金属学及金属工艺
激光焊接技术在汽车车体上的应用
2016-04-12
      1前言
      激光焊接是汽车车体使用的一种焊接方法,与电阻点焊和电弧焊相比,使用的历史较短。随着高功率CO_(2)激光的扩大应用,在20世纪90年代激光焊接广泛用于汽车拼焊部件的制造。之后,可用光导纤维传输的高功率Nd:YAG激光在市场出售,以及机器人立体焊接技术的开发,使激光焊接代替电阻点焊用于汽车车体组装。但由于激光焊接设备价格高昂,以及对焊接接头精度要求很高,所以激光焊接的应用受到一定限制。
      近年来由于高功率、聚焦性优良的光纤激光器和圆盘激光器的发展,激光焊接在汽车车体的应用再次受到人们的关注。高聚焦性激光的遥控激光焊接技术可大幅度缩短焊接时间,即使焊接设备价格高昂,在降低汽车制造成本方面仍具有明显效果,其应用在不断扩大。另一方面,近年来为实现汽车车体轻量化,不断推进高强钢板在车体上的应用。为了使车体部件既轻量化,又具有高刚性,对用连续焊接的激光-电弧复合焊取代电阻点焊的要求十分迫切。
      JFE钢铁公司在为促进汽车车体轻量化,开发和提供性能优良的汽车钢板的同时,对提高车体部件性能的焊接方法——激光焊接和激光-电弧复合焊接技术进行了开发。本文对JFE钢铁公司最近研发的遥控激光焊在高强钢板搭接焊接的应用和激光焊、激光-电弧复合焊在车架凸缘部连续焊接提高部件刚性的效果进行简要介绍。
      2遥控激光焊在高强钢板搭接焊接的应用
      2.1遥控激光焊的特点
      遥控激光焊的光学系统模式图如图1。通过对两片扫描反射镜角度的控制,在一定范围内,使激光束照射在工件上的位置快速移动,对激光束照射范围内的各个位置进行快速焊接。使用长焦距的聚焦棱镜,可以扩大激光束照射范围。因此,采用纤维激光器、圆盘激光器的激光焊接系统得到广泛应用。图2是机器人遥控激光焊接系统。该系统由纤维激光发生器、六轴多关节机器人和扫描光学系统组成,焊接距离为450mm,激光束在焊接工件上的照射范围是?200mm。由于机器人动作与扫描同步的“飞行”焊接,实现了高效率的焊接作业。
      遥控激光焊接系统的激光束经扫描反射镜反射进行扫描,所以与机器人和焊接机械不同,焊缝形状不受制约。除了直线焊缝,还可以进行圆形、C形、椭圆形、波浪形等多种形状焊缝的焊接。因此可根据部件的形状及性能要求选择适宜的焊缝形状。
      2.2遥控激光焊焊接高强钢板搭接接头的性能
      遥控激光焊的优点是焊接时间大大小于电阻点焊。但目前对遥控激光焊焊接接头的性能研究还尚不充分。电阻点焊高强度钢板常出现的问题是焊接接头的剥离强度(十字拉伸强度)不足。为此,进行了遥控激光焊焊接接头的性能试验。
      试验用钢板是厚度为1.6mm的980MPa级高强钢板,钢版牌号是JFS A2001、JSC980Y。使用图2的遥控激光焊接机焊接十字拉伸试样搭接部位的中心,焊接部位是直径3-12mm的圆形贯通焊点。十字拉伸试样按JIS Z 3137制作,焊点直径为8mm。激光焊接的激光功率是4.0kW、焊接速度是2.5m/min、搭接面的焊接金属宽度约为0.8mm。
      图3是遥控激光焊接十字接头的拉伸试验结果。为进行比较,图中还有熔核直径5.4mm的电阻点焊的十字接头拉伸强度。电阻点焊熔核直径的一般要求是4t~(1/2)=5.1mm(t:板厚,本试验为1.6mm),本试验的点焊熔核大于一般要求。遥控激光焊接接头十字拉伸试验的断裂位置都在焊接金属附近的母材上。
      遥控激光焊接接头十字拉伸强度随焊点直径的增加而增加,遥控激光焊焊点直径与点焊熔核直径相同的情况下,遥控激光焊接接头十字拉伸强度提高了约50%。根据该试验结果可以认为,采用遥控激光焊对980MPa级高强钢板进行焊接可以获得比电阻点焊窄的卷边,或者在焊接区尺寸相同的情况下,可以获得更高的剥离强度。
      图4是电阻点焊焊接部位断面和激光焊焊接部位断面模式。虽然两种焊接方法的十字拉伸断裂位置都在搭接面的焊接金属部位或其附近,但它们的位置形状不同。电阻点焊是一边加压一边通电使熔核形成,在熔核附近的搭接面上存在着叫做塑性金属环(corona bond)的固相接合区。因此熔核边界成为非常尖锐的缺口,产生很大的应力集中(图4(a))。特别是对于980MPa级高强钢板来说,因为熔核附近的热影响区发生显著硬化,由于上述的应力集中,在低负荷作用下就很容易发生断裂。与此不同(如图4(b)所示),激光焊搭接面的焊接金属部位的缺口没有电阻点焊那样尖锐,所以应力集中程度较小,在低负荷作用下不容易发生断裂。因此,激光焊比电阻点焊容易扩大焊接区尺寸并可形成不易引起应力集中的焊接区形状。根据这两点,可以说激光焊是提高剥离强度的有效方法。
      上述试验结果说明,遥控激光焊不仅是高效率的焊接方法,而且也是提高焊接接头性能,解决电阻点焊接头存在剥离问题的有效方法。
      3激光焊接对车架部件连续焊接提高部件刚性
      3.1激光焊和激光-电弧复合焊在车架部件的应用
      采用高强度钢板减薄钢板厚度是使车体轻量化的有效方法,但钢板厚度减薄会带来刚性不足的问题。除了钢板性能影响部件的刚性,部件的焊接状态也对部件刚性有很大影响。对于部件刚性来说,激光焊和激光-电弧复合焊等连续焊接方法是比电阻点焊更好的焊接方法。激光焊是焊接速度高、热输入低的焊接方法,在焊接部件凸缘时,可以获得比电阻点焊宽度更窄的凸缘。激光-电弧复合焊由于复合使用电弧焊,可以在焊缝中添加熔敷金属,因此可以在比激光焊间隙更大的条件下进行焊接,放宽了对焊接接头精度的要求。
      日本H-one公司为兼顾车架部件的轻量化和刚性提高,对车架凸缘部连续焊接的问题进行了研究。为了查明激光焊和激光-电弧复合焊对提高部件刚性的作用,H-one公司和JFE钢铁公司共同进行了帽形试样刚性试验。
      3.2连续焊接帽形试样的刚性试验
      为了验证激光焊和激光-电弧复合焊焊接车架部件凸缘可以提高部件刚性,进行了图5所示形状的帽形试样扭转刚性试验。帽形试样两侧凸缘搭接部分别用电阻点焊(焊点间距35mm)、激光焊接(全长800mm连续焊接)和激光-电弧复合焊接(全长800mm连续焊接)。焊接位置是试样凸缘中心、试样角的端部和内侧角(距角的端部4mm,内侧)。电阻点焊只焊接凸缘中心,激光焊焊接凸缘中心和角的端部,激光-电弧复合焊焊接角的端部和内侧角。表1是激光焊和激光-电弧复合焊的焊接条件。激光-电弧复合焊的前端是激光束。观察凸缘的激光焊和激光-电弧复合焊焊接区断面的宏观组织可知,激光-电弧复合焊的角的端部熔融宽度大于激光焊的角的端部熔融宽度,并且激光-电弧复合焊内侧角搭接部的间隙有熔敷金属的填充,所以没有焊接缺陷。
      对帽形试样进行扭转刚性试验。根据扭转负荷角度-扭矩曲线的斜率计算出刚性值。将电阻点焊试样(焊点间距:35mm、焊接位置:凸缘中心)的刚性值作为1,各试样的刚性值与电阻点焊试样刚性值的比值如图6。从图6可以看出,与电阻点焊相比,连续的激光焊使试样刚性约提高8%(RSW(CTR)与LBW(CTR)的比较),并且由于激光焊焊接位置在试样角的端部,使刚性提高了13%(LBW(KEN))。激光-电弧复合焊的角的端部和内侧角的刚性比电阻点焊提高了16%-18%。
      从激光焊焊接凸缘中心试样(LBW(CTR)和激光焊焊接角的端部试样(LBW(KEN)的凸缘主应力分布的CAE(计算机辅助工程)解析结果可以看出,与凸缘中心焊接相比,角的端部焊接试样的凸缘中心到试样角的端部范围内的变形受到抑制,使试样的侧壁变形减轻,提高了试样的扭转刚性。
      上述试验结果说明,对车架部件凸缘采用连续焊接并选择适宜的焊接位置,可以提高车架部件的刚性,从而取得车架部件轻量化和高刚性化的效果。
      ()
      ()
      ()
      ()
      ()
      ()
      ()
      
0 35
免费下载全文(PDF文件/1024K)
世界金属导报
2016年04月12日
相似文献
激光焊接技术进展3则
期刊
汽车车身制造重要工序——焊接:非线性激光焊接技术
期刊
高能激光焊接技术及其应用
期刊
激光焊接技术应用及其发展趋势
期刊
遥控激光焊接技术
期刊
浅谈激光焊接技术发展历史与应用
期刊
更多相似文献