基于汽车座椅调角器激光远程焊接系统设计及其工艺的分析.pdf

D E S I G NF O RL A S E RI 己E M O T EW E L D I N GS Y S T E MA N DR E S E A R C HO N厂E L D I N GP R O C E SSO FC A RS E A TR E c 啪R111111111111111I01I1411111111311S o u t h e a s tU n i v e r s i t yF o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fB YS H IY o n gS u p e r v i s e db yP r o f e s s o rC H E NY u n-f e iS o u t h e a s tU n i v e r s i t y M o n a s hU n i v e r s i t yJ o i n tG r a d u a t eS c h o o l(S u z h o u)S o u t h e a s tU n i v e r s i t yM a r c h2 0 1 5万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：魁室日期：丝：兰!f 至东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：姒导师签名：f 继期：7,t k-3 侈万方数据摘要摘要随着人民生活水平的不断提高和道路交通状态的不断改善，汽车已成为许多家庭不可或缺的交通工具，人们在享受汽车带来的方便、快捷的同时，对汽车的安全性、舒适性提出了更高的要求。调角器作为汽车座椅的一个安全件，其质量的优劣直接关系到乘员的人身安全。所以汽车座椅调角器的焊接至关重要。传统的手工焊接已经满足不了生产制造商对汽车座椅调角器的大批量生产。然而逐步发展起来的激光焊接可以解决这一问题。利用先进的振镜、碟片激光器、机器人、4 D W a t c h结合在一起的焊接系统，为汽车座椅调角器的焊接设计一套全自动系统，为振镜扫描激光焊接系统的推广和产业化应用提供技术支持，打破了国外汽车座椅调角器激光焊接技术的垄断，促进了民族工业的发展。本论文的研究工作包括：(1)介绍了激光焊接的机理，重点分析了激光扫描焊接的原理及产生的两种误差，研究了激光扫描焊接的特性以及影响激光扫描焊接的主要影响因素，分析了镀锌钢板的焊接性。(2)根据焊接要求，确定系统结构组成和控制方案，研究碟片激光器、振镜、机器人、4 D w a t c h等关键部件的工作原理、特点和性能参数，做出合理的设计选型。同时设计气路装置及水冷装置等辅助单元。(3)针对初始布局的缺陷，确定系统设计方案，完成造型布局设计、色彩设计、操作区域的人机设计、操作按钮设计、人机界面设计、监测装置的设计以及附件的设计，实现对系统整体外观的综合设计。(4)设计调角器的焊接夹具，优化工艺路径，对汽车座椅调角器的焊接进行一系列的工艺实验，利用正交实验法找出焊接最合理的一组工艺参数，激光功率、焊接速度、离焦量，并利用单因素变换法分析焊接参数对焊缝熔深、熔宽的影响规律。本文从数学方面对扫描焊接引起的误差进行了推导理论分析，改善了整个焊接系统的外观，设计一套自动化焊接夹具。进行了一系列的实验，通过正交实验法和单因素变换法，优化工艺参数和影响规律，具有一定的工程应用价值。关键词；调角器，远程焊接，机器人，焊接夹具万方数据A b s t r a c tA b s t r a c tW i t ht h er i s eo fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fr o a dc o n d i t i o n s，c a l h a sb e c o m e 锄i n d i s p e n s a b l es o u r c eo ft r a n s p o r t a t i o no fm a n yf a m i l i e s W h i l ep e o p l ea r ee n j o y i n gh i g hc o n v e n i e n c eb r o u g h tb yc a r s，t h e ya s kf o rh i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h er c l i a b i l i t ya n dc o m f o r t a b l e n e s so ft h ec a l T h eq u a l i t yo fr c c l i n e r,as a f e t yc o m p o n e n ti nt h ec a rs e a li sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es a f e t yo ft h ep a s s e n g e r s。T h e r e f o r e,t h eg o o dw e l d i n go ft h ec o m p o n e n t sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c t i o no fr e c l i n e r T h et r a d i t i o n a lm a n u a lw e l d i n gn o wc a n n o ts a t i s f ym a n u f a c t u r e r si n c r e a s i n gn e e d so fm a s sp r o d u c t i o no fr e c l i n e r。A tt h es a m et i m e,g r a d u a l l yd e v e l o p e dl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da sab e t t e rw a y A s s e m b l e db ya d v a n c e dg a l v a n o m e t e r,d i s cl a s e r,r o b o ta n d4 D w a t e h，a na u t o m a t i cw e l d i n gs y s t e mi sd e s i g n e df o rt h ew e l d i n go fr e c l i n e r T h er e s e a r c hr e s u l tc a nb es e r v e da st e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ep r o m o t i o no ft h eg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gl a s e rw e l d i n gs y s t e ma n di t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n M e a n w h i l e，i tc a nb r e a kt h ef o r e i g nm o n o p o l yo fl a s e rw e l d i n gt e c h n o l o g yi nt h er e c l i n e ro fc a rs e a t,a n do f f e rt h eo p p o r t u n i t yt oc u l t i v a t et h eg r o w t ho fn a t i o n a li n d u s t r y，T h er e s e a r c ho f t h i sp a p e ri n c l u d e s：(1)T h em e c h a n i s mo fl a s ew e l d i n gh a sb e e ns t u d i e d T h ek e y n o t el i e si nt h ea n a l y s i so fm e c h a n i s mo fl a s e rs c a n n e rw e l d i n ga n dp r o d u c e dt w oe r r o r,s t u d i e dc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rs c a n n e rw e l d i n ga n dt h em a i ni n f l u e n t i a le l e m e n t sa l o n gw i t ht h ew e l d a b i l i t yo f g a l v a n i z e ds t e e l(2)B a s e do nt h ew e l d i n gr e q u i r e m e n t s，t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dc o n t r o ls c h e m ea r ed e t e r m i n e d，ar e a s o n a b l ed e s i g nm o d e lh a sb e e nm a d ea f t e rs t u d y i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s，c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fk e yc o m p o n e n t si nt h ed i s cl a s e r,g a l v a n o m e t e r,r o b o ta n d4 D w a t c h O t h e ra u x i l i a r yu n i t si n c l u d i n gg a sc i r c u i td e v i c ea n dw a t e rc o o l i n gd e v i c ea r ed e s i g n e d(3)I nv i e wo f i n i t i a ll a y o u tf l a w,s y s t e md e s i g ns c h e m ei sd e t e r m i n e d,t h ei n t e g r a t e dd e s i g no ft h ea p p e a r a n c eo f w h o l es y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d，i n c l u d i n gl a y o u td e s i g n，c o l o rd e s i g n，o p e r a t i n ga r e ad e s i g n，b u t t o nd e s i g n，m a n-h u m a ni n t e r f a c ed e s i g n，m o n i t o r i n gd e v i c ed e s i g na n da t t a c h m e n td e s i g n(4)T h ew e l d i n gc l a m pi sd e s i g n e d T h ew e l d i n gp a t hh a sb e e no p t i m i z e d T h em e t h o do fo n h o g o n a le x p e r i m e n ti su s e dt of i n do u tt h em o s tr e a s o n a b l ew e l d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c ha sl a s e rp o w e r,w e l d i n gs p e e da n dd e f o c u sa m o u n t S i n g l ef a c t o rt r a n s f o r m a t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ee f f e c to f w e l d i n gp a r a m e t e r so nw e l dp e n e t r a t i o na n dw e l dw i d t h T h ee r r o rp r o d u c e db ys c a n n e rw e l d i n gh a sb e e nd e r i v e dt h e o r e t i c a l l yt h r o u g hm a t h e m a t i c si nt h i sp a p e r T h ea p p e a r a n c eo ft h ew e l d i n gs y s t e mi si m p r o v e d T h ea u t o m a t i cw e l d i n gf i x t u r ei sd e s i g n e d As e r i e so fe x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d，i n c l u d i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n ds i n g l eT T T万方数据A b s t r a c tf a c t o rt r a n s f o r m a t i o nm e m o d t oo p t i m i z ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n di n f l u e n c el a w I th a sg o o de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u eK e y w o r d s：r e c l i n e r,r e m o t ew e l d i n g，r o b o t,w e l d i n gf i x t u r e万方数据目录目录摘要I IA b s t r a c t，1 l I目录V第一章绪论11 1 研究背景及意义一l1 2 激光焊接的发展现状及在汽车领域的应用11 2 1 激光焊接的发展现状I1 2 2 激光焊接在汽车领域的应用21 3 振镜扫描激光焊接的国内外研究现状41 3 1 振镜扫描激光焊接的国外研究现状41 3 2 振镜扫描激光焊接的国内研究现状51 4 课题来源及本文研究内容一5第二章激光远程焊接的理论分析72 1 激光焊接原理一72 1 I 激光焊接的原理72 1 2 激光焊接的两种机理72 2 激光扫描焊接的基本原理。72 2 1 激光扫描焊接的原理72 2 2 激光扫描焊接的误差分析92 3 激光扫描焊接的特性l12 3 1 激光扫描焊接的优势1 12 3 2 激光扫描焊接的局限性一1 22 4 激光扫描焊接的主要影响因素1 22 5 镀锌钢板材料的焊接性1 32 6 本章小结1 4第三章激光远程焊接系统结构设计1 43 1 激光远程焊接系统结构组成1 53 2 激光远程焊接系统的控制方案153 3 机器人单元1 63 3 1A B B I R B 6 6 2 0 型机器人1 63 3 2I R C 5 控制器1 73 4 碟片激光器1 83 5 振镜焊接头1 93 6 自动化焊接夹具2 13 7 气路装置2 13 8 西门子工业计算机集成控制系统单元2 23 9 辅助设备：空压机、冷干机、水冷机2 33 1 04 D w a t c h 视频监控单元2 33 1 1 本章小结一2 5第四章激光远程焊接系统入机工程设计2 54 1 引言2 64 2 问题分析与研究2 6V万方数据目录4 3 整体造型布局设计2 74 4 色彩设计2 84 5 操作区域设计2 94 6 操作按钮设计3l4 7 人机界面设计3 24 8 监测装置设计3 54 8 1 监测零件装置：3 54 g 2 光栅传感器3 64 9 附件设计3 64 9 1 门把手设计3 64 9 2 视窗设计3 74 9 3 安全锁的设计3 74 9 4 信号灯设计3 74 1 0 焊接系统渲染图3 74 1l 本章小结一3 9第五章激光远程焊接汽车座椅调角器的工艺研究4 05 1 实验材料及设备条件4 05 1 1 实验材料4 05 1 2 机器人激光远程焊接系统4 05 1 3 焊接夹具4 l5 1 4 实验器材o 4 25 2 焊接工艺实验方案4 35 2，1 材料预处理4 35 2 2 工艺路线优化4 35 2 3 正交实验优化4 45 3 实验结果分析4 55 3 1 工艺路线实验分析：4 55 3 2 正交试验分析4 65 3 3 焊接工艺参数优化及结果4 85 4 分析工艺参数对焊缝熔深、熔宽的影响规律4 95 4 1 激光功率对焊缝熔深、熔宽的影响4 95 4 2 焊接速度对焊缝熔深、熔宽的影响5 15 4 3 离焦量对焊缝熔深、熔宽的影响5 25 5 本章小节。：5 3第六章总结与展望=5 46 1 全文总结5 56 2 研究展望5 5致谢5 6参考文献5 7附录激光焊接机器人轨迹程序6 0万方数据第一章绪论第一章绪论弟一早殖记1 1 研究背景及意义当今世界，汽车的发展代表着人类社会的进步，同时将汽车的拥有量作为一个国家发达程度的标志。随着经济的不断发展，人民物质生活水平的不断提高，汽车市场的竞争变得日益激烈，而激光焊接技术在汽车领域中的应用，必将为汽车行业带来翻天覆地的变化，大大改善和提高企业的竞争力。相比于传统焊接方式，激光焊接有独特的优越性，该技术由激光器发射出激光束，入射到工件表面，激光与工件发生相互反应，金属吸收激光后，由光能转变成热能，然后金属熔化后冷却，完成焊接。激光具有高度集中的能量，加热和冷却速度非常快，在机械行业中获得了广泛的应用。我国制造业发展迅速，逐渐成为一个世界的加工工厂，这使得焊接技术有着广泛的应用前景。目前国家把制造业作为特别关注的几个大行业之一。随着技术的不断更新，先前的焊接方式已经满足不了人们对高科技含量产品的需求，并显示出很多的缺点，例如焊接质量差，生产效率低，可操作程度低。所以为了走可持续发展道路，当务之急的事情就是要发展激光自动化焊接技术。激光焊接自动化可以产生很大的益处，例如提高生产效率，完善产品质量，降低营运成本，减少操作工人的劳动强度，在实现自动化的基础上配备检测系统，就可以进行流水线生产，可以优化改善操作环境【u。随着激光焊接技术的不断发展，生产制造商对激光焊接的生产效率、敏捷性和柔性等方面的需求随之增加。此时，振镜扫描激光焊接应运而生，达到了生产制造商的需求。振镜扫描激光焊接的特点是焊接速度快、变形和应力小、方便灵活、热影响区小、可焊难焊材料。激光远程焊接自动化设备配备了振镜扫描焊接头、碟片激光器和机器人，主要应用于整车及汽车座椅调角器等冲压钣金的高速激光焊接。它取代了先前的电阻点焊工艺，使产品的质量和生产效率都得到了极大的提高。尽管国外在振镜扫描技术上进行了深刻的研究并取得了显著的成果，而国内在这一方面上的研究却相对滞后。研究工作比较少，取得的的成果还不够理想，如扫描速度慢、自动化程度不高，焊点焊缝较大，并且质量不能保障。可见，振镜扫描激光远程焊接技术有进一步的发展空间1 2】。虽然在国内汽车行业激光远程焊接系统已经屡见不鲜，但是大部分先进完善的激光扫描远程焊接系统差不多都是国外引进的，在国内主要是以装配为主。所以，国内研究人员要自主研发性价比高的机器人激光扫描远程焊接系统，打破国外垄断的现状，促进民族工业的发展，造福于人民大众。万方数据东南大学硕士学位论文1 2 激光焊接的发展现状及在汽车领域的应用1 2 1 激光焊接的发展现状激光焊接作为材料加工的主要应用之一，是目前最具有发展潜力以及最有效的焊接技术。激光焊接是将光学、机械和材料学相结合起来的工艺。激光焊接技术的发展伴随着激光器的进步，经历了波形由脉冲向连续的发展，由薄板焊接到厚板焊接的发展，由简单焊缝向复杂焊缝发展，以及由单工作台焊接向多工作台焊接发展，由小功率焊接向大功率焊接发展，由单工件焊接向多焊接工件发展1 3】。自上世纪6 0 年代以来，激光器诞生后主要用来焊接微型件。经过了四十年的发展，大功率激光焊接开始广泛应用于工业生产中。一开始主要是对于脉冲激光焊接的研究，采用红宝石激光器进行激光焊接实验。到了7 0 年代，开始使用c o z 激光器焊接厚不锈钢件，完成激光深熔焊接。到了8 0 年代，开始用Y A G 激光器焊接质量要求高的小型零件上，如继电器等。随后出现了半导体激光器，可靠性增强，可以搭载机器人同时进行焊接，可用光纤传送激光焊接，电光转换效率达到4 0，缺点是光束质量不好。9 0 年代开始，出现了一种新颖的激光器，利用半导体激光器做传统激光器的泵浦源，极大提高了效率，缺点是泵浦源寿命比较短。进入2】世纪，开始使用光纤激光器，它将半导体激光器的光导入了光纤，形成新的激光。到目前为止，应用比较广泛的是碟片激光器，将光纤激光器的棒状晶体改成碟片晶体，可以及时冷却，解决了热透镜问题【4 l。早在上个世纪末，欧美各国在工业生产中就已经全面应用激光焊接，并在某些领域有了突破性的成就。随着工业生产的不断发展，效率高、敏捷性好、环保性强的焊接技术将越来越受欢迎。在美国、欧盟等科学技术发达的国家中，依托于先进的工业基础和科技，把激光焊接技术广泛的应用到各行各业中去。对于激光焊接技术的最新研究，国外主要是在大功率激光器的发展方面，大功率激光器可以在生产领域实现多项突破，而国内主要集中在不同种金属焊接、激光热丝焊和多道填丝焊等工艺上。像欧美一1 些国家已经取得了很多创新性的成就。所以国内科研机构要想突破激光的快速发展，就需要对这些相关的焊接技术进行深入的研究，并进入一些新型领域继续研究【5 1。从客观上讲，国内的激光焊接技术在某些领域已经相对完善，可应用于实际生产中进行批量化生产。即使这样，仍有很多问题急需解决，我们需要潜心研究克服这些难关，从而使得激光焊接能得到更加广泛的应用。上世纪7 0 年代，焊接领域开始采用工业机器人，激光搭配机器人进行焊接，对机械工业产生了翻天覆地的变化，生产质量及生产焊接效率得到明显提高。激光焊接以其高能束的聚焦方式，通过成熟的在线监测技术，机器人与激光器相互搭配，从而在机械行业中实现全自动化流水线生产。生产实践已经表明，客观上只要普通焊接方式能够做到的，激光焊接都可以做到，而且会做的更好更迅速。但是，因为其花费成本比较高，现在仅应用在能够创造高产值的领域里I s】。在以后的发展中，随着新颖的激光焊接技术的不断发展，激光焊接正在逐步进入之前被传统焊接方式统治的领域。激光焊接技术已经被应用到生产生活的各个方面，其中激光焊接应用比较多的领域是汽车行业、船舶行、钢铁行业、航空航天领域等，2万方数据第一章绪论同时激光焊接在其它行业如医药生物行业、电子工业、珠宝首饰行业中也得到广泛的应用。在未来的激光焊接研究中，不仅仅是针对简单的设各研究，逐渐会向各行业的更深层次的方向研究发展，来极大提高改善激光焊接的科技成分。1 2 2 激光焊接在汽车领域的应用汽车行业历来是发达国家的重要经济支柱，汽车的研发设计和制造技术，也一直是各国研究学者关注的焦点。随着激光焊接技术的日臻完善，其应用也日益广泛，相对来说，汽车行业是当之无愧的代表性行业，汽车零部件的激光电弧复合焊接、汽车车身的激光远程焊接等已经正在代替传统的焊接技术。激光焊接技术之所以能得到大量的应用，是因为激光焊接与电阻焊、电弧焊等这些的焊接热源相比具有独特的优势。采用激光焊接技术，能够提高生产质量，节约材料成本，提高车身的性能。在汽车制造车间，机器人焊接已经成为汽车生产线上一道必不可少的焊装工序门。和传统焊接方式对比，激光焊接不仅速率快，生产效率高，焊接的质量好，焊接变形小，装焊精度高。激光焊接技术在汽车领域应用的发展历程：1 9 8 5 年，美国克莱斯勒公司第一次使用激光焊接汽车的齿轮，这也标志着激光焊接开始应用在汽车行业中。在上世纪8 0 年代，车身总成与分总成开始采用激光焊接技术进行焊接。到了9 0 年代中期，宝马公司开始采用机器人激光焊接技术在宝马5 系列轿车上，并且焊接了第一条总长度达为1 2 米的焊缝。1 9 9 9 年，上海大众率先在帕萨特身上采用了激光焊接技术，主要应用在车顶、后盖外板以及侧围等。上海大众的激光焊接工艺在“途安”车型上达到了顶峰，激光焊接技术应用范围扩展至侧围分总成和总成、门内板焊接和前纵梁端板切割等技术，焊缝的总长度达到了4 1 米。德国通快公司将大功率激光器和机器人结合在一起，进行快速扫描远程焊接，极大地提高了生产效率，节约成本。罗芬公司采用激光功率达到8k WC 0 2S l a b 激光器组成远程焊接系统，优化焊接路径实现高速焊接。德国大众公司使用库卡机器人和通快公司的P F 0 3 3 二维扫描式振镜头来组成焊接系统，对帕萨特B 6 后窗台板进行了焊接l 司。自2 0 0 7 年以后，开始采用振镜扫描激光焊接系统和由T r u m p f 公司提供的4 K W 碟片激光器来焊接奥迪A 4 车门。2 0 1 3 年，上海团结普瑞玛激光设备有限公司采用8 K W 的碟片激光器和激光扫描焊接技术结合在一起，来完成通用公司的汽车座椅调角器的焊接。激光焊接在汽车领域中的重要应用：汽车车身制造和汽车零部件。在汽车车身制造方面，由于车身是薄板壳结构，通常采用点焊、弧焊或钎焊，现在采用激光焊接取代点焊来焊接车盖边缘。在8 0 年代初期，欧洲的v o l v o、M e r c e d e zB e n z 等汽车公司第一次采用激光焊接加工卡车前板、加强柱以及汽车底板。通用汽车公司使用三维激光焊接车顶及车身后侧角窗1 9】。很多公司如通用、丰田、大众和克莱斯勒在车身上都使用了激光拼焊技术。使用计算机来控制激光焊接，实现自动化生产。因此，能够焊接复杂的部件，包括车身的前轮罩、立柱、中立柱、避震器以及横梁等，如图1 1。激光焊接提高了车身的抗腐蚀性、机械强度和抗冲击性等各种性能。3万方数据南 *女圈l l 撤光焊接在汽车车身部件上的应用在汽车零部十I：焊接方面，据有关资料统计。一辆汽车由三百种以上的零件组成了车身和底盘，在西方发达的国家中，采用檄光加工来完成5 0 以上的汽车攀部件的加工。激光焊接始于变速箱的齿轮焊接，使用激光焊接可以增强齿轮的精度和可靠性，缩减了制造工艺步骡，改善焊接强度和焊接质量。同时激光焊接在离台器、气门挺杆、传动轴及技动机排气管等汽车部件的制造中也广泛应用，已将其作为汽车零部件制造中的标准工艺。激光焊接是一种高科技“绿色加工”工艺。激光焊接已实现规模化，对于传统的汽车焊接工艺有着巨大的影响。目前，国外很多汽车公司如通用、福特、克莱斯勒、奔驰、大众、宝马、丰目、菲亚特等，已经开始有自己的激光焊接加工生产线，把激光焊接大量的运用在自己的车型上。在未来的十几年中，汽车工业迅速发展，而激光焊接会有更广阔的应用前景。我们一定要抓住机遇，克服所有的挑战，不断完善和改进，来提高焊接技术在国内汽车制造中的应用水平l IJ 。1 3 振镜扫描激光焊接的国内外研究现状】3l 振镜扫描激光焊接的国外研究现状对于振镜扫描激光焊接技术，国外研究机构己进行了比较系统的研究，主要方面有扫描焊接工艺、系统集成和工业应用。国外已较早把振镜扫描技术应用到激光焊接技术中，尤其应用在远程焊接系统和点焊系统中，相比于以往的由于工作台运动缓慢受到限制的设备而言这种新型的新型激光焊接技术不仅大大提高了焊接速度，也提高了焊接效率和焊接质量，而且只需要更少的定位和夹持即可实现高精度焊接件，热输入少热变形小，在汽车行、和电子行业得到了较为广泛的应用。光纤激光器和碟片激光器的应用，使得用于汽车焊接的激光扫描焊接系统可以达到千瓦级。相比于其它光源这两种激光器的光源光束质量比较好，当工作距离相同时，该系统的聚焦光斑则会显著的变小，当聚捧光斑相同时，该系统的4万方数据工作距离显著变大。因此在实际生产中这样可以使得系统能够提高加工质量和加工效率，并且在与机器人的配合使用下可以实现高速远距离加工m】。其中在激光扫描焊接上的重要工艺研究有K ik i n 等研究了现代汽车公司的由激光器和振镜头蛆成的扫描焊接系统技术。C h l h e e k i m 等研宄了汽车部件的扫描焊接实验焊接法兰长度，焊缝长度减小。M 刚p p等利用C 0 2 激光器和动态聚焦头来研究振镜的偏转角对焊缝的影响。在国外机槭行业中，激光远距离焊接系统得到了大量的应用。如下国12 为辙光扫描焊接系统在汽车上的应用，对汽车白车身及行李箱尾板的焊接。德国罗莽集团生产的激光远程焊接系统，可以携带最大功率为6 K W 的R 半导体泵浦激光器或碟片激光器，依靠编程自动形成路线，机器人搭载振镜焊接头同时进行焊接工件。德国施肯拉公司更为先进，突破二维思维t 研控出了动态聚焦振镜扫描激光焊接头。其两片扫描振镜可以自由旋转组台，使得激光柬在二维X、Y 扫描平面上扫描出任意形状的路线。同时在这种情况下，聚焦透镜可以在z 方向上自由移动。便可进行三维立体焊接。目前通快公司生产的P F O(I P r o g t 珊m a b l eF o c u s i n g O p t i c s)可编程聚焦光学系统，由于该系统的光源采用激光光束质量很好的碟片激光器，使得在聚焦长度很大的环境下，聚焦光斑在合适的焊接范围仍内进行焊接l i 4 1。由于扫描振镜具有高重复准确定位和高速焊接的特性，这让它的焊接效率比之前的传统的焊接方式增长了2-6 倍目前已广泛应用于一些汽车生产线上，用来焊接汽车自车身以厦薄板焊接，如德国大众、上海通用等。图I2 激光扫描焊接系统在汽车上的应用I3 2 振镜扫描激光焊接的国内研究现状随着振镜扫描擞光焊接技术在机械行业中越来越广泛的发展。为了追赶衔先进的技术潮流，国内的科研机构也开始对激光扫面焊接技术进行了研宄。但相对于国外来说，国内的研宄深度和广度明显著不够理想，很少有关这方面的文章，技术欠缺。可能的原因有两方面，一方面是国内科研人员没有看到激光扫描焊接技术的重要性，另一方面是因为传统的檄光焊l蠹万方数据东南大学硕士学位论文接技术研究已经比较成熟，惯性思维促使人们用熟悉的技术。虽然国内市场和企业里已经出现了很多的激光扫描焊机，但是国内的专利申请主要在于技术的实际生产应用方面，而在学术的深层而还比较欠缺【1 5】。国内对振镜扫描系统的研究以激光打标系统为主，激光焊接系统较少，其中主要以静态聚焦方式为主。由于技术限制，目前大多采用小功率(3 0 0W 左右)固体激光器，通过小焦距的聚焦镜进行扫描焊接，焊接范围只能局限在1 0 0r a m 1 0 0 m m 的范围内，且只能对平面工件进行多点焊接，焊接速度最快仅能达到2 0 3 0 点s。因此只能在二维平面上焊接一些微型零件D 6】。其中主要的工艺研究有：华南理工大学研究了利用振镜扫描的激光微钎焊系统。上海市激光技术研究所利用动态聚焦系统来完成换热器的焊接。广州瑞通千里激光设备有限公司利用振镜扫描焊接技术对锂离子电池的安全帽进行了焊接。黄冬林利用光纤激光器对有机玻璃进行扫描焊接。1 4 课题来源及本文研究内容本课题依附上海团结普瑞玛团结有限公司和苏卅I 麦格纳公司合作的项目，利用先进的振镜、碟片激光器、机器人、4 D w a t c h 等结合在一起的焊接系统，为汽车座椅调角器的焊接设计一套全自动系统，实现大批量生产，为振镜扫描激光焊接系统的推广和产业化应用提供技术支持。主要内容有以下几个方面：(1)激光远程焊接的理论分析。介绍了激光焊接的两种机理方式，研究了激光扫描焊接的原理及引起的两种误差，研究了激光扫描焊接的特性以及影响激光扫描焊接的主要影响因素，分析了镀锌钢板的焊接性。(2)激光远程焊接系统的结构设计。研究碟片激光器、P F O 振镜、机器人、4 D w a t c h 等部件的工作原理、结构特点和性能参数，为了满足焊接要求，做出最佳的结构设计选型。同时设计气路装置、水路冷装置等辅助单元，完成对系统的整个搭建。(3)激光远程焊接系统的人机工程设计。针对初始布局的缺陷，确定系统设计方案，完成造型布局设计、色彩设计、操作区域的人机设计、操作按钮设计、人机界面设计、监测装置的设计以及附件的设计，包含门把手、视窗、安全锁、报警灯的设计，实现对系统整体外观的综合设计。(4)利用激光远程焊接系统对汽车座椅调角器工艺研究。设计调角器的焊接夹具，优化工艺路径，对汽车座椅调角器的焊接进行一系列的工艺实验，利用三因素三水平正交实验法找出焊接最合理的一组工艺参数，并利用单因素变换法分析焊接参数对焊缝熔深、熔宽的影响规律。6万方数据第一章绪论本文的论文逻辑组织结构如下图1 3 所示：圈图1 3 论文组织结构图7万方数据东南大学硕士学位论文第二章激光远程焊接的理论分析2 1 激光焊接原理2 1 1 激光焊接的原理激光焊接原理：激光是一束平行光，通过抛物面镜可以得到高密度激光能量，将由激光器散射出来的激光束在金属工件的表面进行照射，金属表面与激光发生相互反应，激光辐射产生的能量使得金属工件表面先熔化后冷却，冷却后结晶，完成焊接。2 1 2 激光焊接的两种机理根据激光焊接机理方式的不同，激光焊接分为激光热传导焊和激光深熔焊。激光热传导焊的机理：如图2 1，当激光光斑的功率密度 1 0 5 1 0 7 w c m 2 时，从客观上讲，初期跟激光热传导焊相似，同样是用激光束照射在工件表面，将光能转化成热能，工件表面熔化，到一定程度后，材料就会气化产生金属蒸汽，蒸汽在材料表面反作用力下，工件表面就会形成凹陷，熔化的金属液体在力的作用下就会向工件表面的四周排挤，在激光的持续照射下，排开部分液态金属从而形成小孔，使得激光束直接可以照射N d,孑L 底部，这种现象叫做小孔效应。最后凹陷周围的金属液体又会回流到金属小孔底部，待溶液完全冷却后，材料就完成了焊接。而此时焊缝熔深较深，深宽比大。稼护t 倬炉n)础o图2 1 激光热传导焊机理示意图图2 2 激光深熔焊机理示意图2 2 激光扫描焊接的基本原理2 2 1 激光扫描焊接的原理扫描焊接工艺是利用动态的扫描镜组来完成的。一般来讲，传统的焊接工艺是依靠焊接头的移动或者工件的移动来完成的，而扫描焊接技术利用扫描镜片的移动来完成焊接的，这8万方数据第二章激光远程焊接机理的理论分析样不仅能够提高焊接效率，也极大提高了焊接的灵活性，节约了一定程度的成本【-7 1。其中主要是振镜和聚焦透镜组成了振镜扫描系统，由特有的摆动电机来控制旋转振镜片。其工作原理是利用通电线圈在磁场中产生力矩，使得振镜能够偏转，但是不能旋转，只能转到一定的角度