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激光科技及其在汽车制造中的应用

2007-01-19 17:31
野明月
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激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接,在连续焊接中又可分为热传导焊接和深穿透焊接。随着激光输出功率的提高,特别是高功率CO2激光器的出现,激光深熔透技术在国内外都得到了迅速发展,最大的焊接深宽比已经达到了12∶1,激光焊接材料也由一般低碳钢发展到了今天的焊接镀锌板、铝板、钛板、铜板和陶瓷材料,激光焊接速度也达到了每分钟几十米,激光焊接技术日益成熟,并大量应用到生产线上,在汽车生产线上如齿轮焊接,汽车底板及结构件(包括车门车身)的高速拼焊已取得了巨大的经济和社会效益。
 
据有关资料统计,在欧美发达工业国家中,有50%-70% 的汽车零部件是用激光加工来完成的。其中主要以激光焊接和切割为主,激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺,给汽车制造业带来巨大的经济效益。
        
激光技术在汽车制造中的应用,主要可归纳为以下几大方面:
        连接
        热传导焊接
        深熔透焊接
        缝焊
        点焊
        钎焊
       
 激光微加工和在发动机部件的应用
激光微加工在汽车制造中有着广泛的应用,喷油嘴钻孔,汽缸内壁表面处理是其中两种比较典型和常见的应用。

在对喷油嘴的钻孔加工中,许多知名品牌如Bosch喷油嘴的生产使用了激光钻孔技术,其几何参数如下:
        -直径: 约100微米
        -钻孔深度: 1000微米
        -精度:优于5微米
        -熔融层厚度:<5微米

博世喷油嘴利用激光钻孔实现了高精密性能,保证了它使用寿命长雾化效果优等,大大节省油耗。据科学统计,产品比一般油嘴每百公里省10%。

另一项应用是对柴油机汽缸内壁表面进行处理。这项应用的意义在于:通过在汽缸壁内表面加工出储油槽,增加润滑以降低摩擦,增加汽缸的效率。生成的储油槽几何参数为:深度小于20微米,宽度小于70微米。采用的激光器脉冲能量大于1mJ,其具有的高重复频率使得生产率得到大大增加。
        
传统的方式是采取机械珩磨的方式,能产生随机、交错、互连的表面沟槽,由于它们相互连通,仍然会因挤出油料导致金属之间的碰撞,而激光表面处理的区别在于其产生的是相互独立的凹槽,油料不会发生流动,能够起到有效的润滑作用,其基本特点如下:
        1) 优化摩擦
        -生成了储存润滑液的凹槽
        -封闭的几何形状使容量可测
        2) 典型的几何尺寸
        -碟形:直径<100微米;深度<10微米
        -袋形:宽度<100微米;长度100微米;深度<30微米
        3) 加工时间
        数平方厘米区域只需数秒完成
        4) 激光参数
        -高重复频率
        -高光束质量,在x,y,z轴向拥有较大加工区域
        -脉冲到脉冲的稳定光束质量
        -无首脉冲故障
注:关于喷油嘴钻孔和汽缸内壁表面处理,有兴趣的读者请参阅本刊2005年2月号《以柴油发动机效率为目标》一文

修复连杆轴瓦及对其进行划线和钻孔也是一项重要的应用,在该应用当中增加了连杆瓦的摩擦锁紧力,防止在高扭矩状态下产生滑动。

激光打标在汽车零部件的生产中也是非常重要的一项应用。它使得零件易于跟踪,过程主要包括以下几个步骤:
        ◆创造数据
        ◆数据编码
        ◆数据打标
        ◆读取数据
        ◆管理数据
        ◆数据分析并存档
        
激光在传动系统中的应用
典型的汽车传动系统应用包括发动机部件,刹车部件,扭矩传递,齿轮箱,驱动轴,差动齿轮,轮毂等。以下是激光焊接汽车差动齿轮的应用。

从下图中可以看到宝马公司采用激光焊接的差动齿轮替代传统的螺栓连接,新设计的齿轮主要用于前后轴向齿轮啮合应用中。该设计带来的主要优势有以下几点:降低了成本、减轻重量、更小的零件尺寸、降低噪音。

宝马公司最初在2003年11月和Trumpf公司就该项目进行接触,并由这两家公司进行联合工艺开发,在2006年2月正式投入生产。该差动齿轮使用TLC1000激光加工站以GGG60球墨铸铁和表面硬化钢为材料进行填料焊接。
        
汽车车身车间:
激光在白车身焊接的应用
白车身是由所有结构件和大部分覆盖件焊接在一起形成的一个焊接总成,是汽车的主要部分,其质量对汽车整体功能有很大的影响,一般可将其分为20个大总成。图示为白车身各大总成激光焊接的应用分布情况。

举例来说,在德国大众,激光在白车身的应用从1993年开始,经过了10余年的发展,从最开始仅用于车顶连接,到现在已经遍布白车身的各个部分。从车顶焊接的应用来看,大众的帕萨特车型经历了三个发展阶段,第一阶段是电阻点焊,在车顶产生了15mm宽的焊接带,第二阶段是采用角焊以及激光焊接的方式,产生8mm宽的的焊接带,第三阶段采用激光硬钎焊进行角焊,带来无缝的焊接效果。
        
研究报告:
未来的白车身生产
来自麦肯锡公司的研究指出,未来的白车身生产将呈现以下趋势:
远程激光焊接对于特定的部件(如车门)的大批量生产将起到缩减投资的作用。
报告中对点焊和远程激光焊的特点进行比较:
传统点焊(CSW) *
焊矩随机器人移动;点之间缓慢的移动速度(约1.5s);相似的焊点。
远程焊接(RL)**
激光束随机器人移动;焊缝到焊缝的超快移动速度(100ms);焊缝的拼接;小批量生产经济型较差。
*假设的加工案例
**模型计算基于在2015年的预期技术成本
来源:McKinsey & Co Tomorrow‘s automotive production
        
远程激光焊接为何具有生产力?
传统的激光焊接会消耗大量时间在系统或部件的行程及定位上,缺乏生产效率。而使用扫描头的激光远程焊接不仅显著降低循环时间,而且几乎完全消除了二次加工时间。在后盖板的加工当中,激光焊接大大提升了生产率,以德国大众为例,从前采用电阻点焊,完成34个焊点,需要使用4台机器人,5个焊矩,焊接时间需要34.7秒。而采用了激光扫描头进行远程焊接后,完成34条焊缝只需1台机器人,一个振镜扫描头,焊接时间缩短为13秒。

下面进一步比较了远程焊接二级总成时不同焊接方式的效率差别(来源:BMW)
        不同技术的效率比较:
        电阻点焊:30s
        传统激光焊:23s
        远程激光焊:5s
        
白车身的另一大趋势:材料混合
拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板,以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。

以车门内板为例:为了保证功能的需要,车门内板的主体必须有一定的柔性,而门板的前、后部需要有一定的强度。如果采用传统的冲压成形方法就需要另外设计加强板,而采用拼焊技术,可先将三块不同厚度的钢板拼焊成一块整板,即可冲压成形。

大众汽车在GOLF5和PASSAT B6两款车型上将不同拉伸强度的材料在进行拼焊后整体冲压,一方面降低了车身的重量,另一方面也降低了材料成本,使其产品在市场上更具竞争力。

高强度钢板的新切割方法
将高强度钢用于车身骨架,在保证车身强度和刚度的同时减轻重量,并带来汽车车身的抗撞性能和抗凹性能的提高,由此显著提高汽车的安全性。大众汽车使用这种材料生产新PASSAT白车身的多个部件。对于一些具有复杂轮廓的高强度钢结构部件来说,无论从技术角度还是经济角度来说,机械冲压手段已经达到极限,而激光切割能带来非常有效的加工。图示是新PASSAT车型的隔板部分(位于发动机舱和驾驶室之间,又称防火墙),材料为22MnB5, 弹性极限约1700N/mm2。通过采用CO2激光器和5轴加工方式的TRUMPF TLC1005激光系统可高效完成该部件上11处的加工。
        
汽车内饰件的应用
激光远程焊接汽车座椅也是一项重要的应用,另外这种方式也改变了传统的钣金件设计,有效减轻了汽车内部钣金的重量。图示中采取T形焊的钣金件重量比采用传统电阻焊的部件减少了1/3。此外,其他方面的激光应用还包括对汽车内饰件打标等等。

 

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