激光焊接技術(shù)在汽車中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、 ?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用學(xué)生姓名： 系 別： 電氣信息工程系 專業(yè)年級(jí)： 2008級(jí)材料成型與控制技術(shù)專業(yè) 指導(dǎo)教師： . 2011年 6月 20 日摘要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)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。關(guān)鍵詞：激光焊接；優(yōu)勢(shì)；汽車；應(yīng)用；發(fā)展abstractthe laser w

2、elding is one of important aspects of laser processing material processing technology application，and traditional welding technology has obvious advantages compared. with the continuous development of laser technology and auto industries of flexible, modular production mode, laser welding technology

3、 needs in automotive field of applied broader, more and more is also high proportion of laser processing, can reach 15% share. this paper in automotive field laser welding, laser welding the application comprehensive discussion from the characteristics and development trend of laser welding etc. key

4、 words :laser welding ；advantage；automotive ；application ；development 目錄第一章 前言 1第二章 激光焊接技術(shù)概況2.1 激光焊接的原理12.2 激光焊接相對(duì)于普通焊接的優(yōu)勢(shì)22.3 激光焊接過程控制3第三章 激光焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用3.1 汽車零部件的激光焊接43.2 激光拼焊技術(shù)43.3 汽車車身激光焊接技術(shù)53.4 激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用5第四章 激光焊接技術(shù)的前景及發(fā)展趨勢(shì)4.1 復(fù)合焊接64.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型64.3 激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨74.4 激光焊接技術(shù)前景7

5、結(jié)論7致 謝 8參考文獻(xiàn)8第一章 前言激光焊接從上世紀(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

6、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。第二章 激光焊接技術(shù)概況2.1 激光焊接的原理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

7、位相同且波長(zhǎng)單一，因而差異角非常小，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

8、是采用這種激光焊接技術(shù)。圖2-1 激光深熔焊原理2.2 激光焊接相對(duì)于普通焊接的優(yōu)勢(shì)圖2-2 激光焊接在生產(chǎn)中的應(yīng)用相對(duì)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)。(1)激光焊接的速度很快，最快可達(dá)20mmin。(2)由于激光束光斑小(0103mm)，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。(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，因此激光焊接能保證所焊產(chǎn)品的強(qiáng)度。(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)，

9、使座椅的設(shè)計(jì)更加柔性化。(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。(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。(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。2.3 激光焊接過程控制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

10、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。圖2-3激光焊接焦點(diǎn)位置雙閉環(huán)

11、控制系統(tǒng)組成圖2-3是清華大學(xué)研制的co2 激光焊接焦點(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)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。第三章 激光

12、焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用3.1 汽車零部件的激光焊接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。3.2 激光拼焊技術(shù)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

13、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。德國(guó)大眾最早于 1985 年將激光拼焊用于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)，

14、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。3.3 汽車車身激光焊接技術(shù)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)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

15、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。圖3-1 汽車車身頂蓋與側(cè)面激光焊接代替點(diǎn)焊3.4 激光復(fù)合焊接技術(shù)在汽車車身制造中的應(yīng)用國(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

16、) ，11 條激光焊縫( 總長(zhǎng)1030mm) ，48條激光- mig 復(fù)合焊縫( 總長(zhǎng)3570mm) 。 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。(a)鋁合金車門 （b）焊縫形貌 （c）焊縫夾具圖3-2

17、某鋁合金車門結(jié)構(gòu)、焊縫及工裝設(shè)備第四章 激光焊接技術(shù)的前景及發(fā)展趨勢(shì)4.1 復(fù)合焊接等離子云吸收、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)工件的加熱,從而把激光與其他熱源一起進(jìn)行復(fù)合熱源焊接。4.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型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

18、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)。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。4.3 激光焊接的激光發(fā)生器及其工藝發(fā)展趨勢(shì)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)

19、研究,從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。4.4 激光焊接技術(shù)前景激光焊接技術(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)

20、，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。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。 結(jié)論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

21、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)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。致 謝經(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。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學(xué)的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，尤其要感謝我的指導(dǎo)老師，他給我很多專業(yè)方面的幫助，讓我少走很多彎路。還有在大學(xué)里所有的任課老師和圖書館的管理老師，也謝謝你們，是你們給我知識(shí)，謝謝！此外，由于個(gè)人知識(shí)能力水平有限，論文中難免有紕漏錯(cuò)誤指出，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，謝謝！參考文獻(xiàn)1. xudong zhang, wuzhu chen, ping jiang, jing guo, zhilin tian. modeling and applications of plasma charge current in laser welding. journal of applied physics.