车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究

学号：Ｓ０７０２１０２２

密级：公开

湖南大学硕士学位论文

车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究

Ｄｅｓｉｇｎｆｏ

ｅ艉ｃｔｓｏｆｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏ肿ａｎｃｅ

ＷＡＮＧＺｕｊｉａｎ

Ｂ．Ｅ．（ＪｉａｎｇｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉＶｅｒｓｉ够）２００７

Ａｔｈｅｓｉｓｓｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎｐａｒｔｉａｌｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆ

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Ｍａｙ，２０ｌＯ

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湖南大学

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作者签名：互象艮吏日期：彻踟年岁月加日

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下身激光焊接央具设计’ｊ入射角对焊接质量影响的研究

摘要

激光加工技术作为先进制造技术之一，在工业发达国家的汽车工业应用中已越来越广泛，激光切割和激光焊接逐渐成为标准的加工工艺。三维激光切割技术可以取代冲压工艺中的冲孔模和修边模，不仅节省了大量的设计制造成本，而且缩短了新车型的开发周期；激光焊接技术应用于白车身焊接，大大提高了车身的强度和刚度，增加了车身的安全性，而且有利于车身的轻量化。本文对白车身切割焊接柔性生产线和焊接柔性夹具进行了初步设计。激光光束入射角对焊接质量的影响作为车身焊接中的难点问题之一，本文就该问题进行了重点研究。

首先，对白车身切割焊接生产线和柔性焊接夹具进行了研究。分析了车门结构和基于激光焊接的工艺；基于柔性化和安全性的考虑，对生产线总体布局进行了设计；按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，对该生产线主要设备进行了选型和设计；基于标准化、模块化的设计思想，设计和试制了车身激光焊接柔性夹具。

其次，论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用，对车身常用板材一镀锌板的几种焊接方法进行了比较，即激光焊接、弧焊、电阻点焊；总结分析了镀锌板激光焊接的难点和影响焊接质量的主要因素；提出了提高焊接质量的方法，包括：工艺措施法、优化参数和焊接过程法、在线检测控制法。

最后，针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究，通过正交试验选取光束垂直入射焊接时较佳的工艺参数，在该参数下，改变光束入射角，进行焊接试验，对试验结果做了大量的焊后检测分析，包括焊缝表面形貌、焊缝截面、拉剪试验、硬度、金相等。通过试验数据的处理和分析，得出了入射角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下临界入射角。为激光焊接在车身上的应用奠定了基础。关键词：白车身；生产线；柔性夹具；入射角；工艺；质量

硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｌａｓｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｈａｓｂｅｅｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｐｐｌｉｅｄｍｏｒｅａｓｏｎｅｏｆｔｂｅａｄｖａｎｃｅｄｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，

ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｔｈｅａｕｔｏｄｅＶｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓ，ｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃｏｍｅｔｈｅ

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ａｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｏｎｇａ】ｖａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓ

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｄｉ侬ｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｎｅｘｉｂｉｌｉｔｙ行ｘｔｕｒｅＢＩＷｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇｈａＶｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｏｏｒｈａｖｅＢａｓｅｄｏｎｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ｏｆｔｈｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｎｅｘｉｂｌｅａｎｄｓａｆｅｔｙ，ｔｈｅ

ｔｏｏｖｅｒａｌｌｌａｙｏｕｔＢＩＷｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｏｄｅｒｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｅｃｏｎｏｍｙ，ａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ｏｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｂａｓｅｔｈｅｄｅｓｉｇｅｉｄｅａｏｆ

ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅＢＩＷｆｌｅｘｉｂｌｅｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ６ｘｔｕｒｅｏｆＢＩＷｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｒｉａｌ・ｐｒｏｄｕｃｅｄ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｒｅａｕｔｏａｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＳｅＶｅｒａｌｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｃｏｍｐａｒｅｄ，ｔｈａｔｉｎｃｌｕｄｅｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ，ａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｄｉｆ拜ｃｕｌｔｐｏｉｎｔｏｆｇａｌＶａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｍａｉｎｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆ．ａｃｔｏｒｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｍｐｒｏＶｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇ

ｍｅａｓｕｒｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｐｅｒｆ．０ｒｍａｎｃｅａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈａｎｇｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，

ｏｎ—ｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓ．

Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｆｆ．ｅｃｔｓｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｏｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆＩｏｒｍａｎｃｅｈａＶｅｂｅｅｎｉｎｔｅｎｓｉＶｅｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｄｅａｌｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ．Ｔｈｅｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄ

ｏｎｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｄｅａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ

ｃｏｎｎｅｃｔＶｅｒｔｉｃａｌｉｎｃｉｄｅｎｃｅ．ＴｈｅｔｒａｎｓＶｅｒｓｅｗｅｌｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，ｔｈｅｗｉｄｔｈｂｅｔｗｅｅｎ

车身激光焊接央具设计与入射角对焊接质量影响的研究

ｐｌａｔｅｓａｎｄｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｌｏａｄ，ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｈｅｎｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｃｈａｎｇｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ，ｔｈｅｅｆｆｂｃｔｓｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅＶａｒｉａｔｉｏｎｏｎｇａｌＶａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｂｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｈａＶｅｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗｉｌｌｌａｙｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒ１ａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏＢＩＷ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｂｏｄｙ－ｉｎ—ｗｈｉｔｅ；Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ；Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｆｉｘｔｕｒｅ；Ｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅ；

Ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｑｕａｌｉｔｙ

３．２．２激光组焊技术……………………………………………………………………．３０Ｖ

３．３

３．４

第４章

４．１

４．２

４．３

４．３

４．４

总结与

参考文

致谢一

附录ＡＶＩ

图２．１６机器人和焊接头连接法兰………………………………………………………．２０图２．１７传统车身焊接夹具………………………………………………………………………．２１图２．１８不利于激光焊接的车身结构………………………………………………………．．２２图２．１９激光焊接和电阻点焊凸缘结构……………………………………………．．２３图２．２０激光卷对接焊与电阻点焊车身结构………………………………………………２３图２．２ｌ定位元件…………………………………………………………………………………．．２４图２．２２移动定位元件……………………………………………………………………………．．２４图２．２３央紧元件……………………………………………………………………………………．２５图２．２４激光柔性焊接夹具方案一………………………………………………………．２５Ｖｌｌ

车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究

图２．２５激光柔性焊接夹具方案和连接板……………………………………………２６图２．２６激光柔性焊接夹具方案三和调节螺柱图…………………………………………２６图２．２７激光柔性夹具方案图…………………………………………………………………２７图２．２８夹具阵列孔底板…………………………………………………………………………．．２７图２．２９车门分总成的柔性焊接夹具图……………………………………………………２８图３．１激光拼焊示意图……………………………………………………………………………３０图３．２激光拼焊在车身中的应用………………………………………………………………３０图３．３白车身激光组焊……………………………………………………………………………３１图３．４上下板表层锌蒸气排出图……………………………………………………………．．３４图３．５中间锌层排出图……………………………………………………………………………３４图３．６镀锌板焊接质量的影响因素……………………………………………………………３５图３．７汽车激光焊常见焊接接头形式……………………………………………………．３７图３．８汽车激光焊焊接接头形式……………………………………………………………３８图４．１试验原理图………………………………………………………………………４５图４．２试验现场图………………………………………………………………………．４５图４．３ＤＣ０２５型板条式Ｃ０２激光器及其模式……………………………………………４６图４．４ＳＥＳＡＭＯ型三维激光切割机床………………………………………………………４７图４．５不同光束入射角下板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ焊缝表面形貌………………………．．５０图４．６不同光束入射角下板厚Ｏ．８ｍｍ＋０．８ｍｍ焊缝表面形貌………………………一５ｌ图４．７不同入射角下板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ搭接接头截面形状………………………一５２图４．８不同光束入射角下光斑上能量作用位置的变化………………………………．．５２图４．９不同入射角下板厚０．８ｍｍ＋０．８ｍｍ搭接接头截面形状………………………一５３图４．１Ｏ拉伸试样…………………………………………………………………………………５４图４．１１所承受的拉剪载荷随入射角度变化……………………………………………．．５５图４．１２间隙不同时拉剪载荷随入射角度变化……………………………………………．５５图４．１３板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ拉剪试验断口位置………………………………………一５５图４．１４板厚０．８ｍｍ＋０．８ｍｍ拉剪试验断口位置………………………………………５６图４．１５不同入射角时硬度分布………………………………………………………………．．５６图４．１６不同入射角时焊缝截面图……………………………………………………………．５７图４．１７母材区金相组织…………………………………………………………………………．５８图４．１８热影响区金相组织……………………………………………………………………．．５８图４．１９焊缝区金相组织…………………………………………………………………………．．５８ＶｌｌＩ

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附表索引

表２．１激光器主要技术参数…………………………………………………………………．１３表２．２龙门式混合光路和飞行光路比较…………………………………………………．１５表２．３三维激光切割机床主要技术参数……………………………………………．１５表２．４不同种类激光器性能比较………………………………………………………．１８表２．５不同机器人性能比较…………………………………………………………．１９表２．６ＡＢＢＩＲＢ４４００／Ｌ３０型号机器人的主要技术参数………………………．．２０表３．１钢与锌的熔沸点比较……………………………………………………………………．３２表３．２镀锌板常用几种焊接方法比较………………………………………………………３２表４．１ＲＯＦＩＮＤＣ０２５激光器主要技术参数………………………………………………．４６表４．２试验材料的力学性能和化学成分（质量分数，％）………………………４７表４．３正交试验因素水平表……………………………………………………………………．．４８表４．４正交试验方案………………………………………………………………………………．４９表４．５入射角试验参数………………………………………………………………………．５０ｌＸ

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第１章绪论

１．１激光加工概况

激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。１９６０年６月，美国人Ｔ．Ｈ．Ｍａｉｍａｎ研制出了世界上第一台实用的红宝石激光器。激光加工技术经过几十年的发展，已经成为工业生产中的～项常用技术。激光加工作为一种非接触、低噪声、无污染、节省材料的绿色加工技术还具有信息化的特点，便于实现智能控制和加工技术的高度柔性化，是典型的集光、机、电、材料、热物理等诸多学科于一体的先进加工技术。激光技术已在工农业生产、通信、军事、医疗卫生、能源等许多方面获得了重要应用…。

激光（ＬｉｇｈｔＡｍｐｌｉ６ｃａｔｉｏｎｂｙＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＥｍｉｓｓｉｏｎｏｆＲａｄｉａｔｉｏｎ）是原子核电子受激辐射经光放大而形成的光辐射，具有很多不同于普通光的特性，如：单色性、相干性、方向性和高光强等。因此，激光束作为一种特种加工的能源，和传统加工相比具有一系列的优点：激光束易于传输，其时间特性和空间分布容易控制，易于实现自动化；激光束聚焦后的光斑具有极高的功率密度，可以加热熔化甚至汽化任何材料，可以进行局部区域的精细快速加工；加工过程中工件的热影响和热变形都很小等。这些优点极大地推动了激光在材料加工行业中的应用，激光被誉为“未来制造系统的共同加工手段’’ｎ吨１。

在工业生产中，激光加工主要用于切割、焊接、打孔、表面处理、打标等行业。近年来，又开辟了一些新的应用领域，如激光成型与校形、激光微细加工、纳米材料制备及激光复合加工、激光快速制造等。目前，它已发展成为一个世界范围内的产业。在欧洲各国中，诸多激光加工应用中最多的领域是激光切割，但增长最快的加工类别却是激光焊接。在汽车制造业，激光焊接得到了最为广泛的应用，技术也日趋成熟。图１．１激光加工技术在车身制造中的应用

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

激光切割和焊接作为汽车制造业新加工方式，是一个具有很大发展潜力的方向。在国际汽车工业界，激光加工技术己广泛应用于汽车制造中，激光切割与焊接逐渐成为标准的加工工艺。车身在汽车整车制造中占有重要的地位，不仅车身成本占整车的４０～５０％，而且对汽车制造的安全、节能、环保和快速换型有重要影响。据估计，在车身制造工艺中采用激光加工技术，可节省２／３的新车身开发模具和约７０％的夹具，使生产周期缩短５０％，白车身重量减少约２０％，制造精度（形状、尺寸等）和白车身总体质量（刚度、强度等）显著提高Ｄ】。图１．１所示为激光加工技术在车身制造中的应用。

１．２白车身柔性焊接生产线和柔性焊接夹具研究现状

１．２．１白车身焊接生产线研究现状

１．２．１．１国外现状

汽车产生于１９世纪末，福特汽车公司开发出了世界上第一条汽车生产流水线，代替了早期的手工作坊式生产。福特生产线吸收了流水线和互换性的设计思想，以标准化，具有互换性的零部件进行Ｔ型车的组装，实现了汽车的大批量生产。这种大批量生产方式极大的提高了生产效率和降低了生产成本，但是福特生产模式每条生产线只能生产单一品种的车型，造成了资源的极大浪费。２０世纪５０年代，欧洲汽车厂家把大批量生产和产品差异化结合起来，产品差异化即针对不同的市场和客户，设计不同的产品和营销计划，这使得欧洲汽车汽车产量逐渐超过了北美。由于汽车行业竞争的加剧，消费者需求趋于多样化、个性化，汽车品种开始逐渐增多，更新周期也越来越短，但之前单一、刚性的生产方式只能满足大批量的生产，小批量生产必然带来成本的增加。上世纪六七十年代，丰田公司吸收福特生产模式的原理，根据自身实践，创造出一套以准时化生产和全面质量管理方式为主要特征的新型生产系统，即“精益求精”生产系统，开发出了世界第一条柔性汽车生产线，使一条生产线能够适应多个品种的汽车车型生产。“精益求精”的生产方式也受到了世界其它工业国家的追捧，在其它工业行业也得到了广泛的应用¨１。

如今，随着自动化技术，计算机技术以及机器人技术的发展，生产线大量应用柔性化的设备。汽车通用平台技术的发展可以实现在同一条生产线上完成多种车型的快速组装，减少生产线的建设数量和占地面积，提高自动化程度及生产效率，显著降低新车型投资。世界各大汽车生产商均采用了此种生产模式，有的可以实现五种甚至是六种车型的混流生产，切换速度快，生产效率高，节约了大量的成本。２

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图１．２意大利ＣｏＭＡＵ的ＯｐｅｎＲｏｂｏＧａｔｅ柔性混流生产线

图１．２所示为意大利ＣＯＭＡＵ的ＯｐｅｎＲｏｂｏＧａｔｅ柔性混流生产线，该生产线包括６台焊接机器人，６＋６套侧围夹具，ｌ＋１套传输系统，２＋２个传输小车，６＋６套侧围夹具支撑，１＋ｌ侧围快速夹紧定位Ｙ向平移机构，占地２８．９ｍ×１８ｍ，实现一个平台６种车型的柔性生产。该系统柔性很好，切换很方便，适应多种结构的车身，不足之处是占地面积大，控制系统复杂，价格高。

焊装做为汽车四大生产工艺之一，焊装的车身质量关乎到车身的外观质量及总装装配的难易程度，焊装生产工艺在四大工艺中起到承上启下的作用。目前大众、通用等世界各大汽车生产厂商大多采用了汽车白车身激光焊接系统进行车身焊接，建立了激光白车身焊装生产线。

１．２．１．２国内现状

国内汽车工业起步较晚，１９５６年生产出中国第一辆解放牌汽车，生产线为早期福特大批量刚性生产方式，生产方式简单落后。到了八十年代，国内汽车生产企业和国外企业成立合资企业，即走引进．模仿．国产化的道路。

近些年由于国内汽车行业竞争的加剧，大量引进国外车型，汽车的库存开始增加，原有的大批量刚性生产线产能过剩，国内所有的汽车厂家都在寻找柔性化生产方式，进行单一平台多车型共线生产。上海大众、一汽大众等企业已经实现了一条生产线生产两种或两种以上的车型。

目前国内汽车公司的焊装生产线焊接方式大多采用电阻点焊，且大部分为人工操作，机器人应用较少，依然以劳动密集型为主，产品标准化程度较低，产品质量也不高，生产线上的加工检测设备也以进口为主。比如车身激光焊，这是轿车车身制造的关键技术，对提高汽车质量和安全性能起着重要作用。但目前这项技术却为国外所垄断，国内只有合资企业才能通过引进设备使用这种焊接技术，在民族品牌汽车中，几乎还是空白哺３。

下身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

１．２．２车身柔性焊接夹具理论研究和应用现状

１．２．２．１柔性夹具的理论研究现状

国内外的很多高校和科研单位在柔性夹具及其设计理论方法方面进行了大量的研究。

Ａ．Ｍａｒｋｕｓ等人研制了一个用于箱体类组合夹具设计的基于ｐｏｒｌｏｇ语言的专家系统，当输入工件的形状，定位加紧点等信息，该专家系统能够自动选取合适的夹具模块哺１。

Ｔｈｏｍｐｓｏｎ和Ｇａｎｄｈｉ在ｌ９８６年提出了一种夹具模块化设计方法…。

Ｒｅｍｉｃｋ，Ｈｕ和Ｗｕ于１９９３年提出一种运用有限元分析和非线性优化的薄板夹具设计方法，将优化结果通过价值函数分析来确定装配工序中最优夹具定位单元数№１：Ｃａｉ，Ｈｕ和Ｙｕａｎ于１９９６年提出了适合于车身薄板件夹具设计的“Ｎ．２．１＂定位原理，在薄板件法方向即第一基准面应用多于３个定位点去限制这一方向的零件变形，其中的最优的定位点数“Ｎ＂可利用有限元分析软件和非线性规划方法找到∞１。

Ｌｅｅ提出了关于ＰＲＲ型定位机器人的柔性夹具定位空间综合方法ｎ引。

我国学者于８０年代中后期也开始对组合夹具元件的设计与管理进行了研究和开发，在总结和吸取我国应用和发展槽系夹具经验的基础上，根据现代机械加工特征及夹具的发展趋势，研制了新一代孔系组合夹具系统。北京工商大学麻建东和刘璇开发了组合夹具元件库…１。山东工业大学的徐志刚基于广义映射原理，开发了支持“ｔｏｐ．ｄｏｗｎ’’的组合夹具设计自动化软件系统，为夹具结构设计自动化软件系统的开发探索出一条新的途径ｎ引。

清华大学张展生等提出一种全新的由机器人调整的可重构汽车车身焊接夹具。该夹具充分利用了焊装生产线上工业机器人的高精度与柔性自动化能力。并采用“一步直拉式”夹具定位调整方法，实现夹具的快速自动化构建与调整ｎ朝。

由于夹具设计过程中的随机因素较多，迄今为止，所开发的夹具设计系统还很少应用于实际生产。

１．２．２．２车身柔性夹具的应用现状

柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能够适应这种变化并继续使用的具有一定应变能力的夹具。

目前国内汽车公司所用的夹具普遍都采用一个焊接工位设计一套央具，当工位发生较大变化时就重新设计一套新的夹具，这就导致了车身制造成本的上升和效率的下降，同时延长了新车型的研发周期，如图１．３所示。４

德

紧各种

加工单

图１．５Ｔ０ｒｒｅｓＴｏｏｌ柔性装夹系统

图１．５所示为西班牙Ｍ．Ｔｏｒｒｅｓ集团公司设计制造的ＴｏｒｒｅｓＴ００ｌ柔性装央系统。这套系统最典型的结构是卧式三轴，它由若干个排架组成，每个排架在计算

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

机程序指令控制下可独立沿Ｘ轴方向移动，每个排架下有若干个支撑杆，每个支撑杆也是由计算机程序指令控制下沿ＹＺ轴独立移动。在每个支撑杆的顶端有一个专门设计的可制动调整的吸盘，能在任意方向４５０倾斜，用作系统的末端受动器，是设备和航空部件的接触点。该系统较贵，每套数百万美元¨利。

丰田汽车公司全球车身制造系统（ＧｌｏｂａｌＢｏｄｙＬｉｎｅ，简称ＧＢＬ）采用内置式夹

Ｂｏｄｙ具，如图１．６所示。图示上图是柔性生产系统（ＦｌｅｘｉｂＩｅＬｉｎｅ，简称ＦＢＬ）焊装

夹具，其包括三套高精度且昂贵的夹具，从车身的左、右、上方对车体固定（如图中红色）。而ＧＢＬ核心之处在于“由内向外＂的设计理念，从车体内部由一台夹具支撑并固定车体，夹具从敞开的顶部伸入，按车身结构设计的内部定位点定位并按车身定位夹紧方案进行夹紧。当侧面焊接完毕后，夹具从车体中抽出，车体则随着生产线移动到下一工位，进行补焊，并安上车顶盖，对车顶盖进行焊接。该夹具柔性很好、技术水平较高、通用性和互换性较好，投资也相对较小。当然，这需要相当精确的定位尺寸配合，而且其生产装备和质量控制与车身设计互为依托，对车身结构设计要求很严，行业推广有很大的困难。

ＧＢＬ

图１．６丰田全球车身制造系统图１．７ＦａｎｕｃＦ－１００Ａ－夹具系统

图１．７所示是日本Ｆａｎｕｃ公司生产的Ｆ—ｌ００Ａ．夹具系统。该系统是一款可编程的自动夹具安装平台，每个夹具平台由４个或５个伺服电机驱动的轴控制，通过改变其运动程序，方便地实现不同定位基准的工件在同一个夹具平台上生产，该夹具平台具有高刚性、编程简单、维修方便等优点，不仅适合整车焊装线，也适合各分总成和零部件的多品种共线生产，但是该系统成本很昂贵，一次性投入非常高。

１．３激光光束入射角对镀锌板焊接质量影响的研究现状

镀锌板因其良好的抗腐蚀性能而被广泛应用于各个领域，包括电力、交通、建筑、化工、通风供热设施以及家具制造等行业。尤其在汽车制造中，各种普通６

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镀锌板，高强度镀锌板，超高强度镀锌板的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀性能和汽车的使用寿命，通常８６ｕｍ厚镀层的镀锌板在大气中的使用寿命不低于２０年¨５。１引。锌蒸气是影响镀锌板激光焊接质量的主要因素，减少锌蒸气的蒸发和使其有效排出是当前的研究热点之～。目前，提高焊接质量的方法主要有以下三种：特定工艺措施法¨卜２引、优化参数和焊接过程乜９１、在线检测控制拈０。３引。

激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激光光斑面积和反射率，进而影响激光功率密度，而激光功率密度对激光焊接具有重要影响，国内外学者对激光光束入射角偏转对激光加工质量的研究这一课题做了一定的研究。

图１．８焊接头和夹具干涉图

韩国学者ＣｈｅｏｌｈｅｅＫｉｍ等人研究了使用ＤＩＳＫ激光器的激光远程焊接，研究认为光束入射角小于等于２００时可以得到连续穿透焊缝，大于２５０时，焊缝则不连续‘３ｊ１。

湖南大学的陈根余，刘旭飞等对入射角改变时激光切割质量进行了研究，研究认为光束入射角增加后会导致反射加大，实际输入工件材料的激光能量减少，入射角改变会导致切缝宽度变化。入射角在２００范围内变化时，对切割面粗糙度的影响很小，入射角超过２００时，切割面会严重过烧，粗糙度大大增加，切割质量很差ｍ’。

山东大学的刘杰，孙胜，管延锦等ｂ刚研究了激光弯曲成型过程中激光入射角变化对材料吸收率的影响，实验结果表明：在采用激光对具有吸收层的工件进行多次扫描时，由于变形部分入射角增大引起激光吸收率提高，以及光斑面积增大引起激光功率下降，从而导致作用于工件表面的激光能量因素改变，这是弯曲角度发生变化的主要原因。

董志娟，栾贵时¨们研究了不同激光入射角度对表面硬化效果的影响。研究结果认为：相同的激光硬化工艺处理参数（激光功率、扫描速度、离焦量）下，入射角度越大，硬化层越浅。表面显微硬度也逐渐减小，淬硬层的宽度逐渐增大。

但是关于激光光束入射角变化对镀锌板焊接质量的影响却没有相应的研究。激光光束入射角改变对焊接质量有着重要影响，生产实践中应用激光焊接白车身７

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

时，因为焊接头不同于电阻点焊焊枪，其尺寸比较大，经常会和车身零部件及工装夹具产生干涉，使焊接过程无法顺利进行，如图１．８所示，而激光焊接头偏转一定角度，可以很大程度上避免上述干涉。因此，开展激光光束入射角对镀锌板焊接质量的研究具有重大的研究意义和实际应用价值。

１．４课题的研究背景和意义

汽车工业做为一个国家的支柱产业，其水平的高度在一定程度上代表了一个国家工业水平的高度。汽车行业的竞争实际上就是汽车质量的竞争，汽车生产成本的竞争，汽车经济效益的竞争。当前全球汽车企业之间的竞争越来越激烈，为了在激烈的市场竞争中赢得先机，各汽车厂家的新款车型推出周期越来越短，同时，随着年轻的消费者对汽车产品个性化需求越来越高，传统的单一大批量刚性生产方式正逐渐被小批量、多品种、个性化的柔性生产模式所代替。因此，快速的响应市场多元化的需求，建立柔性化的生产线，缩短新车型的推出周期对汽车企业至关重要。

汽车车身夹具作为汽车生产线的关键技术之一，其柔性水平很大程度上决定了生产线柔性的水平，传统的汽车焊装夹具一般只能满足单一零件的工件装夹，当工件更换时，夹具也随之更换，这不断浪费了大量的资源和生产成本，而且间接延长了整个生产线和新车型的研发周期。因此，研制柔性化的汽车焊装夹具对于柔性生产线的实现和新车型的研发具有重要的意义。

激光焊接作为一种新的加工手段，其在汽车车身上得到了广泛的应用。激光焊接不仅减轻了白车身的重量，提高了白车身的强度和刚度，而且更容易实现白车身焊接的柔性化和智能化，提高生产效率。镀锌板因其优越的防腐性在车身上得到大量使用，镀锌板的激光焊接因为锌蒸气的沸点低，易蒸发，不易排出的锌蒸气对焊接质量有严重不良影响，车身镀锌板激光焊接时，激光焊接时焊缝位置的不同，会导致焊接方式和焊接角度随焊缝位置的变化而变化。由于车身零部件以及焊装夹具结构的限制，焊接聚焦镜组不能总是垂直于焊缝来焊接，焊接头需要偏转一个角度才能完成焊接。激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激光光斑的大小和吸收率，进而影响激光功率密度，从而影响加工质量，因此进行不同激光入射角度下的焊接试验研究，对激光焊接在汽车车身上的应用具有重大的现实意义。１．５本文的主要研究内容

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（６０８７０００４）项目资助。本文对白车身生产线的总体布局进行了设计，对生产线主要设备进行了选型，并对关键单元技术焊装柔性夹具和激光光束入射角偏转时镀锌板焊接工艺进行了重点研究，主要内容包括以下几个方面：

（１）对白车身切割焊接生产线的主要研究对象车门进行了结构和工艺分析；基于柔性化和安全性的考虑，对生产线总体布局进行了设计；按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，以及可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，对该生产线主要设备进行了综合比较分析和选型。

（２）总结分析了激光车身焊接夹具的特点，基于激光焊接工艺探讨了车身结构设计制造改型；按照模块化、标准化的设计思想，采用Ｎ一２．１定位原理，设计和试制了车身激光焊接柔性夹具。

（３）论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用，对车身常用板材．镀锌板的几种焊接方法进行了比较，即激光焊接、弧焊、电阻点焊；分析了镀锌板激光焊接的难点主要是焊接过程中产生的锌蒸气对焊接质量的不利影响；分析总结了影响镀锌板激光焊接的主要因素和提出了改善焊接质量的方法，方法包括工艺措施法、优化参数和焊接过程法、在线检测控制法。

（４）针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究，通过正交试验及后续试验选取了在光束垂直入射焊接时较佳工艺参数，在该参数下，改变光束入射角，进行不同入射角焊接试验，对试验结果做了大量的焊后检测分析，包括焊缝表面形貌、焊缝截面、拉剪试验、硬度、金相等。通过对试验数据的处理和分析，得出了入射角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下的临界入射角。为激光焊接在车身上的应用奠定了基础。９

乍身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

第２章车身激光切割焊接柔性生产线和柔性夹具设计

本生产线针对我国自主品牌新车型开发和小批量定制需求，包括激光切割、激光焊接两大单元。白车身零部件由三维五轴激光切割机床切割成形，然后输送到焊接单元焊接成白车身分总成。在焊装线上，焊装央具作为最主要的组成部分，其柔性很大程度上决定了生产线的柔性。

２．１工件结构和工艺分析

本生产线主要包括激光切割、激光焊接两大单元，切割单元将冲压拉伸后的白车身零部件进行激光修边、切孔，激光焊接单元进行白车身分总成（如：车门、侧围、行李箱盖等）的合件、组件的激光焊接。本生产线加工对象主要为汽车白车身车门，也可加工白车身侧围。车门主要由内板、门锁加强板、铰链加强板、外装饰带加强板、内装饰带加强板、玻璃导槽、防撞杆和外板组成，车门内板总成结构示意图如图２．１所示。

图２．１车门内板总成结构示意图

２．２生产线总体布局设计

随着汽车制造业的高速发展，汽车的更新换代周期越来越短，同型产品越来越多。为了应对市场的变化，满足多品种、短周期、小批量的要求，生产模式越来越向柔性化方向发展。激光切割焊接过程中，激光辐射具有危险性，出于安全性的考虑，加工要求在一个封闭空间内，因此必须安装封闭的安全门。如图２．２，２．３所示为车门激光焊接生产线总体布局和车门激光焊接作业流程图，图２．４所示为侧围激光焊接生产线总体布局图。ｌＯ

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图２．２车门生产线总体布局图

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图２．３车门激光焊接作业流程图

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图２．４侧围生产线总体布局图

布局图中左边区域是切割单元，冲压好的工件通过切割夹具快速固定后进行三维激光切孔，修边。右边区域是激光焊接单元，包括两台焊接机器人、四个工位的焊接夹具、激光器、安全门等配件。通过对机器人周边装置和控制系统的柔性设计，最大程度地发挥机器人特点，使一套机器人系统能够根据需要焊接多种零件，适应产品多样化和改进的要求，从而满足汽车行业Ｒ益加剧的多品种、小批量的生产要求¨¨。

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

为了缩短新车型研发周期，节约成本，满足多品种，小批量的生产要求，生产线必须具有一定的柔性。本生产线的柔性主要体现在以下几个方面：

（１）激光切割单元采用三维五轴激光切割设备，可以满足汽车白车身零部件的修边、切孔，切割头喷嘴的电容传感器在一定范围内能够调整并保持切割头喷嘴和零件的相对位置，可以大大提高切割头的加工范围。切割不同的零部件只需更换夹具，选择事先编制的相应切割程序即可，切割程序为离线编程，快速、简便；激光焊接单元采用高精度焊接机器人，机器人本身就是柔性化程度很高的设备。焊接程序既可采用离线编程，也可采用机器人示教编程。

（２）激光切割夹具和焊接夹具具有一定的柔性。激光切割夹具有两种，对大批量、结构较复杂零件，可采用网格夹具，网格夹具采用离线编程，通过激光切割，经过简单组装即可。对小批量、结构简单零件，可采用原子灰快速成型夹具，不同零件切割时，夹具体完全不用更换，只需通过锁紧螺母调整夹具体高度，并根据车身零部件型面不同涂抹原子灰，原子灰半个小时左右即可凝固。焊接夹具为自行设计制造的适合于激光焊的柔性焊接夹具，具有互换性、通用性，可适应一定范围内的车身零部件的变化，当更换同类型零件时，无需重新设计制造夹具，只需进行三维调整，并更换某些型面及相应模块即可。

（３）激光焊接单元具有较高的柔性，本焊接单元主要包括两台机器人、多工位焊装央具、激光器等，当车身零部件较小时（如车门、行李箱盖等），两台机器人可分别焊接不同工件，如图２．２所示。车身零部件较大时（如侧围），两台机器人合焊一件工件，如图２．４所示。

２．３生产线的主要设备选型和设计

设备选型必须满足生产工艺要求和市场供应情况，以及可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，进行综合调查和分析比较，选择最适合的产品。

２．３．１激光切割单元主要设备选型

２．３．１．１切割用激光器

激光切割光源要有很高的光束质量，为了得到高的功率密度和精细的切口，聚焦光斑直径要小。为此，激光束的模式要达到或尽可能接近ＴＥＭ００基模，激光束还应具备良好的旋转对称性和圆偏振性，以保证不同方向切割时效果一致。激光器应该具备既能输出连续激光又能输出脉冲激光且二者之间能够快速转换的功能¨纠。Ｃ０２激光器具有高功率、高效率、高光束质量和长波长的特点，能够很好地满足金属板材的切割要求。

激光器选用Ｒ０６ｎＤＣ０２５扩散型ＳｌａｂＣ０２激光器，最大功率２５００Ｗ，光束

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模式为ＴＥＭＯＯ，输出能量近似高斯分布，其主要技术参数如表２．１所示，工作原理图如图２．５所示。

表２．１激光器主要技术参数

型号

光腔结构

波长

额定输出功率（连续）

最大输出功率ＤＣ０２５特殊合金共振腔１０．６Ｉｌｍ２５００Ｗ２５００Ｗ

＜±２％输出功率稳定性

光束直径

光束质量

发散角

光束模式

频宽

频率

共振腔

控制器

工作气体

消耗量２０ｍｍ～２５ｍｍ（１０ｍ处）Ｋ＞Ｏ．９，即Ｍ２＜１．１２＜Ｏ．１５ｍｒａｄＴＥＭｏｏＯ～１００％ｄｕｔｙ，２６ｐｓ—ｃｗ００ｒ２～５０００ＨＺ５００ｋｇｆ８００ｋｆ预混气体（六合一）每小时小于Ｏ．３公升

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图２．５扩散型ＳｌａｂＣ０２激光器

２．３．１．２三维五轴激光切割机床

目前，行业中主流的车身覆盖件切割设备有两种：三维激光切割机床和机器人三维激光切割，如图２．６和图２．７所示。１３

车身激光焊接央具设计及入射角对焊接质量影响的研究

图２．６ＳＥＳＡＭＯ型三维激光切割机床图２．７激光切割机器人

三维激光切割机床优点是刚性好、速度快、加工精度高，但占用场地大、价格较贵；激光切割机器人优点是灵活性高、占用场地小，但在加工速度和加工精度上还有待进一步提高。车身覆盖件的切割精度影响到后续加工和装配，因此汽车行业大多采用三维激光切割机床。

反射

Ｘ

图２．８切割头六轴运动轨迹示意图图２．９光路传输示意图

激光切割头要实现三维加工，首先必须保证机床本身互相垂直的ＸＹＺ三轴的直线驱动，同时切割头二个轴能够旋转运动。激光切割是非接触式加工，激光是通过透镜聚焦于工件实现切割，所以为了保证切割的质量，要求激光束到达工件的焦点位置要始终不变，即切割头喷嘴下表面和工件曲面之间的距离为定值。为了满足该要求，切割头设计了一个用于检测喷嘴到工件表面距离的电容传感器，根据工件材料和板厚不同，喷嘴距离工件表面距离也不同，此距离可通过切割程序设定，最大距离为６．４ｍｍ。此电容传感器检测装置实际上相当于机床的第六轴。图２．８所示为切割头六轴运动轨迹示意图，图２．９为三维激光切割机床的光路传输示意图。１４

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表２．２龙门式混合光路和飞行光路比较

一般机床结构形式有龙门式和悬臂式两种，悬臂式刚性和精度较差，所以三维激光切割机床采用龙门式设计，并配合混合光路或飞行光路。采用龙门式混合光路，龙门架固定不动，ｘ方向的运动由工作台移动实现，光束在Ｙ和Ｚ方向有变化，由于工作台的重量大以及考虑到工件夹紧时的巨大惯性，加工速度稍慢，影响加工的精度。而对于飞行光路，则工作台固定不动，Ｘ方向的运动由龙门架移动实现，光束在Ｘ、Ｙ和Ｚ方向都有变化，对激光光束质量影响较大，并造成激光能量损失，进而影响加工质量的稳定性。由于龙门架相对工作台的重量较小，所以飞行光路惯性力较小，加工速度和精度也较高。表２．２为两种方式的优缺点比较‘５１。

综上所述，激光切割单元采用三维激光切割机床，并配合混合光路，型号为ＳＥＳＡＭＯ，如图２．６所示，表２．３为该机床主要技术参数。

表２．３三维激光切割机床主要技术参数

２．３．１．３切割夹具

车身覆盖件在进行三维激光切割时，工件快速、准确定位是非常重要的环节。央具的快速制造和精确定位将直接影响工件的切割效率和切割质量。因此，夹具的柔性化设计和快速化制造将是减少夹具种类和数量、缩短央具设计加工时间以及减少央具设计和制造成本、提高切割质量的重要保证。

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

三维激光切割的工艺具有特殊性，其夹具设计方法也不同于一般的工装夹具。由于激光头和加工工件之间没有力的接触作用，故夹具体不需要夹紧装置，只需完成对工件的定位，同时凭借工件本身的重力作用就可以满足夹紧，这同时也避免了激光切割头和夹具的干涉。因此，三维激光切割的夹具只起定位的作用，其结构设计也变得简单，在设计时考虑更多的是定位准确性、重复定位精度、柔性化和快速制造。

车身覆盖件大多是具有空间曲面、外型复杂的结构件，定位表面只能选择型面。常用的切割夹具有二种：一是网格央具，二是原子灰快速成型夹具。上述两种夹具各有优缺点，本生产线激光切割单元可根据工件特点选择不同夹具。

一、网格夹具

网格夹具由底板和支撑板拼合组装而成，每一块支撑板的上表面与覆盖件的定位型面紧密贴合，即支撑板上表面的形状和覆盖件的定位型面的形状完全一致。因此在进行网格夹具设计时，必须依据待切割工件的ＣＡＤ数模进行设计，准确地从ＣＡＤ数模中提取型面的特征信息，然后根据型面的特征进行支撑板的设计。网格夹具具有如下优点：

（１）网格夹具的设计方法简捷，适用于大批量和体积小且结构复杂的工件。（２）网格央具是依据覆盖件的ＣＡＤ数模进行设计的，支撑板上表面的形状和覆盖件定位型面的形状完全一致，因此具有较高的定位精度。

（３）网格夹具的重复定位精度高。

（４）此网格夹具可离线编程并由本生产线切割单元激光切割，只需简单装配组装，简单、方便。

网格夹具在制造时使用了大量的薄钢板，成本比较高，而且对于体积较大工件不适合，但是其较高的定位精度和快速的制造方法，可以大大提高车身覆盖件三维激光切割的质量和切割效率。图２．１０所示为网格夹具ＣＡＤ图和实物图。

图２．１０网格夹具ＣＡＤ图和实物图１６

二、原子灰快速

对于结构较简单

速成型夹具由数个支

小及复杂程度，使用

螺钉固定在工作台上

撑杆和工件，半小时

图２．１ｌ原子灰快速成型夹具ＣＡＤ图

原子灰快速成型夹具有以下优点：

（１）设计方法简但、安装快捷，间接提高了切割的效率。

（２）定位型面是用原子灰涂抹夹具和工件型面完全贴合凝固形成，因此具有很高的定位精度。

（３）简易夹具对于结构简单，体积较大工件可以进行很好的定位，比如侧围。（４）简易夹具成本很低，切割不同工件，需更换的仅仅是原子灰，经济效益明显。

在原子灰固定简易夹具和工件位置处，工件夹紧点必须有足够的空间以保证简易夹具能够进入，而且该处型面须是曲面，这样原子灰才能凝固成一定曲面轮廓，完成对工件的定位，如图２．１ｌ所示。

２．３．２激光焊接单元主要设备选型

２．３．２．１焊接用激光器

目前应用在焊接中的激光器类型主要有Ｃ０２激光器、ＹＡＧ激光器、Ｄｉｓｃ激光器及光纤激光器，如表２．４所示为不同种类激光器性能比较。

Ｃ０２激光器是机械加工领域运用最广的激光器类型，这主要是因为其转换效率高、功率高、光束质量高。但由于Ｃ０２激光器输出波长为１０．６ｕｍ红外光，该波长适合于激光切割，而进行焊接时金属材料则强烈反射，对金属激光焊接不太适合，而且，目前Ｃ０２激光器还只能通过镜片传输，不能利用光纤传输，柔性１７

车身激光焊接央具设计及入射角对焊接质量影响的研究

不好。

ＹＡＧ激光器输出的激光波长为１．０６ｐｍ，恰巧是Ｃ０２激光器波长的十分之一，波长较短对聚焦、光纤传输和金属表面的吸收有利，这是ＹＡＧ激光应用与激光加工的一大优势¨纠。但是目前工业用ＹＡＧ激光的输出功率较低，而且功率越大光束质量越差。如何提高光束质量、输出功率及转换效率仍是Ｎｄ：ＹＡＧ激光器面临的主要问题Ｈ引。

表２．４不同种类激光器性能比较

Ｄｉｓｃ激光器具有较高的光束质量，与激光晶体棒相比，盘式激光的激光碟片有相当大的表面一体积比，因此能更有效地实现冷却，Ｄｉｓｃ激光器转换效率最高可达３０％，但价格高和泵浦系统是制约其进一步发展的主要因素。

图２．１２光纤激光器

光纤激光器作为第三代激光器的代表，具有无可比拟的技术优势。光纤激光器电光转换效率达到３０％，综合光电效率可达２０％，大幅度节约运行成本，光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。光纤激光器还具有以下优点：能胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度；不需热电制冷和水冷，只１８

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需简单的风冷；激光可由光纤导出传输，柔性好。光纤激光器唯一的不足之处是价格较高，一次性成本投入较大，但考虑到其巨大的技术优势，以及高效率生产、低维护运营成本，相对其它类型激光器，优势还是非常突出的。

综上所述，本生产线激光焊接单元选用了ｌＰＧ公司生产的型号为ＹＬＲ．ＨＰ一４０００Ｗ的光纤激光器，如图２．１２所示，最大输出功率为４０００Ｗ，后续如有需要可扩展功率，只需简单增加功率模块即可。光纤激光器配备了１００ｍ的传输光纤，能够方便的实现激光传输，具有很好的柔性。

２．３．２．２机器人

机器人是２０世纪人类最伟大的发明之一，它融现代机械学、自动控制、计算机科学与工程、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、仿生技术、社会学等多种学科和技术于一体，具有高度的综合性。目前在汽车及其零部件制造工业中，以机器人为中心的柔性加工单元和焊接工作站已经获得了广泛的应用。汽车车身生产采用流水线生产方式，对零部件制造精度和焊接质量要求很高，同时要满足多品种批量生产，焊接机器人最适合多品种高质量生产方式，如汽车车门、汽车底盘、座椅骨架、导轨等焊接件均使用了机器人焊接Ｈ¨。

在车身焊接领域，目前较知名的机器人生产厂家有ＡＢＢ、ＫＵＫＡ、ＭＯＴＡＭＡＮ等，不同的生产厂家产品具有不同特点。选择上述公司较适合激光焊接的三款产品进行比较，如表２．５所示。从表中可以看出，ＡＢＢ机器人比较适合该生产线。ＡＢＢ的ＩＲＢ４４００／Ｌ３０机器人的主要技术参数如表２．６所示，实物图和工作区域示意图如图２．１３和２．１４所示。

表２．５不同机器人性能比较

图２．１３ＩＲＢ４４００／Ｌ３０机器人图图２．１４ＩＲＢ４４００／Ｌ３０机器人工作示意图１９

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

表２．６ＡＢＢＩＲＢ４４００／Ｌ３０型号机器人的主要技术参数

参数数值技术参数

有效半径

有效载荷

轴数

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２．３．２．３激光焊接头舶№捌臻式６＾姻方一～Ｍ酗ｍ蚓Ｉｋ

焊接头的选型主要考虑两方面：一是和夹具的干涉，二是和机器人以及激光器的连接。对于第一方面，要求焊接头具有较小的轮廓，同时喷嘴离工件表面的距离较长。从现有文献资料得知，镀锌板的激光焊接时焊缝必需要气体保护，气体保护分为同轴和侧吹两种保护方式，因为生产实践中侧吹保护相比同轴保护更容易使央具干涉，所以选择有同轴保护的焊接头。因为焊缝要有气体保护，所以远程激光焊不适合，而且远程激光焊对光束质量要求很高，价格非常贵。焊接头和激光器的连接主要考虑的是光纤接口和匹配问题。

激光焊接头生产厂家主要有德国Ｐｒｅｃｉｔｅｃ、美国的Ｌａｓｅｒｍｅｃｈ、意大利Ｆｒｏｎｉｕｓ等，Ｌａｓｅｒｍｅｃｈ和Ｆｒｏｎｉｕｓ主要产品是切割头和复合焊接头，单纯激光焊接头产品上不是很成熟，竞争力不如Ｐｒｅｃｉｔｅｃ。

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本生产线选择了Ｐｒｅｃｉｔｅｃ公司型号为Ｙｗ５０的激光焊接头，见图２．１５。Ｙｗ５０同时有同轴和旁轴气体保护装置，可通过光纤传输激光，光纤接口为瑞典Ｏｐｔｏｓｋａｎｄ公司的ＱＢＨ型光纤标准接口。激光的传输过程如下：激光经光纤传输入焊接头，经准直系统将光纤内的发散光转变成准直光（平行光），再通过聚焦镜聚焦，最终聚焦光斑的直径主要由准直镜焦距、聚焦镜焦距以及光纤直径决定，光纤由光纤激光器配套提供，芯径为Ｏ．１５ｍｍ。焊接头和机器人的连接采用法兰连接，焊接头和机器人都留有标准连接位置，图２．１６是单独设计的连接法兰。２．４车身激光焊接柔性夹具的设计

目前，绝大多数汽车生产企业的汽车焊装夹具仍然是专用夹具，当工位发生较大变化时就重新设计一套新的夹具，这就导致了车身制造成本的上升和效率的下降，同时延长了新车型的研发周期，如图２．１７所示。汽车的发展趋势是小批量、多品种、个性化，世界各大汽车公司从样车到新车投产周期越来越短，焊装夹具的设计制造要求也更高。

图２．１７传统车身焊接夹具

２．４．１激光车身焊接夹具特点

目前，国内绝大多数汽车焊装设备是电阻点焊，只有一汽大众，上海大众等少数厂家采用了激光焊接。两种焊接方式的不同导致了夹具有所不同，相对电阻点焊夹具，激光焊接夹具有以下特点：

（１）激光焊接夹具央紧要求更高。激光焊接是非接触式加工，而电阻点焊是通过电极夹紧通电从而焊接，电极的夹紧力很大，一般有几百牛，这相当于焊接时候施加了一个很大的夹紧力，而非接触式激光焊接头本身显然没有任何夹紧力。同时由于焊接原理的不同，所适用的焊接材料也不一样，比如镀锌板的焊接，锌的蒸发对电阻点焊基本上没有影响，但对激光焊接过程和焊接质量却有严重影响，预留合适的板间间隙以利于锌蒸气的排出是解决锌蒸气问题的重要方法之２ｌ

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

一，通过调整夹具夹紧力可控制板间间隙。这都对激光焊接夹具夹紧提出了更高的要求。

（２）激光焊接夹具须避免和焊接头的干涉。激光焊接设备和电阻点焊设备外观形状不一样，这必然使得车身夹具结构不一致，甚至车身结构也不一致。电阻点焊焊枪体积细小，通过两焊枪对工件夹紧进行焊接，焊接位置只需要预留很小的空间。而激光焊接头结构比较复杂，内部安装有镜片，传感器和气体保护装置等元件，体积较大，焊接时经常会出现焊接头因为干涉而无法进入预定加工位置。所以，设计激光焊接夹具设计时夹头体积尽量较少，预留足够的空间从而避免和焊接头的干涉。

（３）激光焊接夹具夹头设计具有更大的选择。电阻点焊焊点是实心圆圈，双边加工。激光焊接是单边加工，根据工件结构，焊缝可以是小短线、半圆线等各种轨迹的曲线。根据各种焊缝轨迹，激光焊接夹具夹头设计可以选择更多方式和不同形状。

２．４．２基于激光焊接工艺的车身设计制造改型探讨

目前车身结构大部分都是依据电阻点焊设计的，基于不同的焊接工艺，车身结构具有较大的差别，随着激光焊接在车身制造中的广泛应用，适宜激光焊的车身设计制造研究也愈加重要，德国大众等汽车公司在这方面研究和应用较早。和电阻点焊相比，激光焊接车身设计制造主要有以下不同：

（１）待夹紧部位的设计尽量采用平面，不采用曲面。由于激光是非接触无夹紧力加工，设计成曲面，为保证良好的贴合，夹具夹头也必须加工成与之贴合的

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头无法，工艺零部件数量越少越好，过多的零件数量需要夹头数量越多，很容易和焊接头产生干涉。

（３）保证零部件的冲压精度。零部件过大的变形给夹具的夹紧造成很大的困难，尤其是镀锌板的激光焊接的央紧。而且激光焊接属于精细加工，零部件的变形使得加工时实际聚焦焦点位置发生变化，而焦点位置对于焊接质量有很大的影响。

图２．１９激光焊接和电阻点焊凸缘结构图２．２０激光卷对接焊与电阻点焊车身结构（４）可以选择更多的接头形式。电阻点焊将覆盖件连接成车身结构，若电极不能伸入车身内部，则要求在连接部位留有凸缘，对凸缘夹持后进行焊接。电阻点焊必须依靠焊枪两电极夹持焊接部位才能完成焊接，因此凸缘是必不可少的，凸缘不仅影响车形美观，占有多余空间，而且消耗较多材料Ｈ副，如图２．１９所示，焊接结构ｌ和焊接结构２的焊接，要求凸缘宽度为１６ｍｍ，才能满足焊枪夹钳的夹持要求，保证焊接质量，激光焊接是单边非接触式加工，如果采用激光焊，凸缘宽度只需５ｍｍ。如图２．２０所示，采用激光卷对接焊时，凸缘部位完全可以省去，这也使得车身结构更加紧凑。

２．４．３车身焊装夹具定位设计原理与定位元件设计

汽车车身薄板件大多由薄板件构成，存在着刚性小、易变形、曲面多等特点，传统六点定位原理显然不适合汽车薄板件，车身覆盖件一般采用Ｎ．２．１定位原理进行定位，Ｎ．２．１定位原理认为：

（１）第一基准面上所需定位点数为Ｎ（Ｎ三３）

车身覆盖件厚度大多只有０．８～２ｍｍ，加工过程中，其最主要的偏差是工件法线方向的的变形，甚至其自重引起的变形就不可忽视，合理的夹具系统要求在第一基准面上施加多于三个定位点去限制这一方向的变形。其中的Ｎ，需要通过有限元分析或者经验确定。

（２）第二，第三基准面上所需的定位点为二个和一个在第二、第三基准面上分别需要二个和一个定位点去限制薄板件的刚体运

车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究

动。二个和一个定位点是完全足够的，因为实际加工所产生的力通常不会作用在这两个基准面上，以避免弯曲和翘曲。更进一步的分析表明，第二基准面上的两个定位点应布置在薄板件较长的边上。这是因为当两个定位点间距尽可能大时，零件将更稳定，同时还可以更好的弥补零件表面或定位元件的安装误差。

（３）禁止在正反两侧同时设置定位点

必须强调禁止在工件正反两侧同时设置定位点，因为甚至极小的几何缺陷都可能导致薄板件相对巨大的挠度和潜在的不稳定或翘曲。

车身焊装夹具设计的关键问题之～是设计最优定位点数并确定最佳位置，以实现工件的确定约束定位。如果工件仅靠接触区域几何形状便可完全约束，称为“形闭合’’，如果还必须借助摩擦才能完全约束，则称为“力闭合＂。通常“形闭合＂强调动态分析，“力闭合＂强调静态稳定。车身焊装夹具是形闭合Ｈ引。

车身焊接夹具定位元件确定了工件在夹具中的位置，焊接夹具设计时最重要的是选择各工件的定位基准，定位基准选择必须保证定位可靠、保证零件的加工精度要求，方便装配与操作，以及有利简化夹具结构等。根据基准重合原理，一般选择工件上重要的装配孔、工艺孔和装配面做定位基准，同时根据定位基准传递一致性，各个定位基准尽量保持一致，同时对总成尺寸的影响要小¨”。焊装夹具定位元件的选择应该具有降低残余应力和控制焊接变形的功能，和传统机加工夹具不同，车身薄板件焊装夹具很少采用定心夹紧中的定位元件，一般采用定位销定位，车身焊接夹具一般采用两销或多销定位，定位销采用圆柱销，顶端为圆锥形式，见图２．２ｌ，定位销直径大小略小于工件上的孔径，其位置精度一般小于０．１ｍｍ，尺寸公差为Ｏ～０．１ｍｍ。如果销的位置妨碍了工件的装卸，可以将销设计成移动式结构，移动销结构以气缸为动力源，见图２．２２。

图２．２ｌ定位元件图２．２２移动定位元件

２．４．４夹紧元件设计

薄板件焊装夹具的夹紧部分有气动央紧和手动夹紧两种，手动夹紧以四连杆２４

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快速央紧器用的最多，其灵活方便，但生产效率低；气动夹紧的效率高，夹紧力较大，但是对场地、设备的要求较多，现代化汽车装焊生产一般采用气动夹紧。压紧的顺序，一般是重要的零件和主要定位先压紧，非重要的零件和次要定位后压紧。在满足夹紧要求的前提下，要充分考虑机器人以及焊接头的工作空间，避免互相干涉，便于工件的装卸、可检测性、便于维修和更换Ｈ７１。

激光焊缝一般为一条短缝，夹具央紧时必须保证板间间隙基本一致，所以相对于电阻点焊，激光焊接夹头面积更大，而且夹头较多，很多地方都是双夹头甚至是三夹头，见图２．２３所示。

图２．２３夹紧元件

２．４．５柔性夹具试制

柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能适应这种变化并继续使用的应变能力。柔性的关键在于ＸＹＺ三维可调，采用标准化，模块化设计思想，方便快速更换。我们设计了三种夹具方案并制造出了实物，通过实践分析比较选择最佳方案。图２．２４激光柔性焊接夹具方案一

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（１）方案一底板采用Ｔ型槽底板，Ｚ方向依靠支撑板和Ｌ支座的Ｕ型槽调节实现。ＸＹ方向的调节依靠Ｌ支座和Ｔ型槽调节实现。可换型块侧面固定在支撑板上能够起到加强固定可换型快的作用。如图２．２４所示。

（２）方案二底板采用阵列孔底板，Ｚ方向靠支撑板和Ｌ支座间断调节以及可换型块调整垫片调节实现，Ｘ方向依靠Ｌ支座的Ｕ型槽和连接板调节实现，Ｙ方向由连接板的Ｕ型槽和阵列孔底板来实现。如图２．２５所示

图２．２５激光柔性焊接夹具方案和连接板

（３）方案三采用阵列孔底板，Ｚ方向依靠螺柱和套筒支座之间的螺纹调节实现，并通过压紧螺母紧固螺杆和套筒，ＸＹ方向由套筒支座的Ｕ型槽和阵列孔底板调节实现。如图２．２６所示。

图２．２６激光柔性焊接夹具方案三和调节螺柱图

通过对上述三种方案分析比较，方案三调节范围有限，稳定性和刚度难以保证，槽式基础平板加工成本较高，而且精度较难保证，所以选择阵列孔基础平板。故倾向于综合方案一和方案二的一种新方案，如图２．２７所示：

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１．底板２．连接板３．Ｌ支座４．气缸５．支撑板６．肋向支座７．可换型块８．连接片９．压杆

图２．２７激光柔性夹具方案图

通过底板与连接板、连接板与Ｌ支座、Ｌ支座与支撑板可以实现ｘＹｚ三个方向的调节。

ＸＹ方向调节：连接板上的腰型槽和底板的螺纹孔实现Ｘ方向调节，Ｌ支座的腰型槽和连接板实现Ｙ方向调节。

Ｚ方向调节：Ｚ方向采用Ｌ支座的Ｕ型槽和支撑板调节。

基础平板阵列孔设计成直径①ｌＯ的螺纹孔，孔间距为４０ｍｍ×４０ｍｍ，而该夹具水平方向ＸＹ调节范围分别为４５ｍｍ和４０ｍｍ。垂直方向Ｌ支座的Ｕ型槽调节范围为３０ｍｍ，同时Ｌ支座和连接板设计为不同高度系列，当工件尺寸变化较大时，可方便更换。所以，此柔性夹具可以实现三维无级调节。定位元件确定了工件在夹具中的位置，车身焊接夹具一般采用两销定位，定位销采用圆柱销，顶端为圆锥形式。如图２．２８所示为阵列孔底板图，如图２．２９所示为采用上述设计方案设计的车门分总成的柔性焊接夹具。

图２．２８夹具阵列孔底板

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图２．２９车门分总成的柔性焊接夹具图

２．５本章小结

本章主要研究了白车身切割焊接生产线和柔性焊接央具。生产线部分首先分析了工件的结构及其加工工艺，其次对生产线总体布局进行了设计，最后通过综合比较分析，对该生产线主要设备进行了选型。柔性夹具部分首先分析了激光焊接夹具的特点，其次探讨了基于激光焊接工艺的车身结构设计制造改型，然后对夹具定位元件和夹紧元件进行了设计，最后设计和试制了激光柔性焊接央具。