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激光拼焊技术在宝钢的研究和应用

2007-07-30 16:33
安娜PARKER
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随着生活水平的不断提高和改善,人们越来越多使用轿车作为交通工具。轿车在给人们带来方便的同时,也带来了许多问题。其中,对能源的大量消耗便是需要关注的问题之一,而能源危机一直是困扰人类的一大全球问题。轿车车身越重,对能源的消耗便越多。因此,汽车工业一直致力于在不降低轿车结构稳定性的同时减轻车身重量。为了满足这一要求,许多新技术便不断出现。在诸多新技术的使用和发展过程中,拼焊技术便是其中之一,满足了在提高汽车结构安全性的同时降低车重的特定要求。

随着激光技术的发展,激光加工在工业中得到了大量的运用.以钢铁和汽车行业为例,激光加工技术在冷轧钢板的连续生产轧制和轿车生产等各方面得到了大力推广。而在介于钢厂与汽车厂之间的配套加工厂,近年来激光拼焊技术得到了运用。激光拼焊技术即可将经不同表面处理、不同钢种、不同厚度的两块或多块钢板通过激光焊接方法,自由组合使之成为一个毛坯件,汽车厂直接使用此毛坯件冲压成零部件。因其具有自由组合,类似裁缝的性质,可将不同的钢板进行拼接,故此项技术一推出,便将此类钢板称为拼焊板(Tailor Welded Blanks)。在1993~1997年期间,由35家钢厂和汽车厂联合发起的超轻型车体ULSAB(Ultra Light Auto Steel Body)项目中,对在白车身结构件中使用激光拼焊技术便加以大力推广。激光拼焊技术已经被广泛的被运用在纵梁、保险扛、门内板、地板、立柱等结构件中。目前,诸如通用公司、大众公司、福特公司、丰田公司、本田公司等大型汽车公司都已经在他们的新车型设计中运用此项新技术。 

 激光拼焊技术的前身

激光拼焊板源于上世纪80年代,出现在汽车工业。当时主要是为了解决钢厂轧机轧出的钢板板宽不够的问题,通过拼焊技术从而满足汽车工业对宽板的需求,故以将相同厚度的钢板进行拼焊为主。随着汽车工业的发展,激光拼焊板向差厚板方向发展,即可将不同厚度的钢板实现拼焊,此时才真正实现了汽车钢板激光拼焊的目的。

目前激光拼焊技术是在汽车工业中广泛使用的在冲压成形前将两块或多块具有不同厚度的材料连接起来再成形的一项新技术。在汽车厂传统使用的工艺方案是将各种部件先冲压成零部件再采用点焊的方法连接成一个整体,而采用了激光拼焊新技术后,则改成先将不同强度和不同厚度的板材冲裁、用激光焊接的方法连接成整体毛坯,然后进行整体冲压成形。 

 激光拼焊技术带来的优势

利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势,根据国外学者的研究,其优点多达37条,主要体现在以下几方面:

(1)对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中,使用激光拼焊板,消除了使用多余加强件的需要,从而带来整体车身重量的降低。通过在一块钢板中,不同材料和厚度的组合可以大大简化整体车身的结构。

(2)减少汽车零部件的数量。轿车车体的结构精度可以得到大大提高,许多冲压设备和加工工序可以得到缩减。以门内板的应用为例,在车身设计中,该零件对于冲压成形性能要求较高。这就意味着需要采用软一点的和薄一点的材料。
然而,在相同门内板的前部,在铰链与门相连接的部位又需要足够的强度来承受门的频繁使用。在传统工艺方法中, 就需要使用加强板来增强门内板这一地方的强度。这件多余的部件在车间中则需要众多的工序来完成加工。而现在,通过使用激光拼焊技术,将一块大的、软一点、薄一点的材料与比较小的、硬一点、厚一点的材料通过激光焊接在冲压工序前就连接成一件门内板,再冲压成一件整体件,从而完全消除了使用加强件的必要性。

(3)原材料利用率大大提高,废料大大减少。通过在结构件的特定部位有选择性的使用高强、厚材料从而使材料的利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术,将各种各样的钢板得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。

(4)结构功能得到大大提高。通过使用激光拼焊技术,由于将材料的强度、厚度得到合理组合,使结构的刚度得到大大改善。结构的抗腐蚀性能也得到提高。使用拼焊技术更加重要的作用便是通过厚度与强度的组合,使结构件的抗碰撞性能得到大大提高。同时在有碰撞要求的部位,通过使用高强钢或厚板,而在要求低的部位,使用低强钢或薄板,从而大大提高了汽车零部件抗碰撞的能力。激光拼焊正是适应了在该要加强的部位进行加强的需要,通过厚板和薄板的连接或者高强钢与低强钢的连接,对汽车安全性提高的效果要大大优于钢板厚度或强度等级没有变化的情况。与传统点焊工艺相比,使用激光拼焊板的冲压件其尺寸和形状精度也大大提高。从而使车身的装配精度得到改善。这将带来汽车噪声的降低和更少的整体装配缺陷。

(5)为生产宽体车提供可能。由于受钢厂轧机宽度的限制,钢厂提供的板宽是有一定限度的,而随着汽车工业的发展,汽车对宽板的需求却日趋紧迫,采用激光拼焊不失为一种有效而经济的工艺方法。 

 ULSAB项目于1998年生产出样车,在这一超轻型车上运用的拼焊板零部件数量达到16件,约占车身重量的45%,由于通过采用拼焊板技术,使车身零件数量约减少25%、抗扭刚度提高了65%、振动特性改善35%,并且增强了弯曲刚度。 
     
宝钢激光拼焊板的生产和应用


在汽车白车身结构件中,越来越多的典型结构件诸如纵梁、门内板、保险扛、加强板在冲压工序均使用激光拼焊板。据统计,在目前的新车身结构件设计中平均每辆车有2件或3件使用激光拼焊技术。尤其对于那些价格比较昂贵的轿车,在其车身设计中使用了更多的拼焊板。通过使用激光拼焊板,整车的抗碰撞性能得到大大提高。由于汽车设计师和汽车生产厂家已经意识到在汽车结构件中使用激光拼焊板可以大大简化生产工序、降低生产成本、提高整车的性能,从而在更多、更新的车身结构件中运用激光拼焊板。

我国对激光拼焊板生产的研究和应用,以宝钢对此反应最为积极。宝钢从1991年就开始对激光拼焊技术进行跟踪研究。1999年宝钢技术中心引进激光拼焊试验装置,对激光拼焊技术进行研究,已完成多家汽车厂部分零件的工艺研究,且进行了实冲试验,达到实际车身零件对激光拼焊板的要求。

由于对汽车生产厂家而言,激光拼焊板具有很多优势,目前在许多新的车型结构件上都使用激光拼焊板,对激光拼焊板的需求正在迅速增加。

2004年11月9日,宝山钢铁股份有限公司与阿赛洛(Arcelor)公司联合投资成立了合资公司(上海宝钢阿赛洛激光拼焊板有限公司)正式投产,专门大规模生产激光拼焊板。该合资公司引进了先进的激光拼焊板生产线,专业生产激光拼焊板以满足国内汽车厂对于激光拼焊板的需求。在不久的将来,中国汽车工业对于激光拼焊板的需求必将逐渐取代从国外进口转而由国内生产厂来满足激光拼焊板的及时供应。 

 激光拼焊板是近年来在汽车工业出现的一项新技术,通过在汽车白车身结构件上使用激光拼焊板,可以使车身重量得到大大降低、安全性能得到大大提高。在汽车厂冲压过程中,材料也得到合理使用,车间的材料废品料可得到大大降低。

汽车工业对于激光拼焊板的大量运用是当今时代发展的必然趋势。

 

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