開題報告-某重型商用車車門里板激光遠程掃描焊的工藝研究及應用

1、1研究問題1 ）在預研究的基礎上提岀應用研究（設計）中的科學問題目前一汽解放XX重卡駕駛室左/右前門里板焊接總成重量 12.88kg，焊點數(shù)量115/118 ，一期5萬 輛時，夾具4套，占地64平方米，節(jié)拍240秒，操作者6人；二期8萬輛時，夾具6套，占地80平方 米，節(jié)拍145秒，操作者8人。由于人工點焊受車門里板焊接總成槽形工件制約，節(jié)拍慢，需要拆分工序， 導致占地面積大，操作人數(shù)多。玻璃導軌等槽形零件，需要選用特殊焊鉗才能焊接，電極帽不能通水冷卻， 焊鉗壽命短。車門里板屬大型零件， 重9.57kg，人工作業(yè)強度高。若采用機器人自動焊， 需要8臺機器人， 占地約140平方米，機器人數(shù)量多，

2、占地面積大。圖1 一汽解放XX重卡駕駛室車門線平面規(guī)劃圖和現(xiàn)場實施圖傳統(tǒng)工藝目前存在的問題為：人工點焊作業(yè)強度大、用人多、占地面積大、窄槽結構焊鉗壽命短、自動 焊夾具結構復雜、需要拆工序、機器人數(shù)量多等弊病，因此，擬采用激光掃描控制器系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng) 同步耦合技術解決現(xiàn)生產存在的種種問題，采用該種技術進行工藝可實施性研究對應的科學問題如下： 激光熔焊焊接普通低碳鋼的焊縫質量及焊點強度優(yōu)化分析：通過優(yōu)化激光焊的工藝參數(shù)，找到得到焊縫質量優(yōu)良、焊點強度符合要求的相對最優(yōu)工藝參數(shù)，為后續(xù)激光熔焊工藝的量產應用提供焊接參數(shù)上的準確指導； 激光熔化焊工作站協(xié)同工作方法的研究，即機器人、激光器、激光光

3、學鏡組、工作臺、夾具、工件等 之間的同步作業(yè)的工作方法的研究； 焊接總成不同焊接接頭結構的焊接效率及焊點強度的對比分析，找到滿足設計要求基礎上的焊接效 率及焊點強度相對最優(yōu)的激光束“飛行”路徑，即相對最優(yōu)的焊接接頭結構。2 ）課題來源、選題依據(jù)和背景情況【課題來源、選題依據(jù)及背景介紹】本論文課題來源于中國第一汽車股份有限公司工藝技術創(chuàng)新項目T099車型車門里板焊接總成激光遠程掃描焊的工藝開發(fā)，該課題具有良好的技術前瞻性和現(xiàn)場實用性， 同時具有極大的經(jīng)濟效益和技術效應， 為此本論文將對此進行深入研究，為國內重卡行業(yè)激光焊接積累經(jīng)驗。激光掃描控制器系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)同步耦合技術，俗稱“飛行加工”

4、，是目前最為高效的焊接技術。與傳統(tǒng)的電阻點焊相比， 激光掃描焊接系統(tǒng)能夠減少 50%的加工區(qū)域，縮短60%的加工時間，能夠解決點 焊工藝存在的諸多弊端。3）課題的研究目標以及理論意義和實際應用價值【研究目標】通過對激光掃描控制器系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)同步耦合技術應用于一汽解放某重型商用車車門里板焊 接總成的研究，完成年產 8萬輛的左/右前門里板焊接激光遠程掃描焊工藝的可行性研究，并形成實施方 案?！纠碚撘饬x】通過研究在重型卡車駕駛室車門里板焊接總成焊接中采用激光掃描控制器系統(tǒng)與機器人控制系統(tǒng)同步耦合技術，能夠豐富汽車用低碳鋼激光焊接基本理論并為在重型商用車駕駛室采用“激光飛行焊”提供理論支撐，為

5、業(yè)界對該技術的應用起到積極的引導作用?！緦嶋H應用價值】 解決人工點焊作業(yè)強度大、用人多、占地面積大、窄槽結構焊鉗壽命短、自動焊夾具結構復雜的工藝 問題； 相比于傳統(tǒng)點焊工藝， 實現(xiàn)單班節(jié)省7名操作者，雙班節(jié)省14名操作者的省人化目標。 若人工成本 按12萬/年計算，實現(xiàn)節(jié)省人工成本 168萬元/年的經(jīng)濟成本。精選資料2 文獻綜述（文獻綜述不得少于 2000 字）1 ）國內外在該研究方向的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)汽車是科技發(fā)展和人類社會文明進步的象征，汽車擁有量和制造水平已成為一個國家現(xiàn)代化程度的標 志，在我國，汽車制造更是推動國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱 。汽車制造水平很大程度體現(xiàn)在四大工藝（沖壓、焊裝、

6、涂裝、總裝）的水平及技術應用上，車身制造質 量的優(yōu)劣對整車質量起著決定性作用，而焊接裝配質量是影響車身裝配質量的重要因素2。焊裝工藝作為車身制造的主要工藝，其水平的高低直接影響整車制造水平，電阻點焊作為焊接工藝的重要分支被廣泛應用于汽車制造過程中，其焊接原理為對置于兩電極之間的工件加壓，并在焊接處加以電流，利用工件本身的電阻 產生的熱量來加熱而局部熔化，斷電冷卻時，在壓力繼續(xù)作用下而形成牢固接頭3。但隨著科學技術的進步， 人們對焊接質量、接頭性能和生產效率提岀了更高的的要求。隨著激光在汽車制造業(yè)中越來越多的應用，激光焊接技術正不斷被研究與應用，與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，激光焊的焊接速度 快、生產效

7、率高，深熔焊的焊縫深寬比高、熱輸入小、接頭熱影響區(qū)小、組織細化4-5?，F(xiàn)在，在全世界的汽車領域，激光焊接廣泛應用于底盤、車頂、側圍、車門及車身總成等部分和車身大型覆蓋件的焊裝中，成 為了車身裝配時的主要工藝手段 。激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。高功率的CO2、YAG及光纖激光器的岀現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領域。獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在國防 工業(yè)、航空航天、汽車制造、鋼鐵等工業(yè)領域獲得了日益廣泛的應用7?，F(xiàn)在隨著激光器成本的下降，而激光焊又具有傳統(tǒng)焊接不可比擬的優(yōu)勢，使普通制造業(yè)也逐步采用激光焊接方法o激光焊接有兩種基本模式，按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不

8、同，激光焊一般分為傳熱焊和深熔焊。激光傳熱焊是材料表面吸收激光的能量，通過熱傳導的方式向內部傳遞，激光光斑上的功率密度一般小于106W / cm2，傳熱焊由于激光光斑的功率密度小，很大一部分光被金屬表面所折射，光的吸收率較低，焊接熔深淺，焊點小，熱影 響區(qū)小，因而焊接變形小，精度高，焊接質量也很好。當激光光斑上的密度大于10 6W / cm2時，高功率密度激光引起材料局部熔化形成小孔，激光束通過小孔深入到熔池內部，隨著激光束的運動形成連續(xù)的焊縫， 這種焊接模式稱之為激光深熔焊。焊接速度、離焦激光深熔焊的焊接質量是由相關工藝參數(shù)共同決定的，其主要的影響因素有激光功率、 量、保護氣體、搭接焊時多層

9、板之間的間隙。激光熔深焊時，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度10，焊接熔深直接與光束功率密度有關，且是入射光速功率和光速直徑的函數(shù)11 o在激光功率和離焦量不變的情況下，焊接速度是影響焊縫熔池形狀和焊接質量的重要工藝參數(shù)，對工件的焊接表面成型有著重要的影響12、13 o15、16激光焊接時，為了保持足夠的功率密度，焦點相對于工件的位置（即離焦量）至關重要。通過經(jīng)驗得岀, 焦點位于工件表面以下 0.4mm 左右較為適宜14。為了了解離焦量對激光焊接質量的影響，可以有針對性 地做不同工藝參數(shù)的激光焊接試驗，離焦量的大小直接影響焊縫的熔深、熔寬、橫截面積保護氣體的作用有三個17:保護工件的表面在焊

10、接過程中免受氧化；保護聚焦透鏡免受金屬蒸汽污染 和液體熔滴的濺射；除去高功率焊接中產生的對激光束有吸收和散射作用的等離子云，從而增加熔深。白車身覆蓋件主要是鍍鋅鋼板，預留間隙法可有效地降低鍍鋅層在加熱過程中的氣化影響，從而獲得較高的激光焊接質量18 o針對不同的激光焊接工藝參數(shù)對焊接質量的影響，國內外的學者都進行了深入的研究。學者RehanAkhter認為這種接頭的結構必須保證留有一定的間隙才能獲得良好的焊縫，但是現(xiàn)實生產中難于保證合適 的間隙要求19;還有學者Y F Tzeng采用脈沖激光焊接無間隙疊層鍍鋅鋼板獲得成功，但是這種規(guī)范僅僅 限制在很窄的許可限度內，容易受到鋅層種類及厚度，鋼板厚

11、度，激光種類和功率諸因素的影響20;學者JXie采用雙束激光（一前一后）焊接鍍鋅鋼板也獲得了良好效果，這種雙束激光的機構是采用了特殊設計的， 還需要前后焊接規(guī)范的良好配合21 o近年來，國內學者也針對激光焊接進行了大量的研究。上海交通大學、華中科技大學、北京工業(yè)大學、重慶光機所等科研單位開辟了國內機器人激光焊接應用的先河。上海交通大學焊接工程研究所引進了日本|HI 3KW YAG 激光器配合ABB機器人的激光焊接系統(tǒng)，開展了汽車白車身鍍鋅板的大量焊接實驗。重慶市激光技術研究中心于 2007年12月引進一套機器人 YAG激光加工系統(tǒng)。 激光器采用GSI公司的JK500SW 固體激光器，最大功率可

12、達 500W，機器人為日本安川公司生產的6軸垂直多關節(jié)HP20型。通過該系統(tǒng)，在車身開發(fā)中進行了應用22;黃海軍等人用德國 HAAS的4KW Nd:YAG 激光器和SEF工業(yè)機器人對汽車用鍍鋅鋼進行了激光焊接工藝研究，通過預留板間間隙的激光焊工藝試驗，對不同工藝條件下焊接試樣的焊縫成形、微觀組織及結合強度進行了分析與評價。試驗結果表明：預留間隙法可以有效地降低鍍鋅層在加熱過程中的汽化影響，從而獲得高質量的激光焊接質量23;中國第一汽車集團公司技術中心的魏偉等人針對車身鍍鋅鋼板進行激光搭接焊實驗，分析其搭接間隙、焊縫成形和焊接性能，來控制車身激光焊接工藝質量24。激光焊接是工業(yè)發(fā)達國家汽車車身制

13、造中應用廣泛的一種成熟工藝。采用機器人激光焊接技術取代傳統(tǒng)的焊接工藝，不僅可以提高焊接質量，改善車身部件的機械力學性能而且可以節(jié)省材料，大大降低車身的制造成本。世界著名的汽車公司紛紛采用機器人激光焊接工藝用于其汽車車身的生產25。Volvo（沃爾沃）是最早開發(fā)車頂激光焊接技術的廠家。其后世界各大汽車公司紛紛效仿，如德國大眾公司的AudiA6, Golf A4,Passat車型，BMW（寶馬）公司的5系列和Opel（歐寶）公司的 Vectra 車型車頂均采用了激光焊接 26。 Audi（奧迪）汽車公司使用激光焊接生產車身輔助構架，每天可完成2000件。BMW（寶馬）、Opel（歐寶）、Volvo

14、（沃爾沃）汽車公司也已建成激光焊接和切割生產線，用于車身構架和覆蓋件的制造；意大利FIAT（菲亞特）在大多數(shù)鋼板組件的焊裝中采用了激光焊接27。相比于國外的激光焊接技術的廣泛應用，國內的起步相對較晚，國內只有少數(shù)合資企業(yè)（上海大眾、一汽大眾、上海通用等 ）才能通過引進設備使用這種焊接技術，在民族品牌汽車中，幾乎還是空白28。在上海別克賽歐的制造中，采用了FANUC公司的機器人進行激光焊接;在上海帕薩特和波羅的制造中，采用了SEF公司的機器人進行激光焊接29。目前一汽大眾公司在AudiC6, Golf A6 、寶來、速騰、邁騰、Model X等幾乎所有品牌的車型制造過程中，均不同程度地采用激光焊

15、接和激光復合焊接等先進的制造技術30。2 ）研究問題在本研究領域應用上的地位與價值一汽解放汽車有限公司作為國內領先的卡車制造企業(yè)，一直堅持新技術、新工藝的開發(fā)，致力于打造高可靠性、高舒適性和高經(jīng)濟型的中重型卡車。為此我們在傳統(tǒng)可靠的車門里板點焊工藝的基礎上，以解決現(xiàn)實生產中的問題為岀發(fā)點，以轉化吸收新工藝為載體，提岀了車門里板激光飛行焊的方案。目前國內各大卡車企業(yè)的車門焊接工藝都為點焊，尚無激光焊接的先例。一汽解放J7車門里板激光飛行焊在國內重卡行業(yè)屬于首例，將為行業(yè)提供寶貴的技術經(jīng)驗，具有良好的經(jīng)濟效益、技術效應和示范作用。附：參考文獻序號文獻目錄(作者、題目、刊物名、出版時間、頁次)1張敏

16、等.現(xiàn)代汽車工業(yè)中的光制造技術.汽車工藝與材料，2005,4:1-32Ashley Steven.Steel cars facea weighty decision .Mechanical Engineering,1997,119(2):56-613鄧仕珍，范淼海.汽車車身制造工藝學.北京：北京理工大學出版社，1997，107-1094MeizbowerEA,BhadeshiaHKDH,PhilipsRH.Microstructures in hot wire laser beam welding of HY80SteelJ.Materials Science an Techrology,19

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23、ing in the automotive industry. Welding&Metal Fabrication1997 March p7-828王衛(wèi)峰.焊接機器人及其柔性夾具控制系統(tǒng).汽車制造業(yè)，2005 (7)29楊金.機器人在汽車車身制造中的應用.航空制造技術，2004 ( 3): 36-3730韓立軍.激光焊接技術在一汽大眾邁騰車身制造中的應用.金屬加工，2008年第8期，P32-403 研究內容明確研究對象、研究內容及工作范圍本項目主要研究采用激光遠程掃描焊工藝替代現(xiàn)行的點焊焊接工藝的工藝可行性，主要焊接2.激光鏡頭UDinn闿丹wp V ipt rr tv1 ddfMi_CrLi

24、 丄 E 用mWi!M 埔齟 iMIbp:IrnHhlp!*! i ll-T *WidkiJI IUI-SUO1 J mjigir1，科11 TS|Hb*hscaarc cMfiNS禹“訶4（樺門呻 ilvf il嚀”l dill hr ji ffiy 14 rrrt4Qi 葷沖 pFgzwJ114rrrAM f 5 Ei93h:ri -|-#|i 4 nn !dlkl EpWDC.9 4-OKI*kprf WhQ*和?1-3?kG巾、耙忖*15弋 l -T弋何*叩申illMl 1|l 4 -4 M主要研究內容如下：1）相同/不同板厚、同種異種材料激光焊接焊縫質量及接頭力學性能研究：研究焊縫、

25、熱影響區(qū)、熔合區(qū)等區(qū)域的微觀組織形態(tài)，闡明焊接過程中的組織演變過程及界 面冶金行為；研究接頭的靜態(tài)、動態(tài)力學性能及斷裂行為；探討接頭微觀組織與宏觀性能之間的 內在關聯(lián)。2）車門焊接總成的兩種不同焊接接頭結構的焊接效率及焊點的強度對比分析：研究全部為“ C”型接頭與部分“ C”型部分“ I”型接頭兩種焊接接頭結構的焊接效率及焊點 強度對比分析，得到最優(yōu)方案。4 擬解決的關鍵技術或問題明確工作中的關鍵技術難點，提出解決的方法熱輸入對板件變形的影響很大，激光加工參數(shù)（激光功率、掃描速度和離焦量）的不同組 合對變形行為有很大影響。對于不同板厚的零件，加熱時由膨脹受抑導致的熱壓應力冷卻后殘 余壓應力，都

26、有可能使板件產生失穩(wěn)，表現(xiàn)為不同的變形發(fā)生時刻，控制焊接過程中的零件變 形是本課題研究中的第一個關鍵技術難點。針對此技術難題，主要的解決方法是：根據(jù)以往經(jīng)驗給定大概的工藝參數(shù)（主要為激光功 率、離焦量、焊接速度）范圍，并通過試錯法進行不同參數(shù)組合的應用，用有限的工件數(shù)量最 終找到相對質量穩(wěn)定的焊接工藝參數(shù)組合。第二個技術難點是：激光焊聚焦光斑小，常見的情況是激光束在焊接位置形0.65mm 左右的聚焦光束，對沖壓件的結構要求很高，要求平整度控制在0.2mm以內，板材匹配間隙要求嚴格，一般小于板材厚度 20%，這對于焊接夾具的設計要求很高。針對此技術難題，主要的解決方法是：在保證沖壓件尺寸要求滿足

27、實驗要求的基礎上，激 光焊為非接觸式加工，需要的夾緊力較大，夾具設計時充分夾緊工件，盡量保證每道焊縫附近 都有壓頭進行夾緊。這樣也有利于控制焊接變形。5 研究方法樣件制作樣件表面清理裝夾樣件1激光對焦和激光束 對中Jr給定焊接工藝參數(shù)焊縫接頭-接頭宏觀形貌分析力學性能測試1）選擇科學的研究方法，制訂完整的技術路線 相同/不同板厚、同種異種材料激光焊接焊縫質量及接頭力學性能研究:制作相同/不同板厚、同種/異種材料的若干組樣件制作用丙酮擦拭焊接區(qū)域，清洗焊接部位，去除油脂采用自制的焊接夾具固定工件、在鍍鋅板層之間嵌入塞尺通過操作機器人及機器人編程，確保焊接過程中激光對焦 和激光束對中不同工件組個給

28、定不同的激光功率、焊接速度、離焦量在監(jiān)控下進行焊接，保留樣件并做好標記通過XXX型光學顯微鏡觀察焊接接頭的宏觀形貌通過XXX型拉伸試驗機進行拉伸驗并記錄數(shù)_ 車門焊接總成的兩種不同焊接接頭結構的焊接效 焊點的強度對比分析3）工作方案的可行性分析，預設研究中可能遇到的難點，提出解決的方法 理論上的可行性：開展本課題所依據(jù)的激光焊接機理及理論及焊接質量分析方法是目前專業(yè)內普遍認可的理論 及方法，因此理論上是完全可行的 技術上的可行性：本項目通過車門里板焊接總成板料的激光焊接質量的研究，所采用的晶像顯微鏡、拉伸試驗以及激光遠程掃描焊接等實驗手段均為當前材料分析領域普遍認可的測試分析技術，因此，研究方

29、案在技術上是具備可行性的。 實踐上的可行性：本人長期從事重型商用車焊接生產的技術開發(fā)與質量管理工作，且具備較為完善的焊接基礎理論；導師是車身研究的知名學者，學識淵博，完全可以把控本研究課題；本項目具備較好的研究條 件，包括軟件條件及硬件條件因而，在實踐上有能力實現(xiàn)預期的研究目標。6 預期成果和結論對研究問題的解答進行科學預設，提出預期的成果和結論輸岀相同/不同板厚、同種/異種材料激光焊接焊縫質量及接頭力學性能相對優(yōu)良的激光焊接 參數(shù)；確定兩種方案中焊接效率及焊點強度最有的方案，具體輸出報告如下：1、 采用激光遠程掃描焊工藝替代現(xiàn)行的點焊焊接工藝，完成J7車型車門里板焊接總成焊接 的工藝可行性報

30、告；2、研究內容及預期效果1）激光遠程掃描焊焊接接頭結構與焊點強度對比報告；2）激光遠程掃描焊焊點成核位置與外觀質量報告;3）激光熔化焊焊接效率試驗報告。7 研究基礎1）科學評估研究條件和實驗條件以及自己的專業(yè)基礎和導師的專業(yè)把控能力本課題來源于中國第一汽車股份有限公司工藝技術創(chuàng)新項目T099車型車門里板焊接總成激光遠程掃描焊的工藝開發(fā)，能有效與公司未來產品發(fā)展方向有效接軌，因此本課題研究條件充分；該課題的前期所有實驗均外委至上海君屹工業(yè)自動化股份有限公司進行，君屹對激光技術應用很多， 技術能力可以滿足我們的實驗要求。并擁有現(xiàn)成的所有相關設備，完全具備本課題的實驗條件。比ft也 W-.知輔K本

31、人本科專業(yè)為材料成型及控制工程，通過幾年的學習，掌握焊接基本理論.工作后，長期從事重型商用車焊接生產的技術開發(fā)與質量管理工作， 且具備較為完善的焊接基礎理論；本人導師高云凱教授是汽車車身研 究的知名學者，學識淵博，完全可以把控本研究課題；2）所需經(jīng)費，經(jīng)費來源，開支預算（工程設備、材料須填寫名稱、規(guī)格、數(shù)量）序號名稱規(guī)格數(shù)量品牌費用1工業(yè)機器人系統(tǒng)ABB-IRB6700-200-2.61KUKA52激光系統(tǒng)YLS 4000 - ST2 激光器1IPG53IPG原廠進口冷水機1IPG24IntelliWeld 3D1ScanLab35激光房系統(tǒng)（四升降門）1君屹106PLC系統(tǒng)S7-3001西門子57安全光柵2SICK18安全防護裝置三色燈安全門鎖等1君屹39工裝夾具（加緊塊兩種形式）非標定制2君屹3010除塵系統(tǒng)煙塵處理9000立方米/小時1君屹1011機器人抬高座定制1君屹112電纜、線槽、螺釘及氣管等安裝輔材定制1君屹313檢測報告1君屹514系