激光切割在汽车桥壳焊接中的应用

来源：个人技术集锦

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激光切割在汽车桥壳焊接中的应用

河北科技大学机械电子工程学院(石家庄市　050054)　　金清肃　娄晨辉　赵晓明　冯　运

摘要　在桥壳的焊接中,应用激光切割的方法改进冲裁下料工艺,较好地解决了传统下料工艺中存在的割缝质量差的问题,同时还降低了生产成本,提高了焊接效率。

关键词:　激光切割　焊接　桥壳

APPLICATIONOFLASERCUTTINGINWELDINGOFBRIDGECASE

HebeiUniversityofScienceandTechnology　　JinQingsu,LouChenhui,ZhaoXiaoming,

FengYun

Abstract　Theapplicationoflasercuttingduringtheweldingofbridgecasewasusedtoimprovethetechnologyofblanking.Itsolvedtheproblemofweldingqualityinthetraditionalblankingprocess,andreducedthemanufacturecostandraisedweldingefficiency.

Keywords:　lasercutting,　welding,　bridgecase

　　在国内,由于受技术、资金、传统观念等因素的影

响,激光切割的应用与先进国家相比差距甚大,目前国内激光切割设备拥有量只有数百台套,不足美国的百分之一。根据美国的经验,激光切割的成本是传统切割的80%。在汽车行业中板材切割量非常大。如果在国内大量用激光切割代替传统的模具冲裁落料,可以节省大量的模具制造费用,从而产生可观的经济效益。此外,激光切割是通过计算机控制,可以精确地切割复杂的图案,并便于修改,与传统的模具冲裁落料工艺相比,编制加工程序和修改数据要比做模具便捷的多,这样可缩短新产品的加工周期,更适应当今产品多品种、小批量、更新快、个性化的设计需要。

基于上述激光切割的明显优势和更大的发展空间,笔者在汽车桥壳焊接上做了一些初步的尝试,并收到了很好的效果。1　原桥壳焊接存在的问题

[1]

图1　原桥壳示意图

由于传统工艺中板材毛坯冲裁的轮廓和精度不尽人意,造成上、下桥片成形后与三角块一起对接时,割缝宽窄不一,高低不齐,为下面的自动焊接带来加工问题和质量问题。车桥成品试漏时,在三角区常出现漏气现象。故此,三角区不得不改为手工焊接。分析板材毛坯冲裁质量问题有以下原因:

由于桥片的部分区域成形复杂,其毛坯轮廓很难精确设计计算,要想得到理想的桥片毛坯轮廓,保证成形后桥片边缘形状满足焊接路径平直的要求,需要对毛坯轮廓多次试料修正,但以往这些修正是通过传统的机加方法,对复杂毛坯轮廓的修正,机加方法非常困难、精度也不高。既使毛坯轮廓尺寸反复修正,还是达不到要求,再根据毛坯轮廓尺寸制造冲裁模具,其过程

某厂原桥壳的上桥片是用5mm厚的16Mn钢板,通过冲裁下料模具和成形模具两次加工完成的。然后,与加工工艺相同的下桥片对接,中间再用两个三角块填补,最后焊接成桥壳,如图1所示。

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中又会出现毛坯的测量误差和冲裁模具的加工误差。最后用于成形模具的毛坯轮廓尺寸很难满足成形件边缘形状精度较高的要求。

为了解决上述难题,原设计不得不采用比较简单的桥片毛坯轮廓。这就造成成形后的上、下桥片与填补三角块用半径不易确定的r圆弧对接(图1),并且,三角块的对接处在桥片圆<85mm向平面尺寸90mm的过渡面之间。因此,使得自动焊接的路径既不平也不直。

2　激光切割在桥壳设计和焊接中的应用

图2　改进后桥壳示意图激光切割设备是一套完整的加工系统,它包括激光器、光路系统、加工机、控制器。其中激光器是加工系统的核心部件。80%的激光切割采用1～6kW的CO2激光器。目前国内有数家单位可生产1～2kW轴流式CO2激光器,但多数产品与国外成套设备相比,在可靠性、配套性和实用性上尚有相当差距。迄今国内已进口CO2激光加工系统约200多台套。分布在各地的激光切割中心或加工站以及与板材加工有关的厂家中。

激光切割的原理为:激光器将聚焦后的激光照射在被切割的板材表面,此时光能迅速转换成热能,光点区温度瞬间升高到材料的熔点以上,材料被熔化或汽化,一个直径为0.1mm的小孔被刺出。当激光束沿着设定路径移动时,光子与材料不断相互作用,割缝随即形成。在上述过程中,辅助气体一直通过喷嘴吹过割缝,以达到助切、吹掉熔渣及冷却的作用。

在半浮式车桥改为全浮式车桥的技术改造中,需重新制造桥壳成形摸具。借此机会,针对以往桥壳在焊接加工中存在的问题,利用激光切割技术进行了相应的改进:

采用进口的CO2激光设备,其参数为:激光器功率1.2kW;加工范围1.25m×2m;切口宽度0.18mm;加工精度±0.1mm;切口粗糙度Ra20～30μm。

首先,将原上、下桥片的边缘尺寸r圆弧改为直线(图2),使得三角块的两个焊接边缘随其也成为直线,这样,桥壳上焊接路径变成3段直线,便于全程自动焊接。针对上、下桥片的成形尺寸,初步设计出桥片毛坯轮廓(图3)。通过修正R1,R2,R3这3个半径尺寸和L1,L2长度尺寸,确保图2中:l区域平、2区域直、3区域与R109圆弧尺寸相吻合。采用激光切割设备进行桥片毛坯的下料。

图3　桥片改进后毛坯示意图

将激光首次切下的桥片毛坯在成形模具上试压成形,再将成形后的上、下桥片和三角块放在一起进行对缝检查,割缝宽度要求为0～1mm。对3个区域中不满意的边缘,通过激光切割进行修正。激光切割加工精度很高,而且调整尺寸很方便,只需修改上次激光切割软盘上需调整的数据。修正后的桥片毛坯再次试压成形后,再次检查割缝情况。重复上述过程,直到满足割缝要求。通过3次修正,最终割缝宽度均控制在1mm以内。并且割缝相当平直。完全满足全程自动焊接的要求。

将最终一次激光切割的加工软盘,直接用于制造冲裁模具的线切割数据程序,得到比毛坯机械修正精度高得多的冲裁模具。其冲裁下料的桥片毛坯与激光切割的毛坯尺寸完全一致,只是切口粗糙值略高,但仍能满足焊缝的要求。3　应用效果

由于激光切割修正的便捷,更易得到理想的板材毛坯轮廓,应用激光切割作为冲裁模具制造的辅助手段,在新桥壳的设计和焊接中取得了良好的效果。

(1)由于上、下桥壳和三角块的连接采用了全程自动焊接,桥壳的外观和内在质量明显的提高,焊后试漏返修率由原来的20%以上,下降到1%以下,焊接效率也提高了2倍左右。

(2)新桥壳改进后,焊接工序的加工人员比原来减少了2/3,加工成本降低了约一半,冲裁模具的制造

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费用也有所降低。

(3)该工序的应用成功为工厂其它类似的焊接件的工艺改进提供了经验。目前,受现有设备和传统观念的影响,板材下料还是以模具冲裁为主。考虑到现阶段的实际情况,应用激光切割作为冲裁模具制造的辅助手段,在毛坯试料及修正时使用,这样既利用了现有的冲裁设备,又利用了新技术在产品质量、成本和效率上带来的明显优势。对于小批量冲裁下料的焊接件也可直接采用激光切割下料,以减少模具的投入。

参考

文献

焊接　2006(7)

[1]　唐元冀.激光切割在工业上应用的现状[J].激光与光电

子学进展,2002,39(1):53-56.

(收稿日期　2006　04　20)

作者简介:　金清肃,1955年出生,大学本科,高级工程师,主要

从事机械设计制造方面的教学及科研工作。发表专著1部,论文30余篇。舟山桃夭门大桥钢箱梁板块制造焊接变形控制中铁宝桥股份有限公司(宝鸡市　721006)　　郭文辉　余团营　孟培元

北京华宏路桥咨询监理公司(101113)　　王　颖

摘要　分析了舟山桃夭门大桥钢箱梁板块单元制造焊接变形产生的原因,阐述了采用专用反变形胎架控制焊接变形的技术,运用这种方法,有效地控制了变形,满足了钢箱梁段拼焊的需要。

关键词:　板块单元　焊接变形　焊接反变形胎架

WELDINGDEFORMATIONCONTROLONGIRDERPLATEMANUFACTURE

OFSTEELBOXONTAOYAOMENBRIDGEINZHOUSHAN

ChinaRailwayBaojiBridgeCo.Ltd　　　　　　　GuoWenhui,YuTuanying,MengPeiyuanBeijingHuahongR&BConsultantsurperviseCo.

WangYing

Abstract　ThepaperanalyzedthereasonofweldingdeformationformedduringthegirderplatemanufactureofsteelboxonTaoyaomenbridgeinZhoushan.Thetechnologythatspecialtyreframewasusedtocontroltheweldingdeformationwasmainlyintroduced.

Keywords:　plateunit,　weldingdeformation,　reverseddeformationtyreframe

　　桃夭门公路大桥为双塔双索面七孔连续混合式斜

拉桥,跨度在混合式斜拉桥中位居国内第一。全桥钢箱梁重约6400t,钢箱梁分为7种类型45个梁段。钢箱梁在制造上分3个阶段:板块单元制造ϖ现场组焊箱段ϖ桥位吊装ϖ箱段间焊接。板块的几何形状直接影响钢箱梁的制造质量,而焊接变形的控制是板块制造的难点,因此必须采取合理的工艺控制焊接变形,确保钢箱梁板块制造的精度要求。

1　板块制造焊接变形基本形式

桃夭门大桥钢箱梁顶板和底板单元均由面板、纵肋(U形肋)及横向接板构成的正交异性板,主要受力部件为面板。在焊接纵向U形肋和横隔板时,板单元主要发生的几种焊接变形,如图1所示,即纵向收缩变形、横向收缩变形、纵向弯曲变形及角变形。主要受力部件面板单元示意图,见图2。

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