汽车拼焊板全自动激光焊接系统
激光焊接技术在汽车工业中的应用
激光 焊接 的主 要特点 ：
（） １ 热量输入很小、焊缝 程激光焊接等新的焊接方法。
用于一种新型 四速变速器齿轮
激 光焊 接 是近 年来增 长最 深 宽比大 ，热影 响 区小 ，导 致
焊 接 结 构 也 由 对 接 接 头 、 的焊接 。这也 是激 光焊 接第一
器在美国被首次成功用于拉丝
千瓦连续Ｃ Ｏ激光器 的问 好．免去焊后清理等工作 ： ２
激 光焊接技术在 国外汽车 工
自从１６ 年有人开始尝试 ５ ９
模金刚石打孔开始 ．人们对这 世 ，可使照在工件表面的激光
（） ３ 焊接 一致 性 、稳定性 业 中的应 用 将激光用于金属材料焊接中焊
Ｃ ｗｌ ｄ： Ａ 激 光 器 的 出现 光束中心处形成４ ７ （ Ｏ，Ｎ Ｙ Ｇ ｉ ＇Ｌ 或称匙 ， 加热 为基础 的激光 加工 方法 的 入工件深部 ， 且几乎全部得到 更 加 适 用 的 激 光 器 。 大 功 率 由于金属材料瞬时汽化，在激 定位精确，易于实现自动化 ；
（） ４ 光束 易于控制 ，焊接 口的加热源以后，激光材料加
目前 。激光加 工 方法 已包 焊缝深且窄，热影响区小 ．表 也有较高的要求。
的Ｄ ｌ 电子技术部 ，安装了三 ｅｏ ｃ
台激光器用于电子元件的电阻
括 ：激光打孔、激光切割 、激 现出与传导型激光焊接及常规
光热处理 、激 光涂 覆 、激光重 传导型焊接方法如 ：电弧焊、 激光焊接的产生及发展
洲 、北 美 和 远 东 地 区 。仅 在
目前．国外已安装了各种 多块钢板组成 ．现在只用一块 ９ＷＣ ｋ ０激光焊机从事相 同的 应用最 多的区域主要集 中在欧 ２ 激光焊接机近 １００ ．多数 激光拼焊板代替 ，大大提高了 ０台 ０ 工作。 用于汽车工业 至今 ．国外各 生产 率 ；宝马公 司三分 之一的 汽车 自动变速器驻车棘轮 ２０ 年就有３ ％ ２％和３ ％ ０５ ３ ５ ４
拼焊板冲压回弹的数值模拟研究
采 用 Ｌ — ＹＮＡ 求 解 器 ， 可 分 别 用 动 力 显 示 算 法 计 Ｓ Ｄ 算 成 形 ， 力 隐 式 算 法 计 算 回 弹 。 Ｄ ｎ ｆｒ 软 件 可 静 ｙ ａｏｍ
提 供 一套 完 整可 行 的板 料成 形 数 字化 解决 方 案 ， 预 测 冲压过 程 中的金 属成形 问题 （ 裂 、 皱 、 薄 、 开 起 减 划
为 涉 及 到 回 弹 量 的 准 确 预 测 。拼 焊 板 的 回 弹 不 仅 闸 来 自传 统 板 料 冲 压 回 弹 ，还 与 拼 焊 板 二 基 板 的 性 质 差 异 、 缝 和 ＨＡＺ 的 材 料 性 质 的 改 变 、 缝 的 移 动 焊 焊 等 有 关 ， 而使 回 弹 分 析 更 为 复 杂 ， 制 更 为 困 难 。 从 控 Ｚ ａ Ｍ 等 对 Ｔ Ｂｓ的 自 由 弯 曲 、 弯 加 载 下 ｈ ｏ Ｋ Ｗ 拉 采 用 Ｐ ｍ— ｔｍ 软 件 进 行 了 有 限 元 分 析 和 实 验 分 ａ ｓ ｐ ａ
进 行 了 回 弹 的 数 值 模 拟 分 析 ，研 究 了 拼 焊 板 基 板 强 度 及 厚 度 变 化 以 及 差 异 值 的 ； ｌ对 其 回 弹 的 影 响 。 ｋｚ ，
２
数 值 模 拟 软 件 介 绍 模 拟 软 件 采 用 美 国 Ｅ Ａ 公 司 开 发 的 Ｄｙ ａｏ ｍ ， Ｔ ｎ ｆｒ
析 ； 献 ［］ 文 献 ［］ 用 有 限 元 软 件 ＡＢＡＱ ／ 文 ５和 ６采 ＵＳ
ｓａ ｄ ｒ 和 试 验 方 法 对 Ｕ 形 件 进 行 分 析 ； 献 ［】 ｔｎ ａｄ 文 ７ 利
用 Ｌ — Ｓ ＤＹＮＡ 对 差 厚 拼 焊 板 的 自 由 弯 曲 力 进 行 了 计
罩 ， 后 挡 板 ， 梁 缓 冲 器 等 ， 图 ｌ所 示 。 冲 压 过 内 横 如 在
冷轧钢板激光拼焊
冷轧钢板激光拼焊是一项高新技术，主要解决冷轧不能生产的超宽板以及不等厚板，目前主要应用在汽车门内板、底板、立柱等不等厚钢板的拼焊中。
其工艺过程为先将不同或相同厚度、强度、材质的冷轧钢板，切成合适的尺寸和形状，然后激光焊接成一个理想的整体，即拼焊板。
汽车制造商用这种拼焊板冲压成特定的零件装配汽车，以满足自己和消费者提高汽车产品质量、降低生产成本、减轻车重、减少油耗、保护环境等方面的多种需求。
如下图：1、零件数量的减少，以及随之而来的生产设备和制造工艺简化，大大提高了生产效率，降低整车制造及装配成本；2、由于产品的不同，零件在成形前即通过激光焊接工艺焊接在一起，因而提高了产品的精度，大大降低了零部件的制造及装配公差；通过部件的优化减轻了重量；3、激光拼焊是把基板的边部对焊在一起，由于不再需要加强板，也没有搭接接缝，大大提高了装配件的抗腐蚀性能；通过消除搭接提高部件的耐腐蚀能力，大大减少了密封措施的使用；4、通过对材料厚度以及质量的严格筛选，在材料强度和抗冲击性方面给零部件带来本质的飞跃，同时改良了结构，在撞击过程中，可以控制更多的能量得到吸收，从而改良车身部件的抗击冲撞能力，提高车身的被动安全性；5、实现对材料性能的最充分的利用，达到最合理的材料性能组合；6、材料厚度的可变性以及其可靠的质量，保证了在对某些重要位置的强化改进可以顺利进行；7、对产品的设计者而言增加了产品设计的灵活性。
一个零件，如果某个部分需要提高强度，则这部分的厚度也要增加，在设计时只需在某个部分提高强度和厚度而不需要在整个零件都增加强度和厚度.1 钢卷准备2 开卷机3 穿带装置4 切头剪5 清洗机（预留）6 矫直机7 活套8 喂料辊9 尾料送料辊10 压机11 堆垛机12 切头剪II（预留）落料线参数:原料钢卷:宽度: 350 ~ 2.000mm该落料线可处理冷轧、热轧原板，电镀锌（单面镀或双面镀）、热镀锌钢卷。
可实现上下开卷。
可处理材料的抗拉强度: 270 ~ 1200N/mm2可处理材料的屈服强度: 120 ~ 900 N/mm2激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术。
基于GTN细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测
基于G T N 细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测马向东 官英平燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室,秦皇岛,066004摘要:建立了从细观损伤角度预测拼焊板成形极限的G u r s o n ‐T v e r ga a r d ‐N e e d l e m a n (G T N )损伤模型,用有限元逆向法确定了损伤模型中的各损伤参数㊂采用有限元软件A B A Q U S 耦合基于M i s e s 屈服准则的弹塑性G T N 损伤模型,对拼焊板半球凸模胀形过程进行了数值模拟㊂设计了拼焊板半球凸模胀形物理试验,试验过程中通过改变试件的宽度得到了不同应变状态下完整的拼焊板成形极限图,并与G T N 细观损伤模型预测到的拼焊板成形极限图进行对比分析,验证了G T N 细观损伤模型预测拼焊板成形极限图的准确性㊂关键词:拼焊板;G T N 模型;成形极限图;半球凸模胀形中图分类号:T G 386 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.22.013F o r m i n g L i m i t P r e d i c t i o no f T a i l o r ‐w e l d e dB l a n k sB a s e do nG T ND a m a geM o d e l M aX i a n g d o n g G u a nY i n g p i n gK e y L a b o r a t o r y o fA d v a n c e dF o r g i n g &S t a m p i n g T e c h n o l o g y an dS c i e n c e (Y a n s h a n U n i v e r s i t y ),M i n i s t r y o fE d u c a t i o no fC h i n a ,Q i n h u a n gd a o ,He b e i ,066004A b s t r a c t :T h eG T Nd a m a g em o d e lw a s e s t a b l i s h e d t o p r e d i c t t h ef o r m i n gl i m i t o fTW B s ,a n d t h e d a m a g e p a r a m e t e r s w e r ed e t e r m i n e d b y t h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ti n v e r s e m e t h o d .H e m i s p h e r i c a l p u n c hb u l g i n g t e s t p r o c e s sw a ss i m u l a t e db y t h e f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eA B A Q U Sa n dc o u p l e dt h e M i s e s y i e l d c r i t e r i o nw i t hG T Nd a m a g em o d e l .E x p e r i m e n t s o f h e m i s p h e r i c a l p u n c hb u l g i n gt e s tw e r e d e s i g n e d ,w h i c hc h a n g e d s p e c i m e nw i d t h t o o b t a i n c o m p l e t e f o r m i n g l i m i t d i a g r a mo fTW B s i nd i f f e r -e n t s t r a i nc o n d i t i o n s .M e a n w h i l e ,t h e p r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ec o m pa r e dt ov a l i d a t e t h e a c c u r a c y o fG T Nd a m a gem o d e l .K e y wo r d s :t a i l o r ‐w e l d e db l a n k s (TW B );G u r s o n ‐T v e r g a a r d ‐N e e d l e m a n (G T N )m o d e l ;f o r m i n g l i m i t d i a g r a m ;h e m i s p h e r i c a l p u n c hb u l g i n g te s t 收稿日期:20150630基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275444);河北省钢铁联合研究基金资助项目(E 2014203271);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20121333110003)0 引言拼焊板(t a i l o r ‐w e l d e db l a n k s ,TW B )成形技术是采用不同厚度㊁不同材质或不同表面涂层的板材,经下料后焊接成整体预制板坯,再进行冲压成形的工艺方法[1]㊂拼焊板成形技术在减轻车身质量㊁增强车身结构安全性等方面具有重要作用[2]㊂近年来,随着社会对环境保护㊁节能减排等方面的要求越来越高,拼焊板成形技术在汽车制造业中的应用越来越广泛㊂但是,拼焊板母材或厚度不同或强度不同,且存在焊缝和热影响区,导致拼焊板在成形技术上与常规单一板材相比有很大不同,有很多新的技术问题亟待解决,如焊缝移动和成形极限降低等问题[3‐4]㊂成形极限图用来表征弹塑性材料发生塑性变形时所能达到最大变形的能力,是衡量板材成形性能最直接㊁最有效的方法之一㊂M o h e b b i 等[5]基于修正的M ‐K 理论分别对拼焊板薄厚两侧板料的成形极限进行了预测㊂K o r o u y e h 等[6]通过物理实验与理论计算相结合的方法研究了板料厚度比对拼焊板成形极限的影响,建立了拼焊板极限板料厚度比的理论计算模型㊂L e e 等[7]基于Y l d 2000和C a z a c u 各向异性屈服准则,并结合半球凸模胀形实验对五种不同类型拼焊板的成形性能进行了研究㊂以上研究均从宏观角度出发,以应变成形极限图来衡量拼焊板的成形性能,而应变成形极限图与加载路径有很大的相关性[8‐9],实验得到的近线性路径下拼焊板的应变成形极限图用于复杂加载路径时会存在较大误差㊂A r -r i e u x [10‐11]通过实验得到了单向拉伸和双向拉伸预加载条件下板材的应力成形极限图,实验结果表明,应力成形极限图与加载路径无关,不同应变路径下的应力极限曲线是唯一的㊂这一结论后来也得到了M a t i n 等[12]和P a n i c h 等[13]的验证㊂B a n d y o p a d h y a y 等[14]通过研究发现,对于复杂应㊃7503㊃基于G T N 细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测马向东 官英平Copyright ©博看网. All Rights Reserved.变状态下的拼焊板成形,用应力成形极限图来描述拼焊板的成形性能要比用应变成形极限图来描述拼焊板的成形性能更为准确㊂但是,应力成形极限图仅能通过实验极限应变和塑性理论结合屈服准则间接求得,无法通过物理实验方法直接获取,其结果的准确程度与极限应变的测量精度有很大关系㊂G u r s o n‐T v e r g a a r d‐N e e d l e m a n(G T N)细观损伤模型[15‐17]是一种从细观损伤力学角度出发,描述板材成形性能最常用㊁最有效的方法之一,该模型不仅能较好地预测金属板材的成形极限,而且与应变加载路径无关,此外,对于塑性较差或者断裂时没有明显颈缩现象的金属板材,G T N细观损伤模型具有显著的优势㊂L i u等[18]基于G T N 损伤模型,采用数值模拟与半球凸模胀形实验相结合的方法,对A A5052/聚乙烯/A A5052复合层板的成形极限图进行了预测㊂C h e n等[19]建立了基于塑性各向异性的G T N细观损伤模型,并将该模型应用到铝合金板材的成形中㊂上述研究均以塑性较差或者成形极限较低的复合板材或者合金板材为研究对象㊂拼焊板由于其母材厚度或者强度不同,且存在焊缝和热影响区,从而导致拼焊板的成形性能和成形极限较差,而目前从细观损伤角度研究拼焊板成形极限的研究还很少㊂本文在上述研究的基础上,首先建立了G T N 细观损伤模型,通过有限元逆向法确定G T N模型中的各损伤参数,使其能很好地描述拼焊板的损伤演化过程;其次,基于有限元数值模拟软件A B A Q U S,耦合G T N损伤模型对拼焊板半球凸模胀形过程进行数值模拟;最后,设计了获取拼焊板成形极限图的半球凸模胀形物理试验,并将该试验得到的拼焊板成形极限图与G T N细观损伤模型预测到的拼焊板成形极限图进行了对比分析㊂1 G T N细观损伤模型材料的宏观断裂与细观损伤之间有着本质联系㊂在金属塑性加工领域,材料多以塑性破坏为主,且内部本身存在一定的缺陷㊂如图1所示,金属材料损伤演化过程大致包括以下四个步骤:①材料本身内部缺陷引起孔洞形核(图1a);②随着塑性变形孔洞长大(图1b);③相邻孔洞聚合形成微裂纹(图1c);④微裂纹扩展导致宏观断裂(图1d)㊂G T N损伤模型可用来描述基体材料在塑性变形过程中由于孔洞的形核㊁长大㊁聚合而导致的(a)步骤① (b)步骤②(c)步骤③(d)步骤④图1 金属材料损伤演化过程示意图宏观破裂现象㊂与传统塑性变形过程中体积不变这一假设相比,G T N损伤模型考虑了宏观静水应力对屈服面的影响,其具体表达式如下[15‐17]:Φ=(σe qσm)2+2q1f*c o s h(-32q2σhσm)-[1+q3(f*)2]=0(1)σe q=32S i j S i jS i j=σi j-13σk kδi j式中,σe q为宏观M i s e s等效应力;S i j表示宏观应力的偏应力分量;σi j为流动应力分量;σk k为主应力之和;δi j为克罗内克记号;σm为基体材料的等效应力;σh为宏观静水应力,σh=-13σk k;q1㊁q2㊁q3为G T N损伤模型的拟合参数; f*为损伤变量,是孔洞体积分数f的函数㊂当q1=q2=q3=1时,G T N损伤模型退化为最初的G u r s o n损伤模型㊂当f*=0(初始孔洞体积分数f0=0)时,材料没有损伤,G T N损伤模型退化为标准的M i s e s屈服函数㊂损伤变量f*可表示为f*(f)=f f≤f cf c+κ(f-f c)f>f{c(2)κ=f*u-f cf f-f cf*u=f*(f f)=1q1式中,f c为孔洞开始聚合时的临界孔洞体积分数;κ为孔洞长大加速因子;f f为材料最终破裂时的孔洞体积分数㊂对于多孔金属材料,塑性流动不仅与孔洞体积分数f有关,而且依赖于基体材料的累积等效塑性应变εp l m㊂由等效塑性功原理可求得基体材料的等效塑性应变演化方程如下:(1-f)σm dεp l m=σ∶dεp(3)式中,dεp l m为基体材料的累积等效塑性应变增量;dεp为宏观塑性应变增量;σ为宏观应力; ∶”为内积运算符号㊂基体材料总的损伤演过包括两部分:原有孔洞长大和新孔洞形核引起的孔洞体积分数的变化,即㊃8503㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.d f =d f g r o w t h +d f n uc l e a t i o n (4)假设基体材料是不可压缩的,根据质量守恒定律,原有孔洞长大的变化量d f g r o w t h 依赖于宏观的塑性体积变形,即与静水压力分量有关:d f gr o w t h =(1-f )d εp∶I (5)式中,I 为二阶单位张量㊂孔洞形核的变化量d f n uc l e a t i o n 既可由应力控制,也可由应变控制㊂本文采用由应变控制的形核准则,其表达式如下:d f n uc l e a t i o n =Ad εp l m (6)A =f NS N2πe x p(-12(εp lm -εN S N )2)(7)式中,A 为应变控制的孔洞形核系数;f N 为形核粒子的孔洞体积分数;εN 为孔洞形核时的平均塑性应变;S N 为形核应变的标准偏差㊂G T N 损伤模型中,材料力学性能参数和损伤参数的准确确定是合理描述材料行为的前提㊂其中,材料的基本力学性能参数,如弹性模量E ㊁应变硬化指数n ㊁各向异性系数r ㊁屈服强度σs 和抗拉强度σb 等,可通过单向拉伸试验获得㊂而损伤参数的确定目前还没有一套完整的普遍接受的方法㊂2 拼焊板制备及母材力学性能和损伤参数的确定本文选取厚度h 分别为0.8mm ㊁1.2mm 的S T 12钢板作为拼焊板母材进行研究㊂S T 12钢板的化学成分如表1所示㊂拼焊板制备在型号为H C ‐AW 300的脉冲激光焊接机上进行(图2),焊接电流为130A ,激光频率为20H z ,脉宽为4.5m s ,焊接速度为120mm /m i n㊂拼焊板焊接方向均与母材轧制方向平行㊂拼焊板母材的材料力学性能参数可通过单向表1 拼焊板母材化学成分(质量分数)%材料CS iM nPSC rN iST 120.100.0350.500.0200.0350.100.10图2 拼焊板激光焊接过程拉伸试验获取㊂沿板材轧制方向㊁与板材轧制方向成45°方向和垂直于轧制方向三个方向用线切割切取单向拉伸试样,其几何尺寸参照G B /T 228‐2002的规定㊂通过单向拉伸试验得到的拼焊板母材的力学性能参数如表2所示㊂表2 拼焊板母材力学性能参数材料弹性模量E (G P a )泊松比ν硬化指数n强度系数K (M P a )S T 12(h =0.8mm )205.110.290.2486526S T 12(h =1.2mm )200.340.290.2482519材料屈服强度σs (M P a)抗拉强度σb (M P a)r 值r 0r 45r 90S T 12(h =0.8m m )146.36375.451.601.681.61S T 12(h =1.2m m )137.25361.581.591.681.61确定G T N 损伤参数的常用方法大致可归纳为金相法㊁代表性体积单元法和有限元逆向法[20‐22]㊂金相法得到的实际材料的孔洞大小并不能完全等同于G T N 损伤模型中的孔洞体积分数参数㊂代表性体积单元法确定G T N 损伤模型中的相关形核参数时需给定受力条件,过程比较复杂㊂有限元逆向法是结合数值模拟和实验数据,采用最优化的参数识别法来确定各参数的㊂本文采用有限元软件A B A Q U S 分别对拼焊板薄厚两侧母材的单向拉伸过程进行数值模拟,通过调整各损伤参数,使数值模拟得到的单向拉伸名义应力‐名义应变曲线(或者力行程曲线)与实验测得的曲线相吻合,从而确定各损伤参数㊂根据单向拉伸试样的对称性,取试样四分之一建立有限元模型,如图3所示㊂单向拉伸数值模拟过程用A B A Q U S /E x pl i c i t 动力显式算法求图3 单向拉伸有限元模型解器计算,试样的基本力学性能参数见表2,单元类型采用考虑沙漏控制的8节点线性减缩积分体单元C 3D 8R ,厚度方向设置2层单元㊂多次调整损伤参数得到拼焊板母材S T 12(h =1.2mm )的名义应力名义应变曲线如图4所示㊂与试验结果对比发现,数值模拟模型及损伤参数可以很好地描述试验过程㊂通过有限元逆向法确定的拼焊板薄厚两侧母材的G T N 各损伤参数如表3所示㊂由表2和表3可以看出,两种厚度的S T 12㊃9503㊃基于G T N 细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测马向东 官英平Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图4 单向拉伸试验与模拟的名义应力名义应变曲线(h=1.2mm)拼焊板母材虽然均产自同一厂家,但是其力学性能参数和G T N损伤参数仍有一定的差异㊂为了体现损伤模型应用于预测拼焊板成形极限分析时所特有的性质,下文在进行拼焊板半球凸模胀形过程数值模拟时,将拼焊板薄厚两侧母材的力学性能参数和G T N损伤参数分别赋予有限元模型㊂表3 拼焊板母材的G T N损伤参数材料q1q2q3f0f N f c f f S NεN S T12(h=0.8mm)1.51.02.250.0010.0040.040.060.070.3 S T12(h=1.2mm)1.51.02.250.0010.0040.040.050.060.25 3 获取成形极限图的物理试验和数值模拟3.1 半球凸模胀形本文通过半球凸模胀形物理试验来获取拼焊板及其母材的成形极限图㊂半球凸模胀形试验在型号为B C S‐50A的板材成形性能试验机上进行,如图5所示㊂半球凸模胀形的模具结构示意图见图6㊂考虑到拼焊板母材有厚度差且胀形过程中伴随着焊缝移动,压边圈采用阶梯式设计,且在焊缝处留有一定的缝隙,防止厚板向薄侧移动时,与薄侧压边圈侧壁挤压导致焊缝处非正常破裂㊂试验过程中,凸模速度为35mm/m i n,压边力为图5 B C S‐50A板材成形性能试验机图6 半球凸模胀形的模具结构示意图110k N,板料与模具之间采用聚乙烯薄膜包裹凡士林的润滑方式㊂为获取不同应变状态下拼焊板及其母材的极限应变,试验板材的长度保持180 mm不变,改变其宽度,具体尺寸如图7所示,拼焊板焊缝方向与面内主应力方向垂直㊂试验前,在被测板材的表面用电腐蚀打标机印制2mm×2mm的正方形网格,板材胀形完成后,用网格应变仪测量临近破裂区域网格的面内主次应变即可获取板材在该应变状态下的极限应变㊂连接各应变状态下的极限应变点即可得到完整的成形极限图㊂图7 被测试样的尺寸示意图3.2 有限元数值模拟利用有限元分析软件A B A Q U S,基于物理试验装置建立拼焊板半球凸模胀形的有限元模型㊂考虑到拼焊板的对称性,取二分之一模型建模,如图8所示㊂胀形数值模拟过程用A B A Q U S/E x-p l i c i t动力显式算法求解器计算㊂拼焊板母材的基本力学性能参数和G T N损伤参数见表2和表图8 拼焊板半球凸模胀形有限元模型㊃0603㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.3,单元类型采用考虑沙漏控制的8节点线性减缩积分体单元C 3D 8R ,厚侧板料的厚度方向设置3层单元,薄侧板料的厚度方向设置2层单元,焊缝处做刚性连接处理,且焊缝方向垂直于主应力方向㊂板料与模具之间的接触方式为面面接触,摩擦服从库仑摩擦定律,摩擦因数取0.125,与物理试验的摩擦因数基本一致㊂当试样的孔洞体积分数达到破裂孔洞体积分数f f 时,则认为被测试样破裂,测得此时临近破裂区域的面内主次应变即可得到成形极限图㊂4 结果与讨论通过半球凸模胀形物理试验得到胀形破裂后的试件形状如图9所示㊂用网格应变仪测量破裂临近区域的应变即可获得拼焊板及其母材的成形极限图,如图10所示㊂由图10可以看出,拼焊板图9胀形破裂后的试件形状图10 拼焊板及其母材成形极限图薄侧母板的成形极限略高于厚侧母板的成形极限,差别并不大,但是二者的成形极限均高于拼焊板的成形极限,特别是在拉拉变形区即成形极限图的右半部分,薄厚两侧母板的成形极限要明显大于拼焊板的成形极限㊂这是因为本文所研究的两种厚度的S T 12拼焊板母材均产自同一厂家,且它们的基本力学性能参数差距很小,所以成形性能差别也不大㊂而拼焊板由于焊缝及热影响区的存在,且薄侧母材与厚侧母材相比,其承载能力较低,胀形过程中厚侧母材基本不发生塑性变形,或者仅有较小的塑性变形,变形主要集中在拼焊板薄侧母材,从而导致胀形提前破裂㊂这也进一步解释了拼焊板与母材相比,成形性能降低的原因㊂以宽度为180mm 的拼焊板为例,当胀形高度为25mm 时,通过数值模拟得到的孔洞体积分数云图如图11所示㊂从图11中可以看出,空洞体积分数最大的位置在薄侧母材临近焊缝处,此处也是胀形时拼焊板破裂的起源㊂另外,除法兰区由于压边导致拼焊板的孔洞体积分数有所增大外,孔洞体积分数发生明显增大的区域集中在拼焊板与胀形凸模接触的顶端,且厚侧板料的孔洞体积分数明显小于薄侧的孔洞体积分数,这也说明了在胀形过程中,薄侧母材与厚侧母材相比,其承载能力较低,成形过程中发生了较大的塑性变形,容易率先发生破裂㊂图11 孔洞体积分数分布云图图12所示为胀形高度为25mm 时,宽度为180mm 拼焊板及其母材的孔洞体积分数随焊缝垂直距离(或穹顶中心距离)的变化曲线㊂从图12中可以看出,当胀形高度为25mm 时,孔洞体积分数在拼焊板薄侧板材距离焊缝2mm 处达到最大值,最大值为0.06,此处也是胀形时拼焊板的破裂位置㊂拼焊板厚侧板材的孔洞体积分数随着焊缝距离的增大而减小,但最大值不超过0.03,与破裂孔洞体积分数(0.05)相差较远,胀形过程中发生较小的塑性变形,不易破裂㊂两种厚度的拼焊板母材的孔洞体积分数随着穹顶中心距图12 孔洞体积分数随焊缝距离的变化曲线㊃1603㊃基于G T N 细观损伤模型的激光拼焊板成形极限预测马向东 官英平Copyright ©博看网. All Rights Reserved.离的增大而减小,且孔洞体积分数均小于破裂孔洞体积分数(0.05和0.06),这也说明了当胀形高度为25mm 时,拼焊板已经发生破裂,而其母材仅发生均匀塑性变形,并没有明显局部厚度减薄或者破裂,这也进一步说明了拼焊板与其母材相比,成形性能明显降低㊂基于G T N 细观损伤模型,通过有限元数值模拟预测得到拼焊板的成形极限图见图13㊂从图13中可以看出,预测得到的成形极限图与物理试验所获得的成形极限图吻合较好,特别是在拉压变形区(成形极限图的左半部分)㊂在拉拉变形区(成形极限图的右半部分),预测结果与试验结果有一定的差距,最大相对误差为7.7%,这是因为胀形过程中当拼焊板处于双拉应变状态时,破裂位置离焊缝较近,应变状态受到焊缝的影响而产生了漂移㊂图13 拼焊板成形极限图数值模拟预测与物理试验结果对比5 结论(1)建立了预测拼焊板成形极限的G T N 细观损伤模型,通过有限元逆向法确定了G T N 模型中拼焊板薄厚两侧母材的损伤参数,该模型及损伤参数能很好地描述拼焊板的损伤演化过程㊂(2)拼焊板薄侧母材的成形极限略高于厚侧母材的成形极限,但差别并不大;拼焊板整板的成形极限明显低于其母材的成形极限,这也是拼焊板与母材相比,成形性能降低的原因㊂(3)基于G T N 细观损伤模型,通过有限元数值模拟预测到拼焊板的成形极限图与半球凸模胀形物理试验得到的拼焊板成形极限图吻合很好,虽然在拉拉变形区由于受到焊缝牵制,使应变路径产生了漂移,成形极限图的预测误差稍大,但最大相对误差也仅为7.7%㊂参考文献:[1] M e r k l e i n M ,J o h a n n e s M ,L e c h n e r M ,e ta l .A R e -v i e wo n T a i l o r e d B l a n k s-P r o d u c t i o n ,A p p l i c a t i o n a n dE v a l u a t i o n [J ].J o u r n a l o f M a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,2014,214(2):151‐164.[2] A b b a s iM ,K e t a b c h iM ,R a m a z a n i A ,e t a l .I n v e s t i g a -t i o n i n t ot h eE f f e c t so f W e l dZ o n ea n d G e o m e t r i c D i s c o n t i n u i t y o nt h eF o r m a b i l i t y R e d u c t i o no fT a i -l o rW e l d e dB l a n k s [J ].C o m p u t a t i o n a lM a t e r i a l sS c i -e n c e ,2012,59:158‐164.[3] 朱元右,姜银方,杨继昌,等.拼焊板冲压成形中的焊缝移动分析[J ].中国机械工程,2006,17(15):1618‐1622.Z h u Y u a n y o u ,J i a n g Y i n f a n g ,Y a n g J i c h a n g ,e ta l .A n a l ys i s o f W e l d ‐l i n e M o v e m e n t i n T a i l o r ‐w e l d e d B l a n k s ’F o r m a t i o n [J ].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r -i n g,2006,17(15):1618‐1622.[4] 宋燕利,华林.车身覆盖件拼焊板冲压成形技术的研究现状及发展趋势[J ].中国机械工程,2011,22(1):111‐118.S o n g Ya n l i ,H u aL i n .C u r r e n tR e s e a r c hS t a t u sa n d T r e n d so fT a i l o r W e l d e dB l a n k s A p pl i e di n A u t o ‐b o d y S t a m p i n g [J ].C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2011,22(1):111‐118.[5] M o h e b b iM S ,A k b a r z a d e h A.P r e d i c t i o no fF o r m -a b i l i t y o fT a i l o r W e l d e dB l a n k sb y M o d i f i c a t i o no f MK M o d e l [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM e c h a n i c a lS c i e n c e s ,2012,64(1):44‐51.[6] K o r o u y e hRS ,N a e i n iH M ,T o r k a m a n y M J,e t a l .E x p e r i m e n t a l a n d T h e o r e t i c a l I n v e s t i g a t i o n o f T h i c k n e s sR a t i oE f f e c t o n t h eF o r m a b i l i t y ofT a i l o r W e l d e d B l a n k [J ].O p t i c s &L a s e r T e c h n o l o g y,2013,51:24‐31.[7] L e eW ,C h u n g K H ,K i m D ,e t a l .E x pe r i m e n t a l a n d N u m e r i c a lS t u d y o n F o r m a b i l i t y of F r i c t i o n S t i r W e l d e dTW BS h e e t sB a s e do nH e m i s ph e r i c a l D o m e S t r e t c hT e s t s [J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fP l a s t i c i -t y,2009,25(9):1626‐1654.[8] C h uC C .A nI n v e s t i g a t i o no f t h eS t r a i nP a t h D e -p e n d e n c e o f t h eF o r m i n g L i m i tC u r v e [J ].I n t e r n a -t i o n a l J o u r n a lo fS o l i d sS t r u c t u r e ,1982,18(3):205‐215.[9] Z h a l e h f a rF ,H a s h e m iR ,H o s s e i n i p o u rSJ .E x p e r i -m e n t a l a n dT h e o r e t i c a l I n v e s t i ga t i o no fS t r a i nP a t h C h a n g e E f f e c t o n F o r m i n g L i m i t D i a g r a m o f A A 5083[J ].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ,2015,76(5/8):1343‐1352.[10] A r r i e u xR.D e t e r m i n a t i o na n dU s eo f t h eF o r m i n gL i m i t S t r e s sD i a g r a m s i nS h e e tM e t a l F o r m i n g[J ].J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,1995,53(1/2):47‐56.[11] A r r i e u xR.D e t e r m i n a t i o na n dU s eo f t h eF o r m i n gL i m i tS t r e s s S u r f a c eo f O r t h o t r o pi c S h e e t s [J ].㊃2603㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. 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激光拼焊板焊接缺陷分析【解析】
激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材或铝材，切成合适的尺寸和形状，用激光将其焊接成一块整板，以满足汽车零部件对材料性能的不同要求。
激光拼焊板是高新技术的产物，激光拼焊工艺的出现为解决汽车零件不同位置所需不同强度的问题提供了一个良好方案，同时兼顾了汽车结构的稳定性和质量问题。
随着汽车工业的快速发展，激光拼焊汽车零件板也被越来越多地应用。
根据激光拼焊板的技术特点, 应用于车身零件制造具有以下优势：优势：①减轻了车身的质量。
釆用激光拼焊技术，设计者可按不同厚度尺寸和材质的材料合理组合，使结构和刚度大大提高，质量减轻。
②原材料的利用率提高，边角余料减少，使各种钢板的工程废料率下降。
③减少车身组合零件的数量。
由于激光拼焊板可以一次成形，减少了大量冲压加工设备及工艺工装，简化了模具的安装过程和其他切割加工工序及车身制造过程。
④使汽车车身结构功能提高。
由于材料的强度、厚度得到合理组合，结构的刚度、抗碰撞性能也得到提高，随着结构和截面尺寸的变化，汽车自身的减震性能也提高了。
然而，生产过程中激光拼焊板制件的生产较困难，影响自动化生产，制件报废率高，对模具要求也较高。
以下针对汽车门内板开裂的情况进行分析，解决激光拼焊板制件的开裂问题。
开裂情况与原因排除：汽车门内板为激光拼焊板材质DC56D+Z，厚度为0.7 mm和1.4 mm 2 种，为提高生产效率、节约成本，采用1 模2 件生产。
由于制件成形困难，且存在0.7 mm料厚差，对模具结构要求较高，生产过程中制件易开裂。
实际生产过程中的8 个开裂制件，其中2 件在焊缝处开裂（见图1），6 件沿焊缝开裂（见图2），取剩余冲压余料进行检测分析。
图1 焊缝处开裂图2 薄板侧开裂进行原因排除：（1）模具压边圈采用氮气缸为压力源，压边力恒定，取消了原来以机床顶杆为压力源的方式。
（2）模具凸模、凹模与压边圈均已进行表面电镀处理，表面粗糙度值小。
开裂分析在焊缝处开裂分析通过图1可以看出制件开裂的裂纹源在焊缝位置，经过撕裂扩散到母材。
激光拼焊板技术简介_激光拼焊特点及应用
激光拼焊板简介及特点及应用什么是激光拼焊板？拼焊板是将几块没有同材质、没有同厚度、没有同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的没有同要求。
激光焊接凭着多项显着的优点，非常适合用于消耗拼焊板。
激光拼焊板简介--技术的发展传统上汽车车身零件有两种成形方法：分离成形战整体成形。
其中，分离成形方法是利用没有同的压机分别成形单个零件，然后将各个零件焊接起来组成目标部件。
这种方法虽然提下了材料选择的灵活性，但同时也增加了冲压战加工本钱、装配本钱以及形状配合问题，并且由于点焊时材料的重迭额外增加了车身的重量。
整体成形方法则是在一台压机上将一块整体板同时成形几个零件。
从车身结构设计的观点来看，每个车身零件具有没有同的厚度战抗腐蚀性能要求，假如是单一板成形，必须对所有零部件的材料采取相同的等级、镀层类型战材料厚度，导致对某些零件的选材裕度过大，从而增加了车身的重量，提下了本钱，并且还会增大成形易度。
这是整体成形方法与分离成形方法相比的一大缺点。
为了降低车身重量、提下车身的装配精度、增加车身的刚度、降低汽车车身制造过程中的冲压战装配本钱，减少车身零件的数目同时将其整体化是非常必要的。
因而，一种同时克服传统分离成形方法战整体成形方法的缺点的消耗形式――拼焊板冲压成形发展起来了。
激光拼焊板简介-技术特点以车门内板为例：为了保证功能的需要，车门内板的主体必须有必然的柔性，而门板的前、后部需要有必然的强度。
假如采取传统的冲压成形方法就需要另外设计增强板，而采取拼焊技术，可先将三块没有同厚度的钢板拼焊成一块整板，便可冲压成形。
激光拼焊板技术是基于成生的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术。
激光焊接的下能密度、无填料、无搭接、深熔、速度快等特点，使得激光拼焊板技术具有以下特点：焊缝处的热应变值较低，热影响区小，通过激光束的聚焦给焊接边缘提供需要的下能量，聚焦点的直径可以达到零点几个毫米，保留杰出的材料成形性能；焊缝较狭窄且平整，消除成形过程的没有利影响，避免了破坏工具、模具的危险；焊接消耗效率下，能够真现下度自动化。
激光拼焊板的发展现状及马钢发展激光拼焊板的有关建议
同厚 度 、 同涂 层 的钢 材 或 铝 材 ， 成 合 适 的尺 寸 不 切 和形状 ， 激光 把 边 部 焊 接 成 一 块 整 体板 ， 用 以满 足
造 中大规模的使用激光拼焊板。应用高端的激光
焊 接技 术可 以 生 产更 大更 复 杂 的零 部 件 。 近年 来
汽车零部件对材料性能的不 同要求 ； 汽车制造商用 这种拼焊板冲压成特定 的零件装配汽车 ， 对减轻汽 车重量、 减少材料消耗 、 减少加工工序、 降低生产成 本、 提高生产效率 、 提高安全性能等都有十分重要 的作用。使用激光拼焊板可有效降低汽车生产成 本 １％ ～１％； ０ ５ 同时也满足 了消费者提 高汽车产 品质量和安全性能， 减少油耗、 保护环境等方面的
钢制车身结构中，０ ５ ％采用 了激光拼焊板制造 。
（） ４在焊缝上附加镀锌后 ， 可保持其 阴极保护 功能； （） ５焊接生产效率高 ， 能够实现高度 自动化。
（） ６减少 了结构件质量及材料消耗 ；
（） ７ 减少 了零 件数 量 ， 别 是 减 少 了垫板 及 其 特 他一些 加强 元件 ； （） ８提高 了车 身 尺寸 精 度 ， 简化 了结 构 件及 装
Ｖ １１ ｏ ．７ Ｎ ｖ ２ ０ ｏ ．Ｏ ｒ ７
激 光 拼 焊 板 的发 展 现 状 及 马钢 发 展 激 光 拼 焊 板 的有 关 建 议
孥 宏
（ 马钢 （ 集团） 公司产业发展部 安徽马鞍 山 ２ ３Ｏ ） ４０Ｏ
摘 要 ： 综述了 激光拼焊技术发展的 历程及其 应用， 介绍了 外激光 技术发展的现状， 国内 拼焊 并就马钢发展激光拼焊 板提
势越来 越 明显 。
精心整理激光拼焊技术介绍
1,000
＜1
13 不需要
最佳 35
6
228 经常
差 35
CO2激光器 10 6
NA.
3 130 需要 好 12
Disc激光器 15 8
10,000
＞4 52 经常 好 35
四、激光拼焊生产线设备系统
3. 激光拼焊线
Soudronic拼焊机系统核心
焊接穿梭装置
SOUVIS® 1 缝隙跟踪与 激光光束导 向摄像头
激光拼焊板可以合理提高：强度准确性；疲劳时效性；吸能效果；防腐能力
在有碰撞要求的部位使用高强钢或厚板，在要求低的位置使用低 强钢或薄板，提升汽车抗冲撞能力。
一、汽车钢激光拼焊技术简介
2.激光拼焊的优势
减少零件数量
通过材料的合理选择减少加强零件数量，减少大量冲压加工的设备及工艺
传统设计/ 部件较多
前纵梁结构变化 “激光拼焊” 只有一件
TEB—蒂森工程拼焊板。焊缝主要为非线性焊缝，焊缝的形 状可以自由变化，由更厚或更强材质构成的部分可以达到最佳 化。这种非线性焊缝的TEB拼焊板的优点是它能在零件重量、强 度、撞击性能以及材料的利用上达到最佳化。
用于：车门内板、冲击塔、后挡板
Patchwork blanks—“补片”型拼焊板。通过电阻点焊、激光 焊或粘接等方式将所需形状“补片”固定在母板上，减少了成 型模具并且能够改善局部位置的材料性能。主要用于：其一是 采用少量焊点确保“补片”精确定位，在成型后要经过额外点 焊确保“补片”和母板达到最佳的连接强度。 其二是在成型前 采用大量焊点以避免成型后的再次焊接。
门铰链的位置原采用2.0＋0.8mm被1.8mm材料代替，装配后 达到同样的强度。材料减少2.15kg－－整车材料减少4kg。
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汽车拼焊板全自动激光焊接系统第４３卷第２期啊Ｅ珲墩ｖ。
１．４３Ｎ。
．２Ｆｅｂ．２０１３垫！！堡！月Ｅｌｅｃｔｒｉｃ驯ｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ汽车拼焊板全自动激光焊接系统李斌１，郭涟１，郭平华１，王征１，钟如涛２（１．武汉法利莱切割系统工程有限责任公司，湖北武汉４３０２２３；２．武钢设计研究院，湖北武汉４３００８０）摘要：激光拼焊板已广泛应用－Ｉ－９５，－车－－和１造业，采用激光拼焊板工－Ｅ不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时提高车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力。
系统研究了汽车拼焊板全自动激光拼焊系统，采用高精度、快速、柔性电磁吸附装置夹紧工件以及激光切割一焊接一体化加工工艺，建立了焊接质量专家数据库，集成了在线检质量检测与焊缝跟踪系统。
实现全自动激光拼焊生产线集成与自动控制系统，实现在一条生产线上高质、高效率地进行直线、折线、曲线以及不等厚板多种类型板材的拼焊。
关键词：激光焊接；汽车拼焊板；自动焊接系统；柔性电磁铁中图分类号：ＴＧ４３９．４文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—２３０３（２０１３）０２—００６３—０５ＤＯＩ：１０．７５１２１ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－２３０３．２０１３．０２．１ｌＡｕｔｏｓｐｅｌｌｓｙｓｔｅｍｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｌａｔｅａｕｔｏｍａｔｉｃｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇＬＩＢｉｎＩ，ＧＵＯＬｉａｎｌ，ＧＵＯＰｉｎｇ－ｈｕａＩ，ＷＡＮＧＺｈｅｎ９１，ＺＨＯＮＧＲｕ—ｔａ０２ｆ１．ＷｕｈａｎＦａｒｌｅｙｌａｓｅｒｌａｂＣｕｔｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷｕｈａｎＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ４３００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｌａｓｅｒｔａｉｌｏｒ－ｗｅｌｄｅｄｂｌａｎｋｓＴＷＢｓ．ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｃａｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｓｔ，ｖｅｈｉｃｌｅｌｏｇｉｓｔｉｃｓｃｏｓｔ，ｖｅｈｉｃｌｅｗｅｉｇｈｔ，ａｓｓｅｍｂｌｙｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｓｃｒａｐｒａｔｅ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｓｔｅｐｓ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔａｍｐｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇｒａｔｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ．Ａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｍａｇｎｅｔｉｃｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｌａｔｅｃａｒｓ．ｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｆａｓｔ，ｆｌｅｘｉｂｌｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒｃｌａｍｐｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇ—ｗｅｌｄｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｗｅｌｄｉｎｇｅｘｐｅｒｔｄａｔａｂａｓｅ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｏｎｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃｌａｓｅｒｔａｉｌｏｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ，ｒｅａｌｉｚｅｄｉｎａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｏｆｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｉｎｅ，ｃｕｒｖｅａｎｄｌｉｎｅａｒｒａｎｇｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｗｅｌｄｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｔａｉｌｏｒｗｅｌｄｅｄｂｌａｎｋ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｗｅｌｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ０前言激光拼焊板已广泛应用于汽车制造业…，采用激光拼焊板工艺不仅能够降低整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率【２Ｉ，而且可以减少外围加强件数量，简化装配步骤，同时提收稿日期：２０１３一Ｏｌ一０６高车辆的碰撞能力、冲压成型率和抗腐能力提高１３Ｉ。
此外，由于避免使用密封胶，也使其更环保。
本系统研究了板材高性能快速定位夹紧技术——工件采用电磁吸附夹紧装置，提高生产效率，满足生产节拍需求。
本设备采用切焊一体工艺，能够在一条生产线上实现直线、折线、曲线以及不等厚板多种类作者简介：李斌（１９ｒ７ｌ叫，男，湖北随州人，学士。
ＥＭＢＡ，主要从事激光切割、焊接以及切焊组合成套设备的研发工作。
型板材的拼焊；建立焊接质量专家数据库，并能够根据在线检测技术对比焊缝质量，实现了全自动激光拼焊生产线集成与自动控制系统。
投缸锄渤彩名驴．，彩易么，・６３・专囊讨论雹晖坂是真空吸附方式。
第４３卷１板材高性能快速定位夹紧技术１．１汽车板机器人全自动上下料系统汽车板拼焊机组采用机器人自动上下料系统，电磁夹具系统由一系列可以拼接的电磁铁组成，通过组合达到各种拼缝的需求，并且同样的板材只需要一次即可定位完成，并能多次重复使用。
同时使用电磁夹具可快速夹紧，相比液压或是气动夹具明显节省了装配时间并减少夹紧次数。
电磁吸附方式的优点是安装灵活，更适合曲线焊接需要，而真空吸附方式多用在固定夹具系统。
电能够保证对外来精确料（即冲压成型和落料系统生产的定尺板料）完成自动料垛拾取、放置预定位置、定位压紧、高质量的焊接和下料等工序。
在工作区设有多个自动定位销，当机器人上料到位后，定位销自动伸出，将工件固定、夹紧，在焊接完成后，自动缩回定位销，机器人可以取下工件。
磁吸附力更大，夹紧更可靠，电磁吸附力是垂直上下，而夹紧时是水平方向力，基本不会产生干涉，同时两块板的电磁可以采用阴阳两极方式，以消除相互影响，还能根据电压大小改变夹紧力。
焊接夹具采用柔性电磁吸盘，结构示意如图１所示，包括直线焊缝夹具、曲线焊缝夹具和折线焊缝夹具。
１．２汽车板夹紧方式汽车板采用电磁铁夹紧方式，通常汽车板拼焊采用的夹紧方式有真空吸附和电磁铁夹紧两种。
两种方式在国外都有厂家使用，其中瑞士ＳＩＬＯＮ公司采用的是电磁铁夹紧方式，意大利ＰＲＩＭＡ公司采用的亡多＜ａ直线焊缝夹具｜＼＞＜二ｂ曲线焊缝夹具图ｌ汽车板拼焊夹具ｃ折线焊缝夹具１．３直线焊缝错边矫正装置错边矫正装置由电机驱动，与焊接头随动，安装在横梁上，分为上下两个压轮部件，上下两个压焊接头轮部件都具备两个压轮方向，可压住拼焊的两部分板材，压轮压力通过压轮液压调节，调节压力范围｝：碾脏轮ｋｇ，当焊接头移动时，碾压头电机跟随焊接头运动，在焊缝处压紧焊缝，并矫正错边，保证０００为１０～ｌ钢板下碾压轮焊接质量，如图２所示。
２自动控制系统设计汽车板拼焊采用德国西门子８４０Ｄ数控系统。
该系统具有高速高精度运动控制功能、多任务处理能力，内部集成ＰＬＣ功能，实现全系统的有效控制；图２错边矫正装置控制通过激光器控制箱来实现，光路控制结构示意如图３所示。
２．２系统控制数控系统主体方案如图４所示，控制功能包括：轴控制；机器人控制；与高功率激光器的接口；焊接过程中的冷却、保护气、辅助气控制；集成激光切割焊接工艺（数据库）到控制软件；与激光ＣＡＤ／ＣＡＭ配备西门子ＳＩＭＯＤＲＩＶＥ数字伺服驱动电机及驱动器和数控系统实现全数字化接口。
２．１光路控制光源采取分时分配方式，并具备互锁功能。
分光・６４・ｇ缓一如ｊ缓施垆。
旅。
以一伺服电机西门子８４０Ｄ系统Ｉ爪ＦＮＣｌ６ｌｌＤ自主焊接Ｔ艺控制柜图３激光控制框图一控制电缆线——光纤高级人机界面ＨＭＩ光纤激此器４ｋＷ激光器接口控制系统接口。
图４激光拼焊生产线控制结构釜一气路控制２．３设备操作软件和参数采集系统（１）操作软件专门针对激光焊接进行设计，功能界面如图５所示。
操作方便，界面信息丰富，操作功能为：在界面上实现所有激光焊接机操作，包括机床操作、激光器操作、切割操作、参数设定、文件装卸、系统维护等；强大的图形显示功能，直观表现切割效果，在线监测焊接路径；所有的操作信息都显示在屏幕上，方便操作和维护；基于多年焊接经验的专家数据库系统；焊接回退（Ｒｅｔｒａｃｅ）功能；高速响应的激光功率坡调以保证拐角焊接质量；配备ＵＳＢ接口和网口，文件传输方便。
（２）参数采集系统。
图５操作软件功能界面设计专门的激光焊接工艺参数库，集成在ＨＭＩ操作系统中。
根据工艺设定要求，设计基本加工参数、焊接选项、打孔参数、坡调参数、材料设定等，工艺参数库装载了常用碳钢、不锈钢等多种材料的基本工艺参数，以供客户选择参考。
工艺参数库同时与激光器控制、气体参数控制、机床操作数（板厚、大小、材料）、加工量、加工工艺，以便生产管理和加工资料追溯。
２．４工序设计为了满足直线、曲线或折线焊缝的焊接，拼焊系统有毛坯料和精确料两种来料方式焊接功能，毛坯料采用切一焊组合方式加工，即采用系统的激光切割头分别对待焊钢板进行板边切割处理，再自动拼缝、焊接，此方式的最大特点是除了焊接直线焊缝，控制关联，设定好的参数可以及时用于现场加工中，极大方便了客户操作和工艺试验。
同时试验成功的参数可以选择保存下来，作为批量加工的固定参数。
设计专门的管理参数录入，实时保存来料的参还适合曲线或折线焊缝的焊接，也适合进行激光焊接工艺研究（在同一块料上，可反复进行切割一焊接操作）；精确料主要针对采用其他方式下料或外来孝篇，磊ｔ≥渤；滋蠢矽．镌施・６５・专置讨论重晖拽第４３卷加工提供的材料，采用直接定位、拼缝、焊接方式，主要加工直线焊缝，拼焊工艺如图６所示。
图６拼焊工艺（１）毛坯料拼焊。
毛坯料拼焊原理如图７所示，根据焊缝形式选择夹具，并按焊缝走向摆放。
为了保证焊缝质量，夹具边缘尽可能靠近焊缝；机器人自动上料，并用夹具吸紧两块待拼接钢板；分别对两块钢板进行激光切割，加工待拼焊的焊缝形式；切割完成后，保持一个试板（不等厚时厚板）不动，另一个试板向固定板移动，移动的距离由三部分组成：两试板切缝中心线间的距离、切缝间隙以及微量补给量，微量补给量保证焊缝紧密结合、可靠拼接；两试板拼接好后进行焊接，焊接过程中根据焊缝跟踪系统的位置检测结果对焊接轨迹进行微调。
图７毛坯料焊接原理（２）精确料拼焊。
汽车板拼焊机组能够对外来精确料（即冲压成型和落料系统生产的定尺板料）进行自动上料、焊接和下料。
精确料拼焊原理如图８所示，工件Ａ以定位块为基准放置，气缸Ａ在Ｙ方向上定位工件Ａ；工件Ｂ以定位块为基准放置，气缸Ｂ在Ｙ方向上定位工件Ｂ；夹紧气缸在ｚ方向上定位工件Ａ、Ｂ；夹具吸紧，在ｚ方向上定位工件Ａ、Ｂ；激光焊接。