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1、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 年英国研制的伦敦地铁电动车。铝合金车体的发展经历了板梁期、 开
2、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。(5) 减少维修费用 ,延长使用寿命。13.激
3、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体激光器.激光波长为1.06微米.有利于激光的聚
4、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,但一般来说负离焦量时工件内部功率密度大于表面处,焦点处的高能
5、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,喷射出的金属蒸汽能够吸收激光能量,造成等离子体屏蔽激
6、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,因而熔深不会增大。所以,对一定激光功率和一定厚度的某特定材料
7、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 ,DL A 为+ 2mm ,焊接速度为1.2 m/
8、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、缩孔和其它焊接缺陷。这需要通过以下两方面的对策来加以解决。一是合
9、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,以防止焊料堆积或浸润不足。同时,通过控制机器人的关节运动,来
10、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YAG激光焊焊接电源工人工种工 作 地现场工人数
11、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台件设备及工作地： 材 料AA6016焊接材料焊接种类Y
12、AG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11.101.30859510016521.601.8010611624.229.231.601.8015616616.919.241.601.8013714719.122.110016591.601.8016017016.518.5101.601.802802909.810.4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、
13、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A6063 铝合金, 比1 mm 厚的表面光洁的A6063 铝合
14、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
