汽车前纵梁激光填丝焊数值仿真与关键工艺研究

摘要

汽车白车身激光焊接已经成为了近年来推动汽车轻量化技术发展的先进制造技术之一，在汽车工业中的得到了越来越广泛的应用。激光焊接技术应用于汽车白车身焊接，特别是对接接头的焊接，大大提高了车身的强度和刚度，增加了车身的安全性；减少了搭接接头的搭接宽度，节省了材料，有效降低了车身重量，有利于车身的轻量化。
　　但是传统的激光对接焊对工件装配间隙要求比较严格，据现有研究成果表明，其所能允许的最大间隙为工件厚度的18％左右，这大大地限制了激光焊接在车身制造中的应用。而激光填丝焊正好弥补了这一缺陷，通过添加焊丝，一方面可以降低装配要求，减少焊前的机加工程序；另一方面，可以通过添加焊丝来调节焊缝冶金成分，以满足使用性能的要求，并可实现某些难以焊接的材料如高强铝合金的连接。
　　本文选取某型号汽车前纵梁作为特定研究对象进行了激光填丝焊SYSWELD仿真实验及工艺实验，并对三维结构件在填丝焊焊接过程中容易出现的拐角过烧问题进行了理论分析，并且提出了初步的解决方法。
　　首先，应用专业焊接仿真软件SYSWELD对填丝焊进行了仿真研究，包括模型建立、网格划分、热源选取及校核、前处理、计算及后处理等程序，得出了在不同速度、不同功率条件下的温度场和应力场仿真结果，为后续的工艺实验做出了一定的指导。
　　其次，从SYSWELD仿真结果出发，对于在三维件焊接过程中容易出现的拐角过烧问题进行了理论研究，选取模型拐角处的四个关键节点进行分析，得出了解决拐角过烧的初步方案，并通过改变激光入射角进行工艺实验，得出了能够实现良好焊接的激光入射角范围，对三维结构件的激光焊接有一定的指导作用。
　　再次，参考仿真结果得出的工艺参数，并利用正交试验进行了前纵梁的激光填丝焊工艺研究，通过焊缝形貌分析、取样检测硬度、金相实验等，检验了焊接质量，并通过碰撞实验及与电弧焊焊接的前纵梁进行对比发现，激光填丝焊焊接的前纵梁更符合设计的预期目标。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 激光焊接技术及其应用

1.2.1 激光焊接机理

1.2.2 激光焊接在车身制造中的应用

1.3 激光填丝焊概述

1.3.1 加工原理

1.3.2 送丝速度的确定

1.3.3 激光填丝焊的特点

1.3.4 填丝焊研究现状

1.4 激光焊接模拟仿真

1.4.1 仿真概述

1.4.2 模拟仿真的优点

1.4.3 开展激光焊接模拟仿真的意义

1.4.4 激光焊数值模型的分类

1.5 本文的主要研究内容

第2章 SYSWELD仿真

2.1 SYSWELD简介

2.2 有限元模型的建立

2.3 热源的选取

2.3 热源校核

2.4 前处理

2.4.1 网格划分

2.4.2 组的划分

2.4.3 约束条件设置

2.5 计算及求解

2.6 温度场仿真结果分析

2.6.1 焊接速度对温度场的影响

2.6.2 激光功率对温度场的影响

2.7 残余应力场分布云图

2.7.1 焊接速度对残余应力场的影响

2.7.2 激光功率对残余应力场的影响

2.8 残余应力曲线图

2.9 焊接变形的模拟结果

2.10 本章小结

第3章 拐角过烧问题理论分析与解决措施

3.1 拐角过烧问题的提出

3.2 拐角的建模与仿真结果分析

3.2.1 模型的建立及实验参数选定

3.2.2 仿真结果分析

3.3 拐角过烧问题的解决方法初探

3.3.1 在特定激光功率条件下选择合适的焊接速度

3.3.2 在特定焊接速度条件下选择合适的激光功率

3.3.3 改变激光入射角

3.4 本章小结

第4章 前纵梁激光填丝焊实验

4.1 实验设备

4.1.1 激光器及附属设备

4.1.2 机器人

4.1.3 送丝机

4.1.4 焊接夹具

4.1.5 检测设备

4.2 实验材料

4.2.1 工件材料

4.2.2 焊丝

4.3 实验过程

4.3.1 正交实验设计

4.3.2 工艺实验

4.3.3 碰撞实验

4.4 实验结果及分析

4.4.1 焊缝外观形貌

4.4.2 金相组织分析

4.4.3 显微硬度分析

4.4.4 碰撞结果分析

4.5 本章小结

总结及展望

参考文献

致 谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文及专利目录)