激光焊接技术在汽车中的应用毕业论文

专科生毕业设计（论文）

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指导教师：激光焊接技术在汽车制造中的应用 康世荣 材料工程系 2011级焊接及自动化专业 张毅

2013年 12月 14 日

摘要

激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一，与传统焊接技术相比有着较为明显的优势。随着激光技术的不断发展和汽车工业柔性、模块化生产方式的需要，激光焊接技术在汽车领域的应用范围越来越广，所占比例也越来越高，可达激光加工15%的份额。本文就激光焊接在汽车领域中的应用，从激光焊接的技术概况和激光焊接的发展趋势等方面进行综合论述。

关键词：激光焊接；优势；汽车；应用；发展

目录

第一章 前言……………………………………………………………………………… 1

第二章 激光焊接技术概况

2.1 激光焊接的原理………………………………………………………………………1

2.2 激光焊接相对于普通焊接的优势……………………………………………………2

2.3 激光焊接过程控制……………………………………………………………………3

第三章 激光焊接在汽车工业中的应用

3.1 汽车零部件的激光焊接………………………………………………………………4

3.2 激光拼焊技术…………………………………………………………………………4

3.3 汽车车身激光焊接技术………………………………………………………………5

3.4 激光复合焊接技术在汽车车身制造中的应用………………………………………5

第四章 激光焊接技术的前景及发展趋势

4.1 复合焊接………………………………………………………………………………6

4.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型…………………………………………………6

4.3 激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋……………………………………………7

4.4 激光焊接技术前景……………………………………………………………………7 结论…………………………………………………………………………………………7 致 谢……………………………………………………………………………………… 8 参考文献……………………………………………………………………………………8

第一章 前言

激光焊接从上世纪 60 年代激光器诞生不久就开始了研究，从开始的薄小零件或器件的焊接到目前功率激光焊接在工业生产中的大量的应用，经历了近40 年的发展。由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。其中，激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。这也是激光焊接能够吸引国内外越来越多的科技人员从事研究和技术开发的原因。本文综述了近年来国内外激光焊接技术概况以及激光焊接技术的发展趋势，并介绍了激光焊接在汽车零件和车身制造领域的典型应用。

第二章 激光焊接技术概况

2.1 激光焊接的原理

激光焊接采用激光作为焊接热源，通过光学震荡器利用电能、化学能等原始能量将某些固态、液态或气态介质激发，产生相位几乎相同且波长近乎单一的光束，这些光束由于相位相同且波长单一，因而差异角非常小，可以传播较长距离，所以可以被高度集中起来加以利用。当激光束的功率密度足够大时，金属表面在激光束的照射下迅速升温，在极短的时问内可以达到沸点而发生汽化。当金属蒸汽以一定的速度离开金属熔池的表面时，会产生一个附加应力反作用于熔化的金属，使其向下凹陷，产生一个小凹坑。随着加热的继续进行，逐渐形成一细长的小孔。随着激光束的移动，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝(见图2-1)。焊缝的深浅与激光功率密度有关，当所用激光功率密度较低时熔深浅，深宽比较小。当激光功率密度较高时熔深大，深宽比也大，这时就比较易于形成深穿透性焊缝。目前包括座椅在内很多焊接工艺都是采用这种激光焊接技术。

图2-1 激光深熔焊原理

2.2 激光焊接相对于普通焊接的优势

图2-2 激光焊接在生产中的应用

相对于电阻焊、CO：焊和钎焊等焊接技术，激光焊接技术具有以下优势。

(1)激光焊接的速度很快，最快可达20m／min。．

(2)由于激光束光斑小(0．1～0．3mm)，功率密度高，加热范围小，速度快而且是非接触焊接，因此残余应力和焊接变形很小，这一点对于焊接质量来说很重要。

(3)焊接强度更好。由于激光焊接有很小的热变形，而且对邻近的金属没有机械扭曲作用，因此激光焊接能保证所焊产品的强度。

(4)激光焊接可以大大减少预留的焊接边缘，减少搭接宽度和一些加强用的部件，因而可以降低材料的用量，优化设计，使座椅的设计更加柔性化。

(5)激光束易于聚焦，可通过反射镜或光纤改变光的走向，也可在工件周围进行再导弓f

，因而它的可达性好，在其他焊接方法难以接近的工件部位也能进行焊接，这一

点是其他焊接方法所无法比拟的。

(6)激光焊接的非接触性也避免了易损件的频繁更换和维护，如电极帽、电极杆和电缆等，既节约了成本，又提高了效率。

(7)激光焊接还具有特殊的熔池净化功能，能净化焊缝金属。在焊接过程中，由于激光的作用，焊接部位的金属熔化并且部分汽化，因杂质吸收光能的效率高，所以金属内的杂质首先被汽化吸出，从而使焊缝中的杂质含量减少，焊接质量提高。

2.3 激光焊接过程控制

激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数的控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。但实际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊接变形引起的焊接喷嘴－工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化等。如何迅速确定激光焦点位置并将其控制在合适的范围，一直是激光焊接迫切要求解决而又难度很大的课题。

图2-3激光焊接焦点位置双闭环控制系统组成

图2-3是清华大学研制的CO2 激光焊接焦点位置的双闭环控制系统示意图。整个系统包括数控激光焊接机床(CNC)、特殊设计的激光焊炬以及检测控制系统。焊接喷嘴－工件距离可以通过上下调节焊炬位置实现，而聚焦透镜位置则由电机驱动在焊炬内独立上下运动，实现焦点位置的调节。检测系统由电荷传感器(pcs 喷嘴)和装在喷嘴侧面的光学传感器(ps 传感器)组成。焊接过程中，根据检测到的PCS 信号变化，系统可以自动调节喷嘴至工件表面距离，保证在焊接过程中保持喷嘴－工件距离恒定；同时根据PS 信号调整聚焦透镜的位置，用于补偿因热透镜效应引起的焦点位置波动，使焦点位置始终处在最佳焦点位置范围。

第三章 激光焊接在汽车工业中的应用

3.1 汽车零部件的激光焊接

激光焊接在汽车制造中的应用始于变速箱的齿轮焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齿轮几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了应用。国外到目前为止，激光焊接已经在汽车零部件生产中得到非常广泛的应用，包括尾气排放系统（歧管、排气管、消声器等）、变速箱双联齿轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等。国内汽车领域应用激光焊接主要有变速箱齿轮和减振器储油缸筒的焊接。

3.2 激光拼焊技术

激光焊接在汽车制造应用最为成功，同时效益最为明显的一项技术就是汽车车身的拼焊技术。激光拼焊的目的是为了降低车身重量，即在进行车身的设计制造时，根据车身不同部位的性能要求，选择钢材等级和厚度不同的钢板，通过激光裁剪和拼焊技术完成车身某一部位的制造。激光拼焊技术具有下列优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期；减少材料浪费；最合理使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少车身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性。

德国大众最早于 1985 年将激光拼焊用于Audi 车型底盘的焊接，日本丰田于1986 年采用添丝激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技术是在1993 年，当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了 2mm 工程。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件包括车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。

3.3 汽车车身激光焊接技术

激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接，其中一个 典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧板的焊接。传统的焊接方法为点焊，如图4a 所示，但现在正逐渐被激光焊接所代替（图3-1b）。比较两者可以看出，采用激光焊接后，顶盖和侧面车身的搭接边宽度减少，降低了钢板使用量，同时提高了车体的刚度。目前这种车身框架的激光焊接技术在各大汽车制造商的较新型车中都得到了非常广泛的应用，例如Audi A2 车体框架是由铝合金材料焊接而成，比同样结构使用钢材可减少重量43kg，其中激光焊接的焊缝总长多达30m。国内，上海通用的Polo、上海大众Passat 车型和一汽Bora 的制造中，也都采用了激光焊接技术。这是我国汽车制造业真正使用激光焊接技术的一个重要标志。

图3-1 汽车车身顶盖与侧面激光焊接代替点焊

3.4 激光复合焊接技术在汽车车身制造中的应用

国内关于激光- 电弧复合热源焊接实际应用的报道较少，国外尤其是德国对此项技术的研究较深入。激光- 电弧复合焊接广泛应用于汽车工业。以德国大众Phaeton的车门焊接为例( 见图3-2)

：为了在保证强度的同时又减轻车门的重量，大众公司采

用冲压、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊缝总长4980mm，现工艺是7 条MIG 焊缝( 总长380mm) ，11 条激光焊缝( 总长1030mm) ，48条激光- MIG 复合焊缝( 总长3570mm) 。

激光复合焊同样用于新型奥迪A8 汽车的生产。在A8 侧顶梁上有各种规格和形式的接头，就是采用激光-MIG 复合焊工艺，焊缝共计4.5m 长。激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如，复合焊在焊接Phaeton 车门对接接头时，焊接速度1.2 ～4.8m/ min 都是可行的。通常焊丝送丝速度为4 ～9m/ min，激光功率为2 ～4kW。最优化的焊速是4.2m/ min，送丝速度6.5m/ min，激光功率2.9kW。

(a)铝合金车门 （b）焊缝形貌 （c）焊缝夹具

图3-2 某铝合金车门结构、焊缝及工装设备

第四章 激光焊接技术的前景及发展趋势

4.1 复合焊接

等离子云吸收、反射激光,降低金属材料对激光的吸收率,使激光的能量利用率降低;对焊接母材端面接口要求高,容易产生错位;容易生成气孔疏松和裂纹;焊后在母材端面之间的接口部位存在凹陷,焊接过程不稳定等等，为消除或减少单热源激光焊接的缺陷,人们在保持激光加热优点的基础上,利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热,从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接。

4.2 激光焊接的控制和激光焊接的模型

在激光焊接过程熔透控制研究中,建立熔池形状参数与焊接工艺之间的关系是关键问题,在试验过程中,对熔池形状信息获知得越丰富,

对焊接过程熔透控制的效果越理想。

Sonti 等人采用二维有限元非线性模型进行了铝合金激光深熔焊接传输过程的三维计算,得到了激光焊接的三维温度场。刘顺洪进行了薄板激光焊温度场的分析与数值模拟,建立了有限元方程,并编制了相应的程序。

4.3 激光焊接的激光发生器及其工艺发展趋势

目前的激光焊接所使用的激光器主要为大功率CO2 激光器和脉冲Nd : YA G 激光器,激光器的发展仍然集中于激光设备的开发研制。在激光加工光束质量及加工外围装置研究,应研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术,光学系统及加工头设计和研制,开展焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究,从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。

4.4 激光焊接技术前景

激光焊接技术对传统的汽车焊接工艺带来了冲击性的影响，各大汽车公司对此都抱有十分积极的态度，采用新技术就意味着更强的竞争力，特别是竞争残酷的汽车工业。激光焊接技术在焊接铝材，用焊接件代替铸件以及全车身构架结构焊接的应用前途最大，激光器生产厂家应该抓住商机，在激光器的可移动性、体积等方面下功夫，用光纤传输激光，使激光器更适合汽车生产线的需要。国内一些激光产品生产厂家已经逐渐意识到这一点，比如湖北光通光电系统有限公司生产的脉冲Nd:YAG激光焊接机利用光纤耦合聚焦，使用方便，激光头可以远离焊接区，激光器性能稳定可靠，寿命长，也可以使用传统的光学传统系统，激光器既可以激光焊接，也可以激光切割和打孔，一机多用途，特别适用于激光加工车间和自动化生产线。

21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性模块式生产的方式，传统加工工艺不能满足新生产方式的需要，这给激光焊接技术的大规模应用提供了一个机遇，激光焊接技术及其他激光加工技术在汽车领域中一定会有更大的发展，成为汽车工业中重要的加工方法。

结论

激光焊接在汽车制造领域的大量成功应用显示出激光焊接强大的生命力和非常广阔的应用前景。虽然我国激光焊接技术的整体应用水平还比较低，在激光器制造技术上还较发达国家落后许多，但是应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术，而且从激光焊接技术本身研究的角度看，我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展，激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。

致 谢

经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的筹划、搜集材料、绘图等，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢