30m。國內(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。這是我國汽車制造業(yè)真正使用激光焊接技術的一個重要標志。</p><p>　　圖3-1 汽車車身頂蓋與側面激光焊接代替點焊</p><p>

26、　　3.4 激光復合焊接技術在汽車車身制造中的應用</p><p>　　國內(nèi)關于激光- 電弧復合熱源焊接實際應用的報道較少，國外尤其是德國對此項技術的研究較深入。激光- 電弧復合焊接廣泛應用于汽車工業(yè)。以德國大眾Phaeton的車門焊接為例( 見圖3-2)：為了在保證強度的同時又減輕車門的重量，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4980mm，現(xiàn)工藝是7 條MIG 焊縫( 總長380mm) ，1

27、1 條激光焊縫( 總長1030mm) ，48條激光- MIG 復合焊縫( 總長3570mm) 。</p><p>　　激光復合焊同樣用于新型奧迪A8 汽車的生產(chǎn)。在A8 側頂梁上有各種規(guī)格和形式的接頭，就是采用激光-MIG 復合焊工藝，焊縫共計4.5m 長。激光復合焊另一特點就是具有很寬的焊速調(diào)整范圍。例如，復合焊在焊接Phaeton 車門對接接頭時，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 某鋁合金車門結構、焊縫及工裝設備</p><p>　　第四章 激光焊接技術的前景及發(fā)展趨勢</

29、p><p><b>　　4.1 復合焊接</b></p><p>　　等離子云吸收、反射激光,降低金屬材料對激光的吸收率,使激光的能量利用率降低;對焊接母材端面接口要求高,容易產(chǎn)生錯位;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,人們在保持激光加熱優(yōu)點的基礎上,利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的

30、加熱,從而把激光與其他熱源一起進行復合熱源焊接。</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系是關鍵問題,在試驗過程中,對熔池形狀信息獲知得越豐富,對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行了鋁合金激光深熔焊接傳輸過程的三維計算,得到了激光焊接的三維溫度場

31、。劉順洪進行了薄板激光焊溫度場的分析與數(shù)值模擬,建立了有限元方程,并編制了相應的程序。</p><p>　　4.3 激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨勢</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備的開發(fā)研制。在激光加工光束質量及加工外圍裝置研究,應研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光

32、束和加工質量監(jiān)控技術,光學系統(tǒng)及加工頭設計和研制,開展焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術研究,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 激光焊接技術前景</p><p>　　激光焊接技術對傳統(tǒng)的汽車焊接工藝帶來了沖擊性的影響，各大汽車公司對此都抱有十分積極的態(tài)度，采用新技術就意味著更強的競爭力，特別是競爭殘酷的汽車工業(yè)。激光焊

33、接技術在焊接鋁材，用焊接件代替鑄件以及全車身構架結構焊接的應用前途最大，激光器生產(chǎn)廠家應該抓住商機，在激光器的可移動性、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。國內(nèi)一些激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識到這一點，比如湖北光通光電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的脈沖Nd:YAG激光焊接機利用光纖耦合聚焦，使用方便，激光頭可以遠離焊接區(qū)，激光器性能穩(wěn)定可靠，壽命長，也可以使用傳統(tǒng)的光學傳統(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，一機多用途，特別適用于激光加工車間和自動化生產(chǎn)線。</p><p>　　21世紀汽車工業(yè)正在步入能按照用戶要求進行柔性模塊式生產(chǎn)的方式，傳統(tǒng)加工工藝不能滿足新生產(chǎn)方式的需要，這給激光焊接技術的大規(guī)模應用提供了一個機遇，激光焊接技術及其他激光加工技術在汽車領域中一定會有更大的發(fā)展，成為汽車工業(yè)中重要的加工方法。 </p><p><b>　　結論</b>&

35、lt;/p><p>　　激光焊接在汽車制造領域的大量成功應用顯示出激光焊接強大的生命力和非常廣闊的應用前景。雖然我國激光焊接技術的整體應用水平還比較低，在激光器制造技術上還較發(fā)達國家落后許多，但是應當看到我國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，而且從激光焊接技術本身研究的角度看，我國一些科研院所在一些具有特色的領域取得了具有特色的成果。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術一定會在汽車制造領域取得豐

36、碩的成果和廣泛的應用。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過一段時間的努力，本次畢業(yè)設計終于完成。在這段時間里，我運用大學所學知識，通過對本設計的籌劃、搜集材料、繪圖等，對大學所學知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。</p><p>　　此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師和同