激光焊接分為脈沖激光焊接和連續激光焊接,在連續焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿透焊接。隨著激光輸出功率的提高,特別是高功率CO2激光器的出現,激光深熔透技術在國內外都得到了迅速發展,最大的焊接深寬比已經達到了12∶1,激光焊接材料也由一般低碳鋼發展到了今天的焊接鍍鋅板、鋁板、鈦板、銅板和陶瓷材料,激光焊接速度也達到了每分鐘幾十米,激光焊接技術日益成熟,并大量應用到生產線上,在汽車生產線上如齒輪焊接,汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拼焊已取得了巨大的經濟和社會效益。
據有關資料統計,在歐美發達工業國家中,有50%-70% 的汽車零部件是用激光加工來完成的。其中主要以激光焊接和切割為主,激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝,給汽車制造業帶來巨大的經濟效益。
激光技術在汽車制造中的應用,主要可歸納為以下幾大方面:
連接
熱傳導焊接
深熔透焊接
縫焊
點焊
釬焊
激光微加工和在發動機部件的應用
激光微加工在汽車制造中有著廣泛的應用,噴油嘴鉆孔,汽缸內壁表面處理是其中兩種比較典型和常見的應用。
在對噴油嘴的鉆孔加工中,許多知名品牌如Bosch噴油嘴的生產使用了激光鉆孔技術,其幾何參數如下:
-直徑: 約100微米
-鉆孔深度: 1000微米
-精度:優于5微米
-熔融層厚度:<5微米
博世噴油嘴利用激光鉆孔實現了高精密性能,保證了它使用壽命長霧化效果優等,大大節省油耗。據科學統計,產品比一般油嘴每百公里省10%。
另一項應用是對柴油機汽缸內壁表面進行處理。這項應用的意義在于:通過在汽缸壁內表面加工出儲油槽,增加潤滑以降低摩擦,增加汽缸的效率。生成的儲油槽幾何參數為:深度小于20微米,寬度小于70微米。采用的激光器脈沖能量大于1mJ,其具有的高重復頻率使得生產率得到大大增加。
傳統的方式是采取機械珩磨的方式,能產生隨機、交錯、互連的表面溝槽,由于它們相互連通,仍然會因擠出油料導致金屬之間的碰撞,而激光表面處理的區別在于其產生的是相互獨立的凹槽,油料不會發生流動,能夠起到有效的潤滑作用,其基本特點如下:
1) 優化摩擦
-生成了儲存潤滑液的凹槽
-封閉的幾何形狀使容量可測
2) 典型的幾何尺寸
-碟形:直徑<100微米;深度<10微米
-袋形:寬度<100微米;長度100微米;深度<30微米
3) 加工時間
數平方厘米區域只需數秒完成
4) 激光參數
-高重復頻率
-高光束質量,在x,y,z軸向擁有較大加工區域
-脈沖到脈沖的穩定光束質量
-無首脈沖故障
注:關于噴油嘴鉆孔和汽缸內壁表面處理,有興趣的讀者請參閱本刊2005年2月號《以柴油發動機效率為目標》一文
修復連桿軸瓦及對其進行劃線和鉆孔也是一項重要的應用,在該應用當中增加了連桿瓦的摩擦鎖緊力,防止在高扭矩狀態下產生滑動。
激光打標在汽車零部件的生產中也是非常重要的一項應用。它使得零件易于跟蹤,過程主要包括以下幾個步驟:
◆創造數據
◆數據編碼
◆數據打標
◆讀取數據
◆管理數據
◆數據分析并存檔
激光在傳動系統中的應用
典型的汽車傳動系統應用包括發動機部件,剎車部件,扭矩傳遞,齒輪箱,驅動軸,差動齒輪,輪轂等。以下是激光焊接汽車差動齒輪的應用。
從下圖中可以看到寶馬公司采用激光焊接的差動齒輪替代傳統的螺栓連接,新設計的齒輪主要用于前后軸向齒輪嚙合應用中。該設計帶來的主要優勢有以下幾點:降低了成本、減輕重量、更小的零件尺寸、降低噪音。
寶馬公司最初在2003年11月和Trumpf公司就該項目進行接觸,并由這兩家公司進行聯合工藝開發,在2006年2月正式投入生產。該差動齒輪使用TLC1000激光加工站以GGG60球墨鑄鐵和表面硬化鋼為材料進行填料焊接。
汽車車身車間:
激光在白車身焊接的應用
白車身是由所有結構件和大部分覆蓋件焊接在一起形成的一個焊接總成,是汽車的主要部分,其質量對汽車整體功能有很大的影響,一般可將其分為20個大總成。圖示為白車身各大總成激光焊接的應用分布情況。
舉例來說,在德國大眾,激光在白車身的應用從1993年開始,經過了10余年的發展,從最開始僅用于車頂連接,到現在已經遍布白車身的各個部分。從車頂焊接的應用來看,大眾的帕薩特車型經歷了三個發展階段,第一階段是電阻點焊,在車頂產生了15mm寬的焊接帶,第二階段是采用角焊以及激光焊接的方式,產生8mm寬的的焊接帶,第三階段采用激光硬釬焊進行角焊,帶來無縫的焊接效果。
研究報告:
未來的白車身生產
來自麥肯錫公司的研究指出,未來的白車身生產將呈現以下趨勢:
遠程激光焊接對于特定的部件(如車門)的大批量生產將起到縮減投資的作用。
報告中對點焊和遠程激光焊的特點進行比較:
傳統點焊(CSW) *
焊矩隨機器人移動;點之間緩慢的移動速度(約1.5s);相似的焊點。
遠程焊接(RL)**
激光束隨機器人移動;焊縫到焊縫的超快移動速度(100ms);焊縫的拼接;小批量生產經濟型較差。
*假設的加工案例
**模型計算基于在2015年的預期技術成本
來源:McKinsey & Co Tomorrow‘s automotive production
遠程激光焊接為何具有生產力?
傳統的激光焊接會消耗大量時間在系統或部件的行程及定位上,缺乏生產效率。而使用掃描頭的激光遠程焊接不僅顯著降低循環時間,而且幾乎完全消除了二次加工時間。在后蓋板的加工當中,激光焊接大大提升了生產率,以德國大眾為例,從前采用電阻點焊,完成34個焊點,需要使用4臺機器人,5個焊矩,焊接時間需要34.7秒。而采用了激光掃描頭進行遠程焊接后,完成34條焊縫只需1臺機器人,一個振鏡掃描頭,焊接時間縮短為13秒。#p#分頁標題#e#
下面進一步比較了遠程焊接二級總成時不同焊接方式的效率差別(來源:BMW)
不同技術的效率比較:
電阻點焊:30s
傳統激光焊:23s
遠程激光焊:5s
白車身的另一大趨勢:材料混合
拼焊板是將幾塊不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板,以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。這樣制成的面板結構能達到最合理的金屬組合。
以車門內板為例:為了保證功能的需要,車門內板的主體必須有一定的柔性,而門板的前、后部需要有一定的強度。如果采用傳統的沖壓成形方法就需要另外設計加強板,而采用拼焊技術,可先將三塊不同厚度的鋼板拼焊成一塊整板,即可沖壓成形。
大眾汽車在GOLF5和PASSAT B6兩款車型上將不同拉伸強度的材料在進行拼焊后整體沖壓,一方面降低了車身的重量,另一方面也降低了材料成本,使其產品在市場上更具競爭力。
高強度鋼板的新切割方法
將高強度鋼用于車身骨架,在保證車身強度和剛度的同時減輕重量,并帶來汽車車身的抗撞性能和抗凹性能的提高,由此顯著提高汽車的安全性。大眾汽車使用這種材料生產新PASSAT白車身的多個部件。對于一些具有復雜輪廓的高強度鋼結構部件來說,無論從技術角度還是經濟角度來說,機械沖壓手段已經達到極限,而激光切割能帶來非常有效的加工。圖示是新PASSAT車型的隔板部分(位于發動機艙和駕駛室之間,又稱防火墻),材料為22MnB5, 彈性極限約1700N/mm2。通過采用CO2激光器和5軸加工方式的TRUMPF TLC1005激光系統可高效完成該部件上11處的加工。
汽車內飾件的應用
激光遠程焊接汽車座椅也是一項重要的應用,另外這種方式也改變了傳統的鈑金件設計,有效減輕了汽車內部鈑金的重量。圖示中采取T形焊的鈑金件重量比采用傳統電阻焊的部件減少了1/3。此外,其他方面的激光應用還包括對汽車內飾件打標等等。
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