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汽车白车身零部件激光三维切割与搭接焊研究

梅丽芳  
【摘要】: 激光加工技术已广泛应用于汽车白车身及其零部件制造,尤其是激光切割与焊接在国外已逐渐成为车身零部件制造的标准加工工艺。激光焊接、切割技术虽然在国内取得了长足的发展,但在汽车制造方面的应用与国外尚存在较大差距,目前主要还是引进成套激光加工设备、生产线和工艺技术,用于汽车拼焊板,车身组件的焊接和切割。这阻碍了激光这一高新技术的应用推广,降低了激光产业化水平。为提升我国汽车制造的先进技术能力,在更广范围和更深层次上,加快激光加工在汽车制造业的应用与发展。首先要加强激光切割焊接汽车车身及其零部件的基础理论及工艺技术研究,其次要加快其成套设备的研制。 本文综述了国内外研究现状,从车身的激光切割焊接实际应用出发,发现关键问题:在车身的三维激光切割中的空间狭窄位置切割头易与工件发生碰撞、工件拐角处易产生过烧、工件变形产生超程报警等;在车身激光焊接中,某些空间狭窄焊接部位焊接头也易与工件或夹具产生干涉、两车身零部件搭接位置因工件变形或夹持力度不够易产生较大的间隙致使无法进行熔焊连接、车身焊接部位激光焊缝长度和间距的制定无章可循、各种新材料在车身上的应用使得焊接难度增加等等。针对上述关键问题,本文从理论和试验上展开了全面研究。 首先,基于某一车型的车门和侧围工件的结构与工艺特点,并兼顾生产单元的柔性及安全性,对生产单元进行了布局总体设计和主要设备的选型。重点分析和解决了三维激光切割过程中的碰撞、工件变形、转角过烧等难题。提出了激光型式(脉冲激光和连续激光)的选择原则。并通过试验的方法研究了三维激光切割工艺参数如激光功率、切割速度、辅助气体压力、脉冲频率、占空比、光束入射角及焦点位置等对切割质量的影响;从切缝宽度、切割面粗糙度、切割面波纹、挂渣及热影响层深度等方面对切割质量进行了评定。通过对试验结果的分析,总结出了工艺参数对切割质量的影响规律。 其次,对激光焊接熔池特性进行了数值计算,分析了工艺参数对熔池形状及温度分布的影响。针对车身高强镀锌钢、镀锌钢、低碳钢以及铝合金等车身板材进行了光纤激光与C02激光搭接焊试验。研究了异种材料高功率光纤激光与C02激光搭接焊接头的成形特性和力学性能情况,以控制和优化车身零部件激光焊接质量。结果表明,采用光纤激光与CO2激光焊接时,焊缝形貌和接头性能均存在一定的差异,且光纤激光的焊接性能较CO2激光好。此外,在相同参数下进行异种板材激光搭接焊时,板间间隙大小、两板上下层的相对位置对焊接性能也有一定的影响。 随后,针对汽车白车身零部件激光搭接焊的结构特点和镀锌板搭接焊的难点,分析了激光光束入射角、板间间隙和焊缝布置形式等对接头焊接性能的影响。并研究了基于不同板材组合的搭接接头和各种影响因素下的临界光束入射角和极限可焊板间间隙。结果表明,板材厚度、焊缝熔宽等对临界光束入射角与极限板间间隙都有一定的影响。板材厚度较大时,光束入射角不宜太大,而板间间隙可适当增大;焊缝熔宽较窄时,光束入射角可适当增大,而板间间隙不能太大。此外,板间间隙与光束入射角也相互影响,板间间隙较小时,光束入射角不宜太大。当被焊试件规格尺寸和焊缝总长度不变时,以“短长度与多段数”形式进行焊缝布置的接头表面形貌和力学性能均较好。 最后,对激光焊与电阻点焊的性能进行了比较分析。针对同一板材搭接接头,设计了不同长度的激光焊缝,通过对各长度焊缝的接头进行力学性能比较,得出与一个电阻点焊性能相当的激光焊缝长度,并以此长度作为激光焊的最短焊缝长度。同时,分析了不同板厚、不同材质、不同焊缝表面熔宽以及异种板材的两板相对位置等因素对最短激光焊缝长度制定的影响。结果表明,板材厚度与焊缝表面熔宽不同时,最短激光焊缝长度取值不同;对于厚度和材质相近的异种板材搭接接头,两板的上下相对位置对激光焊缝长度的制定影响不大。此外,基于某一车型的车门零部件进行了激光焊与电阻焊对比试验。结果表明,采用激光焊时,焊接速度及车门整体静态强度显著高于电阻点焊,且激光焊接过程体现出更高的柔性。同时,激光焊接头的金相组织较电阻点焊细小均匀,显微硬度高于电阻点焊接头,抗腐蚀性能也优于电阻点焊接头。


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