激光焊接(1)
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激光焊接(1)
双击自动滚屏
发布者：chianweld
发布时间：2/28/2007 阅读：<font color="#FF次
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& & （一） & & 1&
196019641965CO2YAG1 21 CO2Nd:YAGNd:YAGNd:YAGReady1971106W/cm2 2070CWPW1msPm5kWJp15J&#402;≤1HzPaNdYAG1kW CO22070CO2CO2CO2CO220kW1215kW CO2CO2CO2CO2 NdYAG1.06μm1.06μmCO21.06μmCO21.06μmNdYAG1.06μm4kWCO22080NdYAG2001000W5100J/0.110ms200Hz2kW CO2CO2NdYAGNdYAG4kWNdYAGNdYAG1kW50CO2NdYAG 10kW/mm2NdYAGCO21.06μmNdYAG1.06μmNdYAGNdYAGNdYAGCO2NdYAGCO2NdYAGNdYAG
<SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.1& 金属材料对激光的反射
AuCuMo80 EoEREAET，如前所述有： &&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&Eo＝ER＋EA＋ET &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1RAT&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1
&&& R──反射率； A──吸收率； T──透射率。 对于不透明的材料，ET＝O，则有 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1RA <SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.2& 金属材料对激光的吸收
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& qv (z)
qvo (1－R)e-αz&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （2） 式中&&& &&qv (z)qvo──分别为距固体表面z处和表面上的体积功率密度，W/cm3； R──反射率； α──吸收系数，cm-1，多数金属的吸收系统α≈105～106cm-1。 激光吸入金属材料的深度，只限于表面下10-5cm的范围。根据现代的研究认为：光子的能量主要被导电电子所吸收，电子气在10-11～10-10s内将能量传给晶格，在时间大于10-9s以后便可以认为电子气温度与晶格温度相等了，从而建立起金属表面的总温度T的概念。所以激光对金属的加热，可以看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，其向金属深处的传播遵循一般的热传导规律。 金属对波长1.06μmCO22。 在熔化温度时，吸收率急剧增加。多数金属在熔化使其电导率急剧减小到1/2～1/3，这就必然导致反射率与导热率的突变。表面熔化后吸收率的增大，对激光焊接提供了有利条件。图2还表示出在固态时由于使用表面涂层而使吸收率提高的情况。
激光作用下金属表面将发生非常复杂的变化，在激光的照射下材料表面被加热并向材料深处传导，激光功率密度增大时表面将熔化，功率密度进一步增大，金属表面将瞬时汽化。功率密度更高时，表面附近的金属蒸气及气体变为等离子体，反而对激光起到屏蔽作用，激光为相干光，辐射于材料表面时，如遇到微粒或台阶，被反射而沿材料表面传播的等波长的光波，会与辐射的激光波相干涉，而在熔融的表面上形成同心圆或平行于台阶的波纹。 功率密度很大的激光脉冲作用于材料的表面时，材料瞬时汽化，汽化粒子高速飞出对表面产生很大的反冲力，在材料中形成很强的冲击波，因而能对材料进行冲击硬化。 激光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。光波入射材料时，材料中的带电粒子随着光波电矢量的步调振动起来。由于电子比较轻，通常被光波激发的是自由电子或束缚电子的振动。红外光的频率较低，它也有可能激起非金属中比较重的带电粒子（离子）的振动。由于带电粒子的振动，原子将成为振荡电偶极子而辐射出次电磁波──次波，次波之间以及次波与入射波之间是相干的，从而形成一定的反射波和透射波。 综上所述，物质吸收激光后首先产生的不是热，而是某些质点的过量能量──自由电子的动能、束缚电子的激发能、甚至还有过量的声子。这些有序的原始激发能要经历两个步骤才能够转化为热能。第一步是受激粒子运动的空间和时间随机化。这个过程在粒子的碰撞时间（弛豫时间）内完成，这个时间比最短的激光脉宽还要短，甚至可能短于光波周期。第二步是能量在各质点间的均布。这个过程包含有大量的碰撞和中间状态，而以非金属材料尤甚。其中可能存在若干能量转换机制，每种转换又具有特定的时间常数。例如，金属中受激运动的自由电子通过与晶体点阵的碰撞将多余能量转化为晶体点阵的振动。 为描述激光辐照的热效果，人们常常忽略复杂的、具体的弛豫途径，而用一种的能量弛豫时间τE表示辐射区内能量均匀化过程的特征。对于金属来说，τE的典型值为10-13s；而对于非金属，τE＝10-12～10-6s。具体数值与材料和辐照激光的功率密度有关。总之，弛豫时间很短，除非讨论用锁模超短脉冲激光辐照材料的瞬变过程，对于一般激光加工，均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的。在这个瞬间，热能仅仅局限于材料的激光辐照区。通过随后的热传导，热量由高温区向低温区流动。 2.1.3& 激光作用终止，熔化金属凝固 焊接过程中，工件和光束做相对运动，由于剧烈蒸发的驱动力使小孔前沿形成的熔化金属沿某一角度得到加速，在小孔的近表面形成如图3所示的大旋涡，此后，小孔后方液体金属由于传热的作用，温度迅速降低，液体金属很快凝固形成焊缝。
2.2& 激光焊接原理 按激光束的输出方式的不同，可以把激光焊分为脉冲激光焊和连续12:14 1mm1kW1m/min1.5mm104W/mm2 1 105W/cm2＜1mm）、小工件的焊接加工。 （2）深熔焊 当激光光斑上的功率密度足够大时（≥106W/cm2），金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化或汽化，产生的金属蒸气以一定速度离开熔池，逸出的蒸气对熔化液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深；另一方面，向坑外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周，此过程连续进行下去，便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。如果激光功率足够大而材料相对较薄，激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接受到部分激光，这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看，这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔，两者没有本质的区别，小孔周围为熔池金属所包围，熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势，而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动，小孔将随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。
① 聚焦后的激光具有很高的功率密度（105～107W/cm2或更高），焊接以深熔方式进行；由于激光加热范围小（＜1mm）在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度高，热输入小，热影响区小，焊接应力和变形小。 ② 激光能发射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可以进行远距离或一些难以接近的部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。 ③ 一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，一机多用。 ④ 激光在大气中损耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适用于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料；激光不受电磁场影响，不存在X射线防护，也不需要真空保护。 ⑤ 可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃；焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感的材料的焊接。 ⑥ 属于非接触焊接，接近焊区的距离比电弧焊的要求低，焊区材料的疲劳强度比电子束高。与电子束焊相比，不需要真空设备，而且不产生X射线，也不受磁场干扰。 ⑦ 当激光束进入熔融孔道时，光束反复反射并与孔壁金属表面相互作用（即壁聚焦效应）过程中。如遇到夹杂物（如氧化物、硅化物）时，便首先被吸收。不纯杂质有选择地被加热并被汽化而逸出焊。激光焊接焊透的韧性与母材相当或高于母材。在SMA焊、GMA焊、激光焊、电子束焊四种焊接方法中，激光焊接的硬度最高，又由于热影响区极窄，对金属组织变化的影响可不作考虑。 目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍是：激光特别是高功率连续激光器，价格昂贵；对焊件加工、组装、定位要求很高；激光器的电光转换及整体效率很低。 3& 激光焊接的分类及其实现方式 YAGYAGYAGCO2 105W/cm2105W/cm2
1 0.1mm 2 ① 脉冲能量和宽度& 脉冲激光焊时，脉冲能量主要影响金属的熔化量，脉冲宽度则影响熔深。 ② 功率密度& 激光焊接时功率密度由下式决定： &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&4E &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ρ＝ ───&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （3） πd2tp &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中&&& ρ──激光光斑上的功率密度，W/cm2； E──激光脉冲的能量，J； d──光斑直径，cm； tp──脉冲宽度，s. ρ达到106W/cm2时，将产生小孔效应，形成深宽比大于1的焊点，金属略有汽化，但汽化量很小，不影响焊点的形成。在前面两种功率密度之间焊接时，焊接过程不稳定，难以获得良好焊点。ρ过大后，金属汽化的很激烈，导致汽化金属量过多，在焊点中形成一个不能被液态金属填满的小孔，而不能形成牢固的焊点。 3.2&
<SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.1& 热传导焊的工艺参数 1 ＞106W/cm2），在微秒级时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度（＜106W/cm2），表层温度达到沸点需经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此在传导型激光焊接中，功率密度的范围在104～106W/cm2。 qc1 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 0.886TmK &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& qc1──────&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （4） &&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（ατ1）1/2 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
qc2 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 0.886TvK &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& qc2──────&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （5） &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （ατ1）1/2 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
qc1 qc2TmTvKατ 2 6098
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& qozmax 1.2K (TvTm)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&6 6qc2 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 0.886TvK &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& qc2──────&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&（7） &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （ατ1）1/2 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
τ& 1 &&为激光脉冲宽度，τ& 1&&& &&&&&qc2τ& 1&&& &&&& 1/20.1mm1ms3ms7ms1mm
o& &&& &#402;──聚焦透镜焦距； 1──聚焦前光束腰部半径； d1──1
<SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.2& 热传导激光焊的接头形式 0.15t0.25t0.25tt 5 3.3&
<SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.1& 原理 Key-hole25000℃ <SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.2& 主要参数 1
CO21.06μm 4
6 63254mm126mm189mm2kW1.06μmCO2 7
1/4 8 10℃ <SPAN lang=EN-US style="FONT-FAMILY: 仿宋_GB.3& 激光深熔焊特征及优、缺点
① 高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱性高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而宽。 ② 最小热输入。因为源腔温度如此高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。 ③ 高致密性。因为充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。 ④ 强固焊缝。因为灼热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。焊接过程中无需或填充焊丝，熔化区受污染少，使焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。 ⑤ 精确控制。因为聚焦光点很小，焊缝可以高精度定位。输出激光束无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用自控光束移动技术则可焊接复杂金属。 ⑥ 非接触、大气焊接过程。因为能量来自光子束，与工件无物理接触，因此没有外力施加于工件。另外，磁和空气对激光都无影响。 激光深熔焊的优点： ① 由于聚焦激光束比常规方法具有高的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都比较小，还可焊接钛、石英等难焊材料； ② 因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以负荷系数和生产效率都高； ③ 由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强度、韧性和综合性能高； ④ 由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加工费用，激光焊接运转费用也较低，从而可降低工件成本。 ⑤ 容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效控制。 激光深熔焊的缺点： ① 熔深有限； ② 工作装配要求高； ③ 激光系统一次性投资高。 4& 激光焊接设备 4.1&
xyxyxy360°xyz±180°的摆动。在中小型激光焊接设备中，为了降低成本，一般采用二维的小型工作台。 （4）辐射参数传感器 主要用于检测激光器输出功率，并通过控制系统进行实时控制。 （5）工艺介质输送系统 焊接时该系统的主要功能如下： ① 送惰性气体，保护焊缝； ② 功率CO2焊接时，由于熔池温度高，往往在其上方产生蒸气等离子体，该等离子体会对光束产生和反射，减小能量利用率，使熔深变浅，这时，输送适当的气体可将焊缝上方的等离子体吹走。 ③ 针对不同的焊接材料，输送适当的混合气以增加熔深。 （6）工艺参数传感器 主要用于检测加工区域的温度、工件的饱满状况以及等离子体的亮度等参数，通过控制系统进行必要的调整。 （7）控制系统 主要作用是输入参数并对参数进行实时显示、控制、进行程序间的互锁、保护以及报警等。 （8）准直用He-Ne激光器 一般采用小功率的He-Ne激光器，进行光路的调整和工件的对中。 以上是激光焊接设备的典型组成，实际上，由于应用场合不同，加工要求不同，上述的8个部分不一定一一具备，各个部分的功能也差别很大，在选用设备时可酌情而定。 完整的激光焊接、切割设备由激光器、光束传输和聚焦系统、焊炬或切割、工作台、电源及控制装置、气源和水源、操作盘、数控装置等组成。焊接用激光器特点见表1。 1&
& CO22 ① 激光器& CO2激光器按照气冷方式分为低速轴流型、高速轴流型、横流型及早期的封闭型。 ② 光束传输和聚焦系统& 又称为外部光学系统，用来把激光束传输并聚焦在工件上，其端部安装提供保护或辅助气流的焊炬或割炬。 ③ 气源& 目前的CO2激光器采用He、N2、CO2混合气体作为工作介质。 ④ 电源& 为保证激光器稳定运行，均采用快响应、恒稳性高的固态电子控制电源。 ⑤ 工作台& 伺服电机驱动的工作台可供安放工件实现焊接或切割。 ⑥ 控制系统& 多采用数控系统。 表2& 不同CO2激光器的性能特征
CO2YAG3 3&
& 1CO2 CO223TEM0035kWCO21045kW20kW25mmCO210kWArHe 2YAG YAGQYAG2Db/kmGI (Graded Index)
SI (Step Index) GIGeSIYAGYAG23kW610kW NdYAG7 NdYAGCO2NdYAGNdYAGNdYAG200m8 YAGPlumeCO2YAGLD 3LD LD200110kWRodSlab3kW& LDSlab2030mm LDHassLD1kW10kW 4 26kW 5 CO2YAGTIGMIGMAG2MIGCO2YAGYAGNi 6 ① NJH-30钕玻璃脉冲激光焊机& 该机是点焊、打孔两用机，主要技术参数如下： 激光波长&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 1.06μm&&&&&&&&&&&&&&& 重复频率&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&1～5Hz
额定输出能量&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 30J/6ms&&&&&&&&&&&&&&& 激光发散角&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 2rad/m 最大输出能量&&&&&&&&&&&&&&&&& 130J/0.5ms&&&&&&&&&&&&&&&
NJH-30型钕玻璃脉冲激光器采用双灯泵、双椭圆激光器。谐振腔采用长腔和短腔两种，分别适用于打孔和焊接。 在加工时，激光聚焦、内照明、显微观察和电视摄像监视系统共一个光轴，定位精确、观察方便和操作简单。设计的像平面光路系统在保证激光输出的能量的前提下可改善加工质量，减少激光能量参数的影响。配以三坐标的工作台，可方便地用于各种零件的加工。 ② C-506快速轴流式CO2激光器& 该激光器采用轴向快流技术，激光器的结构更为小巧紧凑，主要技术参数如下： 激光波长&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 10. 6μm&&&&&& 功率稳定度&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ±2％
输出功率&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 500W&&&&&&&& 激光模式&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&主要TEM00 脉冲峰值&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 2500W&&&&&&&&&&&&
③ HCL-81型横流式CO2激光器& 采用密封不锈钢壳体，配有冷水和真空系统，其参数为： 额定输出功率&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 2000W&&&&&&&& 激光模式&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 高阶多模 功率稳定度&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ±5％&&&&&&&& 光束直径&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&约30mm &
　　　 　　　
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地址:大连市甘井子区东纬路472-2号1单元1层6号公建变截面薄板在车身制造中的应用研究-无忧基地机械频道-
变截面薄板在车身制造中的应用研究作者：&&信息来源:同济大学机械学院 杜继涛 齐从谦&&字体大小:&&&&摘 要：分析了汽车轻量化的技术内涵和主要途径，指出在车身制造中采用变截面薄板是汽车自身减重且能够提高汽车性能的有效措施。重点介绍了激光拼焊板和柔性轧制技术，着重讨论了连续变截面辊轧板（TRB）在汽车轻量化中的应用，并给出了TRB在车身制造应用中尚需深入研究的重点。关键词： 变截面薄板 拼焊板（TWB） 变截面...摘 要：分析了轻量化的技术内涵和主要途径，指出在车身制造中采用变截面薄板汽车自身减重且能够提高汽车的有效措施。重点介绍了激光拼焊板和柔性轧制技术，着重讨论了连续变截面辊轧板（TRB）在汽车轻量化中的应用，并给出了TRB在车身制造应用中尚需深入研究的重点。
关键词： 变截面薄板 拼焊板（TWB） 变截面辊轧板（TRB） 车身制造
中图分类号：TG310，U463
汽车工业已经成为我国民经济的支柱之一，据最新统计资料显示，我国已成为世界第4大汽车生产国。伴随着我国现代化进程，汽车工业的发展将会有着更为强劲的势头。然而，汽车在带给们迅捷与方便的同时，也带来很多负面的影响，其中最令人关注的就是由汽车引来的全球能源短缺和尾气排放对人类生存环境的污染问题。针对汽车工业面临的可持续发展问题，本文首先分析汽车轻量化的技术内涵和实现途径，进而介绍变截面薄板及其在汽车白车身制造中的应用。
1 汽车轻量化的内涵和途径
1.1 汽车轻量化的技术内涵
不论是以内燃机为动力的燃油车，还是以新型燃料为动力的电动车或者混合动力汽车，减轻汽车自身的重量――汽车轻量化问题应该是消除上述负面影响的一剂良方。因为汽车自重越轻，需要的引擎也就越轻，耗油或耗电就会更低，同时尾气排放量（对于燃油车）也越小。汽车轻量化将成为汽车工业发展中的一项关键性研究课题。
然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化而已。首先应保持汽车原有的性能不受影响，即既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。
汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化的使用两大方面[1]。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，在用材方面可以通过材料替代或采用新材料来达到汽车轻量化的目的[2、3]。
1.2 实现汽车轻量化的主要途径
据统计，汽车车身、底盘（含悬挂系统）、三大件约占一辆轿车总重量的65％以上。其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应，是汽车轻量化的重要途径。
为减轻白车身的重量，首先应在白车身制造材料方面寻找突破口。具体说来可以有如下几种方案：
1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；
2）使用同密度、同弹性模量而且性能好的截面厚度较薄的高强度钢；
3）使用基于新材料技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。
方案1）和2）是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的。而方案3）是从材料加工的角度出发，使经过特殊加工后的钢板材料的承载性能、成形性能或者其他方面的性能大大提高。就是本文进一步要探讨的车用变截面薄板。
2 变截面薄板
用于车身制造的变截面薄板分为两种，一种是激光拼焊板（Tailor Welded Blanks，TWB），另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板（Tailor Rolling Blanks，TRB）。下面分别介绍这两种变截面板的制作工艺。
2.1 TWB生产工艺
TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，采用激光焊接技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，其加工过程如同裁缝在缝制衣服，用于成形的金属板就像服装面料那样被随心所欲地裁减和拼接，然后再进行冲压。这样，冲压工程师可以根据车身各个部位的实际受力和变形的大小，预先为某车身部件定制一块理想的拼接板料，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。由于TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性，并且能按照等强度的概念优化设计一些原来是等厚度的车身零部件，并进而把它们由原来的锻造加工转换为冲压加工，既提高加工效率，又节省加工能源。
但是，TWB也有它的不足之处，一是在板料的拼接处存在着板料厚度的突然变化，这给冲压的设计、制造带来新的难题；二是在拼接焊缝及其附近区域有比较明显的加工硬化现象，使在后续的冲压过程中容易产生裂纹，造成隐患，往往不得不增加一道工艺来消除这种硬化效应。
2.2 TRB的柔性轧制工艺
TRB是通过一种新的轧制工艺――柔性轧制技术而获得的连续变截面薄板。即在钢板轧制过程中，可以通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材，见图1。这样的变截面薄板经加工后制成的汽车零部件将具备更好的承载能力，且明显的减轻了重量。
图1 TRB柔性轧制工艺
Fig. 1 TRB flexible rolling tcchnology柔性轧制技术是TRB的核心。其实质类似于传统轧制加工方法中的纵轧工艺，但其最大不同之处是在轧制过程中，轧辊的间距可以实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着轧制方向上具有预先定制的变截面形状。在柔性轧制过程中，可以通过计算机对轧机的实时控制来自动和连续地调整轧辊的间距，从而实现由等厚度板卷到TRB板卷的轧制。这还要求在设计车身时必须预先考虑到后续成形加工中钢板各个部位的实际受力和变形以及整个车身的承载情况，在轧制之前选定有利于后续加工的板料型面，然后再通过柔性轧制工艺将其轧制出来。当前设计领域中，已经具备相当成熟和功能强大的/CAM/CAE软件，这种优化设计可以通过DFM/DFA（面向制造的设计和面向装配的设计）等手段予以实现。
2.3 TWB与TRB的比较
可以从以下几个方面对二者进行比较：
1）减重效果 TWB和TRB 的应用都是为了达到汽车轻量化的目的。基于工程中薄壁梁承载性能的基本理论，并以等厚度薄板作为参照，若由等厚度板、TWB及TRB三种板材制成的结构件具有同样的刚度，则其减重效果如图2所示。
图2 等刚度条件下不同截面厚度的薄板减重效果
Fig 2 Lose-weight effect of variable section thickness blanks in intrinsic rigidityTRB 之所以具有极佳的减重效果归功于它的连续变化的截面形状，也就是说，用最少重量的TRB材料制成的车身结构件能达到其他两种板料一样的刚度。
2）性能和应用效果 由于TWB存在厚度突变和焊缝的影响，且焊接添加与被焊接基材在材料特性上必然有一定差异，致使TWB在沿度方向上的硬度也会发生跳跃式的变化，如图3 a）所示。
这将为后续的加工带来极为不利的影响。再就是TWB的焊缝从外观上来说即使采用任何涂装措施也无法彻底掩盖，因此它不适宜用作车身外覆盖件材料，而一般用来制作内覆盖件或支承结构件。相比之下，TRB具有较好的机械性能，其在沿长度方向上的硬度变化比较平缓，没有TWB那样的硬度和应力波峰，具有更佳的成形性能；TRB所制成的零部件厚度可以连续变化，以适应车身各部位的承载要求；其表面变化是连续、光滑的，因而可以制作各种车身外覆盖件。参见图3 b）。
3）工艺复杂程度 TWB可以通过激光焊接工艺进行任意拼接，因此具有很大的灵活性。但由于它是不同厚度板材的对接或搭接，致使在拼接处板料厚度有突变，此外在焊缝及其附近会产生局部硬化，所以不得不增加一道热处理工艺来消除硬化效应，从而加大了工艺复杂程度。TRB则是靠柔性轧制工艺在不同厚度的板料之间形成一个连续的、缓变的过渡区，不存在TWB的焊缝问题。但它的不足之处是受轧制工艺和轧机设备的限制，其厚度变化只能发生在板料的初始轧制方向上；此外，现有的轧制工艺还无法把不同金属材料的板料“轧制”在一块整板上；即在灵活性上不如TWB。
由以上对比分析可知，TWB和TRB在减重、机械性能、制造工艺等方面各有自己的特色和不足之处；从综合指标来看，TRB具有更大的优势。因此，为达到汽车轻量化的目的，似有一种更好的方案：即把TRB与TWB组合在一起，制成真正意义上的“任意拼接板”（Tailored Blanks）。优势互补，从而得到一种新型的汽车轻量化用材。 图3 沿板料长度方向TWB与TRB硬度变化比较
Fig.3 compare variation of hardness TWB with TRB along longness of sheet materials3 TWB/TRB在汽车车身制造中的应用及研究重点
3.1 TWB/TRB为汽车轻量化带来的好处
鉴于TWB/TRB具有上述一系列的优良特性，采用TWB/TRB制造轻量化的车身零部件，能够带来如下一些好处：
1）TWB/TRB的厚度分布可以根据车身零部件所受到的载荷来调整，即所谓“度身定做”，使车身零部件的重量大大减轻，且性能得以提高。
2）TWB/TRB的截面形状可以预先选择，使采用TWB/TRB冲压成型的车身零部件具有更好的抵抗变形的能力。
3）TRB连续变化的截面提供了有利于后续成型加工的可能性。比如，事先运用有限元分析或数字模拟技术判断车身覆盖件在冲压过程中可能出现拉裂或材料流动性较大的部位，那么，在车身设计阶段就可以为某一部件的某个部位预先分配较大的板料厚度，从而有效地避免废品的发生。
3.2 应用实例
在一些汽车制造强国（如德国），TWB和TRB已经开始投入汽车工业的实际应用之中。
图4 a）所示为一个用在“奔驰”E级轿车上的TRB原型零件[4]。这个由TRB冲压成型的“侧框”位于轿车后部，左右对称。前端板料厚度为0.88mm，与左右侧围相接，后端板料厚度为1.15mm，恰是汽车追尾时的敏感部位，中间区域板料厚度均匀过渡。如此设计制造，匠心之所在不言而喻。
图4 b）和图4 c）所示为另外两个TRB在汽车车身零部件制造中的应用实例。图4 b）所示的零件是“克莱斯勒”轿车上的一个横梁，用TRB代替原来的等厚度板料，零件重量减轻25％，而且承载性能得到了提高。图4 c）所示是“大众”轿车上的一个边梁，其承受较大载荷的弯曲部位的板料厚度为3.0mm，而两端的板料厚度仅分别为2.0mm和1.5mm，减重幅度达到45％。 a) 后左（右）侧框 b) “克莱斯勒”轿车车身横梁c) “大众”轿车车身边梁
图4 用TRB冲压成形的车身零部件
Fig .4 auto-body parts of stamping in TRB3.3 TRB应用中的研究重点
目前,围绕着TRB的加工和应用方面的研究还不是十分成熟，还有不少深层次的理论问题和技术问题有待研究。比较突出的重点有以下几个方面：
1）车身覆盖件冲压模具的设计 用普通等厚度板材冲压成型的车身覆盖件模具的设计已经是相当复杂的工作，更何况变截面薄板的冲压成形的模具设计。因为对于变截面薄板来说，原来基于等厚度板材所建立的力学本征、数值仿真模型及三维几何模型都不再完全适用了。需要花大力气重建这些模型和设计覆盖件模具。但可以借鉴学术界和工业界已经在车身模具设计、制造方面积累了大量的知识和经验，从中再挖掘其不同之处定能找到新的出路。
2）变截面薄板冲压过程中的变形 学术界和工业界通过有限元分析及数值模拟等手段已经基本上摸索出等厚度薄板冲压成形和材料流动的规律，并成功应用于生产实践。变截面薄板的引入使车身覆盖件的冲压成形过程变得更为复杂，在同样的压边力和拉伸力下，板料各个部位的变形都不均匀，成形过程控制更难；必须建立新的数学模型，开展以高性能计算机为基础的三维数值模拟来营造“虚拟现实（Virtual Real）”环境，以预测变截面薄板在冲压过程中的变形和材料流动情况，从而找出相应的对策。
3）板料回弹 对于等厚度薄板冲压卸载后工件回弹量的精确补偿，与材料本身的物理非线性、力学上的边界非线性和模具型腔的几何非线性等密切相关，工程上往往是结合现场实验来获取一些数据，再进行工程分析，即确定材料的弹塑性本构关系、各种应力应变及材料的各相异性等参数，以有限元仿真、数值模拟的手段来进行预测，修改原覆盖件三维设计模型，最终获得一个与所要求的工件模型不同的模具型腔模型，以解决回弹量的补偿。而对于TRB来说，由于其本身结构的特殊性，即沿轧制方向连续变化的截面形状及由此引出的材料机械性能的非均一化，将会使工件回弹问题变得更为复杂。显然，要真正使TRB获得大规模工业应用，必须对TRB的回弹问题进行深入的研究，以冀掌握TRB回弹的机制、比较精确地控制和补偿回弹量，最终获得令人满意的TRB材料车身零部件。在这一方面，以德国亚琛工业大学金属成型研究所（IBF of Aachen University）Reiner Kopp为首的研究队伍与工业界密切合作，已经开始了一些探索性的研究工作，并取得初步的成果；我国上海交通大学模具技术研究所也在开展类似的研究[4、5]。
1）汽车轻量化对于汽车工业的进一步发展具有十分重要的意义。
2）在汽车车身制造中采用变截面薄板以减轻车身自重，并提高车身抗振性能和承载性能，是汽车轻量化的重要途径之一。
3）应当进一步地在车身设计中深入开展变截面薄板（TRB、TWB）的应用、柔性轧制工艺以及相应的冲压模具设计、探索变截面薄板在冲压过程中的变形规律及工件回弹机理、回弹量控制、补偿等方面的研究，以扩大变截面薄板在汽车白车身制造中的应用空间。
参 考 文 献
1 M.Geiger, Manufacturing science-Driving Force for Innovation, Proceedings of the 7th ICTP, Vol.1, Oct. 28～31, 2002, Yokohama, Japan, p. 17～30
2 黄良驹、杨慎华、寇淑清等，汽车变截面板簧精密辊锻工艺及自动化装置，锻压机械 2001.6，p. 30～35
3 刘建华、胡伦骥、熊建钢等，汽车用薄钢板的激光拼焊，中国机械工程，1996. 4. p. 95～97
4 R.Kopp, P. Boehlke, Ch. Wieedner, A.Erbert, Weiterverarbeitung von Tailor Rolled Blanks Akutuelle Forschung am IBF, 16. Aachener Stahlkolloquium Umformtechnik, 2001
5 包向军. 变截面薄板弯曲成形回弹的试验研究和数值模拟，上海交通大学博士论文，2003.6
Research on Applications of Variable Section Blanks in the Auto-body Manufacturing
Du Ji-tao1,2 QI Cong-qian1
(1. Tongji University Shanghai . University of Shanghai for Science and Technology Shanghai，200093)
Abstract：The important signification of the auto-lightweight for auto-industrial is discussed,. Its technologies and primary methods are analyzed, pointed out that using variable section blanks in auto-body manufacturing is the efficient measure for the reduction of auto-weight and improvement of auto-capabilities. The applications of TWB(tailor welded blanks) and TRB(tailor rolling blanks) are focused for auto-lightweight and a few of researching keys of the TRB’s applications in auto-body manufacturing aregiven.
Key words： variat tailor welded blanks（TWB）; tailor rolling blanks（TRB）; auto-body manufacturing
作者简介：杜继涛，男，1967年5月生。在职博士研究生，上海理工大学机械学院副教授。研究方向：模具设计制造技术、板料成形理论。发表论文20余篇，主编1部。
齐从谦，男，1945年4月生。同济大学机械工程学院教授、博士生导师。主要研究方向：先进制造技术, CAD/CAM,车身设计与制造。发表论文100余篇，出版专著2部，主编高校教材5部。
联系地址：上海市军工路516号259信箱（模具教研室）
邮政编码：200093
联系电话：，021-
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