铝合金汽车骨架激光上焊接工艺设计.doc

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1、沈阳工业大学 课程设计qq:1035040734焊接工艺设计说明书-铝合金汽车骨架激光焊接工艺设计1.产品情况：汽车骨架是整个汽车零部件的载体，骨架制造质量的优劣对整车质量起着决定性的作用。在汽车骨架制造方面，激光焊接成为了一种固定的成形方法，适用于量体裁衣地制造半成品。世界一些著名汽车公司，如宝马、通用、福特、本田、丰田、菲亚特、雷诺、沃尔沃以及克莱斯勒公司等都广泛采用了激光拼焊工艺，而且所生产的轿车车身均由激光拼焊板冲压而成。在我国，武汉钢铁公司采用激光焊接技术进行汽车用超宽钢板的拼接。(如图1)图1 汽车骨架示例图2.铝合金车汽车骨架的特点世界上最早的铝合金车是 1952 年英国研制的伦

2、敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、 开口型材期和现在的大型中空挤压型材期 3 个发展阶段 ,现在逐渐走向成熟。铝合金车体具有如下优点:(1) 能大幅度降低车辆自重 ,在车长相同的条件下 ,与钢质车相比自重降低大约 30 %35 % ,强度重量比约为钢的2倍。钢质车、 不锈钢车、 铝合金车车体重量之比为10 8 6。(2) 具有较小的密度及杨氏模量 ,所以铝合金对冲击载荷有较高能量吸收能力 ,可降低振动 ,减少噪声。(3) 可运用大型中空挤压型材进行气密性设计 ,提高车辆密封性能 ,提高旅客舒适度。(4) 采用大型中空挤压型材制造的板块式结构 ,可减少车体同设备之间连接元件的重量与数量

3、。(5) 减少维修费用 ,延长使用寿命。13.激光焊接原理 光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余的金属被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着但矢量3的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。4.焊接设备: （1）产品名称:YAG激光器（2）产品型号：YAG-DY044（3）产品特点：输出功率范围大.能量转换效率远远大于固

4、体激光器.激光波长为1.06微米.有利于激光的聚集和光纤传输.2（4）技术参数：激光功率 焊接速度 送丝速度 焊丝角度(5)焊接方式：半自动焊接6.全自动激光焊接线产品生产的工艺流程：板材切割下料，采用火焰或等离子弧切割板料成型采用热加工方法拆垛上料 夹紧定位激光焊接焊缝检测完成图2 工艺流程图7.焊接参数要求：8.控制参数：（1）离焦量离焦量指焦点偏离工件的距离,实质是改变辐射到工件表面的功率密度,但起作用不止如此。离焦的方式有两种:焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。离焦量的大小,影响材料表面熔化斑点的直径及熔池的径深比。虽然正负离焦量大小相等时,工件表面的功率密度相等,但一般来说负

5、离焦量时工件内部功率密度大于表面处,焦点处的高能量密度完全用于熔化母材,因此可获得更大的熔深,另外焦点位置小于零,工件与喷嘴端部较近,保护气因流动路径的缩短而挺度增加,有利于进一步消除等离子体。为了增加熔深,焊接过程中一般都采用负离焦,由于不同的激光器光束质量不一样,焊接过程中对离焦量的要求也不一样。本文中采用300mm 的焦距的铜镜,激光器光斑直径在焦点处仅有0. 26mm ,在焦点处的激光功率密度达到5. 2 106W/ cm2 ,添加电弧后由于在激光的引导下电弧能够到达激光小孔,焦点处的能量密度进一步提高。如果继续采用负离焦,焦点处的高能密度全部用来熔化母材,将会形成大量的金属蒸汽,喷射

6、出的金属蒸汽能够吸收激光能量,造成等离子体屏蔽激光,使焊接过程不稳定,反而使熔深减少.激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3m/ min .（2）焊接速度提高焊接速度,虽然能够稳定激光小孔,但是热输入下降,焊缝熔深会有减少,而且焊接速度过大,熔滴过渡不稳定,容易引起熔池的不稳定;降低焊接速度可加大熔深,但若焊接速度过低,熔深却不会增加,反而使熔宽增大,而且将会使焊接过程不稳定容易造成飞溅,因为复合焊维持小孔存在的主要动力是金属蒸汽的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后,热输入增加,熔化金属越来越多,当金属蒸汽所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时,小孔不仅不再加深,甚至会崩溃,因而熔深不会

7、增大。所以,对一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围,并在其中相应速度值时可获得最大熔深。不同焊接速度下的等离子体形态可以看到:在焊接速度为1.2m/ Min 时熔滴过渡不是稳定的射滴过渡; 在焊接速度为0.8m/ Min 时,没有观察到小孔的存在,激光小孔由于不能够维持自身的平衡,发生坍塌。在焊接速度为1 时,熔滴过渡和激光小孔都很稳定。焊接速度对复合焊熔深、熔宽以及深宽比的影响。激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3m/min ,离焦量为+ 3mm ,DL A 为+ 2mm。（3）激光倾斜角度激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3 ,离焦量为+2mm ,D

8、L A 为+ 2mm ,焊接速度为1.2 m/ min 。采用激光倾斜一定角度可以防止反射回来的光损伤光镜,其次激光倾斜一定的角度可以减少等离子体对激光能量的吸收,从而可以提高激光能量的利用率,因为焊接过程中形成的等离子体一般上浮于焊缝表面,激光垂直入射等离子体对激光的吸收散射将比较大,减弱激光的利用率;倾斜一定角度,激光穿透等离子层的深度就会减少。但是激光的倾斜角度又不能过大,过大的角度将会使激光直接作用在焊缝的熔融金属上,熔深反而会减少。(4)机器人姿态的控制焊缝走向及位置为机器人姿态控制的难点,很容易造成机器人行走时的抖动,从而影响送丝的不稳定性,直接导致假焊、焊料堆积、缩孔和其它焊接缺

9、陷。这需要通过以下两方面的对策来加以解决。一是合理调节焊接工艺参数,主要是指送丝速度,需要根据实际情况,在不同的焊缝段适时加以调整。比如根据位置的送丝速度是不同的,在几个拐角处均需降低送丝速度以防止焊料堆积(焊缝突起) ;需加快送丝速度以使焊料充分铺展浸润至焊缝中,达到较好的连接效果。二是控制好机器人的行走姿态。必须反复调整机器人的姿态,使机器人平稳顺滑地行走。一般说来,在每个顶点处需设置三个编程点,以直线插值方式控制机器人的行走轨迹。另外,当机器人每一点的行走“精度圆( Genau) ”设置为6mm时,可以使机器人行走得更加平稳。对于上下坡时的送丝速度,也需要进行适当增加或减小,以防止焊料堆

10、积或浸润不足。同时,通过控制机器人的关节运动,来达到不同的倾角,以确定机器人的姿态。主要指机器人头部所带的ALO 聚焦镜头在三个方向上的角度,即前后倾角,侧向角度和扭转角度。这些角度主要影响了送丝的方向和焊丝熔化时的流向,因此可以明显地影响焊缝的成型并造成各种各样的焊接缺陷,如假焊或单边焊、缩孔、焊缝过度凹陷、焊料堆积等。在焊接过程中,需要根据焊接结果随时对机器人的姿态加以调整,来不断改善焊缝成型。9.焊接工艺卡：表1 焊接工艺卡一_ 工厂_ 车间焊接工艺卡工步工步号车间工段工艺过程号自动焊汽车骨架焊接图纸号： NO.C13-3每批数量1 台件设备及工作地： 材 料AA6016焊接材料焊接种类

11、YAG激光焊焊接电源工人工种工 作 地现场工人数量工种级别工序工步号及说明焊接位置焊接层次焊接功率/KW焊接速度（m/min）线能量（KJ/cm）预热与层间温度/立焊 1151.61.01.237.95210515021.41.51.21.426.737.431.31.41.41.624.734.541.21.31.61.824.631.810515051.11.21.82.022.628.861.01.12.02.222.628.8更改号号：编制校对批准签名：表2 焊接工艺卡二_ 工厂_ 车间焊接工艺卡工步工步号车间工段工艺过程号自动焊汽车骨架焊接图纸号： NO.C13-4每批数量1台件设备

12、及工作地： 材 料AA6016焊接材料焊接种类YAG激光焊焊接电源工人工种工 作 地现场工人数量工种级别工序工步号及说明焊接位置焊接层次焊接功率/KW焊接速度（m/min）线能量（KJ/cm）预热与层间温度/横焊11.101.30859519.724.910016521.601.8010611624.229.231.601.8015616616.919.241.601.8013714719.122.110016591.601.8016017016.518.5101.601.802802909.810.4更改号号：编制校对批准签名：10. 激光焊接辅助设备-机器人应用技术：机器人按照在焊装车间的

13、用途可以分为:点焊机器人、弧焊机器人、涂胶机器人、螺柱焊机器人、装配及持件机器人和激光焊接机器人。激光焊接机器人是由机器人操纵激光加工镜组，进行激光焊接，激光源可以采用CO2 激光器或者YAG 激光器，激光焊接设备非常复杂，要求机器人重复精度高。 图3 生产线三维布置图11. 焊接质量的控制方法和措施（1）光束反射及改善方法：铝合金激光焊的难点之一就是铝合金对激光的高反射,国内外学者针对这一问题已作了大量试验研究。研究表明 ,进行适当的表面预处理如砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等可以降低光束反射,改善对光束能量的吸收。文献中作者经实验证明,3 mm 厚的表面形成氧化膜的

14、A6063 铝合金, 比1 mm 厚的表面光洁的A6063 铝合金的吸收率显著增大;C A Huntington 等人在文献中详细研究了铝在原始表面(铣、车加工后) 、喷砂(300 目砂纸) 、电解抛光和阳极氧化4种表面状况下对入射光束能量的吸收情况,得出结论:阳极氧化和喷砂处理可以显著地提高铝对光束能量的吸收。他们同时研究了接头坡口几何形状对光束吸收率的影响,指出:尖V 形坡口接头比无坡口或方坡口接头的吸收率要高得多。另外,有人从焊接结构设计方面考虑,通过合理设计焊接缝隙,也可以增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图3所示) 。其原因是V 形坡口或采用图10结构相当于人工制孔,有利于小孔效应的

15、形成,可获得较大的熔深。3图4 改变工件焊缝的几何形状 （2）小孔的“诱导”及稳定性小孔的“诱导”及稳定性是铝合金激光焊接中的特有困难,这是由铝合金的材料特性和激光的光学特性造成的。由于铝合金对激光的高反射率和高导热性,要想诱导出小孔,就必须有更高的能量密度阈值。有研究表明 ,能量密度阈值的高低要受其合金成分的控制及保护气体种类的影响。有专家学者做了YAG激光焊接5083 铝合金的试验。试验表明,热输入影响焊接过程的稳定性,当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,深熔焊与传热焊交替进行,焊接过程稳定性差。可以在保证起弧功率密度前提下,采取一定的措施,通过控制工艺参数来减少热输入,有助于获得

16、稳定的焊接过程; 另外,保护气体也影响焊接过程的稳定性,采取合适比例和成分的混合保护气体并控制流量,能很好地维持稳定的焊接过程。12. 焊接缺陷及质量控制措施铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔问题,气孔问题至今仍然是一个不解之谜。一般认为:激光焊接在冷却过程中氢的溶解度急剧下降形成氢气孔;低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔;激光束引起熔池金属波动匙孔不稳定,熔池金属紊流导致气孔生成。气孔的存在,会导致焊缝的力学性能和气密性下降。有研究表明,材料表面态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊缝形状都影响气孔的产生,选择合适的表面处理措施,加强保护和采用高功率、高速度、大离焦量(负值) 焊接

17、时可以使气孔的产生降低到最少。热裂纹也是铝合金激光焊接时最常见的缺陷主要是焊缝结晶裂纹和HAZ 液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al2Si 或Mg2Si 、Al2Mg2 Si 等低熔点共晶导致的。激光焊接时,焊缝细,HAZ 窄,特别是脉冲激光焊接,总输入能量低,冷却速度快,液化裂纹不易产生。防止热裂纹的产生是铝合金激光焊接的关键技术之一,国内外学者在这一方面进行了大量研究工作。研究表明,调整焊缝金属成分,填加Si ,对减少裂纹有一定好处;填充材料的采用也可有效地防止焊接热裂纹,提高接头强度;此外,在脉冲点焊时,调节脉冲波形,控制热输入同样可以减少结晶裂

18、纹,如图11所示,采用此波形,使焊缝熔化凝固重复进行,以降低熔池凝固时的凝固速度。 图5 减少裂纹的脉冲波形13. 检测方法及内容（1） 焊接过程稳定性的检测焊接过程稳定性的实时检测是最早开始的激光焊接质量监测内容。包括对焊接模式变化、焊接过程的扰动变化检测等，一般仅能简单判断焊接质量的“ 好”与“ 坏”。其基本原理是：给定正常焊接信号的参考值%一般为信号时域幅值，也有利用信号频域特性如功率谱作为参考值，在焊接过程中实时估计检测信号与给定值之间的偏差，当偏差超出一定范围时即认为焊接过程或焊缝质量发生了变化，此时容易出现焊接缺陷!（2）装配质量的检测对装配质量实时检测方法可分为两类。一是在激光与

19、材料作用前在线检测焊缝，一般采用机器视觉获取焊缝二维或三维图像，通过图像处理提取焊缝间隙、错变量以及焊缝中心位置等信息，进一步实时调整工艺参数和焊接头相对位置，以对焊接质量进行实时控制；二是在激光与材料相互作用时采集焊接过程中有关信号，通过一定的信号分析手段判断焊接发生时是否存在间隙、错变以及光束与焊缝不对中等引起的质量问题，这种检测方法一般不能用于焊接过程的实时控制。对焊接过程中的紫外信号置于不同角度和路红外信号进行检测与分析，并可通过模糊逻辑实现对光束与焊缝不对中问题的识别。(3) 离焦量的检测对焊接过程中离焦量的在线检测主要有两种方法：一种是利用喷嘴作为传感器检测在喷嘴上的等离子体电荷信

20、号，通过电荷信号随离焦量的变化规律实现离焦量的在线检测与闭环控制，这种方法有效的前提条件是焊接喷嘴与工件的距离唯一决定了离焦量的大小，但大多数情况下这种前提并不成立；另一种方法是通过光电传感器检测焊接过程中的光信号，在不同离焦量下分析光信号的变化特性，从而实现焦点位置的实时检测与控制，在两个位置对焊接过程中的等离子体光辐射信号进行了同步检测，分析发现等离子体光信号随离焦量的变化规律。4(4)焊缝熔深的检测焊缝熔深是激光深熔焊的重要质量指标，对它实时检测的研究可分为两类。一类是针对穿透激光深熔焊进行的，通过检测焊接过程的各种信号实现熔透状态的检测与识别，这方面的大多数研究仅能够对未熔透和完全熔透

21、两种熔透状态进行识别或是对熔深的稳定性进行实时监测，也有少数学者对熔透状态作了进一步的细化分类并对其实时监测技术进行了研究。(5) 熔池与小孔的监测焊缝质量从根本上是由熔池与小孔决定的，然而在激光深熔焊过程中由于存在强烈等离子体弧光的干扰，对直接观察熔池与小孔的状态造成了极大的障碍。随着近年来机器视觉技术的不断进步，为激光焊接熔池与小孔行为的直接观测提供了可能。(6) 焊缝表面形貌的检测焊缝表面形貌的检测主要指焊缝堆高和下凹的检测。焊缝都不同程度的存在一定尺寸的堆高或下凹。堆高易造成咬边，焊件在服役过程中该处容易形成应力集中而失效；而下凹除了容易形成应力集中外，还会导致强度下降。因此，投入使用

22、的激光焊件的焊缝堆高和下凹程度都必须在一定范围内。5(7) 其他焊接缺陷的检测对于焊接深熔过程中的其他缺陷，如气孔，也有少数学者对其在线检测技术进行了研究。通过检测对焊过程的超声波信号，对气孔缺陷的识别技术进行了一定程度的研究通过采集脉冲激光点焊的熔池红外辐射信号，并结合数字模拟，对焊缝热影响区的大小进行非破坏性测量。参 考 文 献1谢兴华.激光加工技术在汽车工业生产中的应用 .激光集锦.19972周万盛 ,姚君山 铝及铝合金的焊接.机械工业出版社.20063 朱宏,金忠华.铝及铝合金激光焊接技术的研究现状 .电子工艺技术.19974樊丁，余淑荣，张建斌，等.激光焊接发展现状及动向.甘肃工业大学学报.2009 5 骆红,胡伦骥,黄树槐,等. 铝合金的激光焊接.激光技术,1998,22(2) 11 / 11