激光焊接分為(wei) 脈衝(chong) 激光焊接和連續激光焊接,在連續焊接中又可分為(wei) 熱傳(chuan) 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(nei) 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鍾幾十米,激光焊接技術日益成熟,並大量應用到生產(chan) 線上,在汽車生產(chan) 線上如齒輪焊接,汽車底板及結構件(包括車門車身)的高速拚焊已取得了巨大的經濟和社會(hui) 效益。
據有關(guan) 資料統計,在歐美發達工業(ye) 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(wei) 主,激光焊接在汽車工業(ye) 中已成為(wei) 標準工藝,給汽車製造業(ye) 帶來巨大的經濟效益。
激光技術在汽車製造中的應用,主要可歸納為(wei) 以下幾大方麵:
連接
熱傳(chuan) 導焊接
深熔透焊接
縫焊
點焊
釺焊
激光微加工和在發動機部件的應用
激光微加工在汽車製造中有著廣泛的應用,噴油嘴鑽孔,汽缸內(nei) 壁表麵處理是其中兩(liang) 種比較典型和常見的應用。
在對噴油嘴的鑽孔加工中,許多知名品牌如Bosch噴油嘴的生產(chan) 使用了激光鑽孔技術,其幾何參數如下:
-直徑: 約100微米
-鑽孔深度: 1000微米
-精度:優(you) 於(yu) 5微米
-熔融層厚度:<5微米
博世噴油嘴利用激光鑽孔實現了高精密性能,保證了它使用壽命長霧化效果優(you) 等,大大節省油耗。據科學統計,產(chan) 品比一般油嘴每百公裏省10%。
另一項應用是對柴油機汽缸內(nei) 壁表麵進行處理。這項應用的意義(yi) 在於(yu) :通過在汽缸壁內(nei) 表麵加工出儲(chu) 油槽,增加潤滑以降低摩擦,增加汽缸的效率。生成的儲(chu) 油槽幾何參數為(wei) :深度小於(yu) 20微米,寬度小於(yu) 70微米。采用的激光器脈衝(chong) 能量大於(yu) 1mJ,其具有的高重複頻率使得生產(chan) 率得到大大增加。
傳(chuan) 統的方式是采取機械珩磨的方式,能產(chan) 生隨機、交錯、互連的表麵溝槽,由於(yu) 它們(men) 相互連通,仍然會(hui) 因擠出油料導致金屬之間的碰撞,而激光表麵處理的區別在於(yu) 其產(chan) 生的是相互獨立的凹槽,油料不會(hui) 發生流動,能夠起到有效的潤滑作用,其基本特點如下:
1) 優(you) 化摩擦
-生成了儲(chu) 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
數平方厘米區域隻需數秒完成
4) 激光參數
-高重複頻率
-高光束質量,在x,y,z軸向擁有較大加工區域
-脈衝(chong) 到脈衝(chong) 的穩定光束質量
-無首脈衝(chong) 故障
注:關(guan) 於(yu) 噴油嘴鑽孔和汽缸內(nei) 壁表麵處理,有興(xing) 趣的讀者請參閱本刊2005年2月號《以柴油發動機效率為(wei) 目標》一文
修複連杆軸瓦及對其進行劃線和鑽孔也是一項重要的應用,在該應用當中增加了連杆瓦的摩擦鎖緊力,防止在高扭矩狀態下產(chan) 生滑動。
激光打標在汽車零部件的生產(chan) 中也是非常重要的一項應用。它使得零件易於(yu) 跟蹤,過程主要包括以下幾個(ge) 步驟:
◆創造數據
◆數據編碼
◆數據打標
◆讀取數據
◆管理數據
◆數據分析並存檔
激光在傳(chuan) 動係統中的應用
典型的汽車傳(chuan) 動係統應用包括發動機部件,刹車部件,扭矩傳(chuan) 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(cong) 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(chuan) 統的螺栓連接,新設計的齒輪主要用於(yu) 前後軸向齒輪齧合應用中。該設計帶來的主要優(you) 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,並由這兩(liang) 家公司進行聯合工藝開發,在2006年2月正式投入生產(chan) 。該差動齒輪使用TLC1000激光加工站以GGG60球墨鑄鐵和表麵硬化鋼為(wei) 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(ge) 焊接總成,是汽車的主要部分,其質量對汽車整體(ti) 功能有很大的影響,一般可將其分為(wei) 20個(ge) 大總成。圖示為(wei) 白車身各大總成激光焊接的應用分布情況。
舉(ju) 例來說,在德國大眾(zhong) ,激光在白車身的應用從(cong) 1993年開始,經過了10餘(yu) 年的發展,從(cong) 最開始僅(jin) 用於(yu) 車頂連接,到現在已經遍布白車身的各個(ge) 部分。從(cong) 車頂焊接的應用來看,大眾(zhong) 的帕薩特車型經曆了三個(ge) 發展階段,第一階段是電阻點焊,在車頂產(chan) 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(chan) 生8mm寬的的焊接帶,第三階段采用激光硬釺焊進行角焊,帶來無縫的焊接效果。
研究報告:
未來的白車身生產(chan)
來自麥肯錫公司的研究指出,未來的白車身生產(chan) 將呈現以下趨勢:
遠程激光焊接對於(yu) 特定的部件(如車門)的大批量生產(chan) 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(chuan) 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);焊縫的拚接;小批量生產(chan) 經濟型較差。
*假設的加工案例
**模型計算基於(yu) 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(wei) 何具有生產(chan) 力?
傳(chuan) 統的激光焊接會(hui) 消耗大量時間在係統或部件的行程及定位上,缺乏生產(chan) 效率。而使用掃描頭的激光遠程焊接不僅(jin) 顯著降低循環時間,而且幾乎完全消除了二次加工時間。在後蓋板的加工當中,激光焊接大大提升了生產(chan) 率,以德國大眾(zhong) 為(wei) 例,從(cong) 前采用電阻點焊,完成34個(ge) 焊點,需要使用4台機器人,5個(ge) 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後,完成34條焊縫隻需1台機器人,一個(ge) 振鏡掃描頭,焊接時間縮短為(wei) 13秒。#p#分頁標題#e#
下麵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(chuan) 統激光焊:23s
遠程激光焊:5s
白車身的另一大趨勢:材料混合
拚焊板是將幾塊不同材質、不同厚度、不同塗層的鋼材焊接成一塊整體(ti) 板,以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。這樣製成的麵板結構能達到最合理的金屬組合。
以車門內(nei) 板為(wei) 例:為(wei) 了保證功能的需要,車門內(nei) 板的主體(ti) 必須有一定的柔性,而門板的前、後部需要有一定的強度。如果采用傳(chuan) 統的衝(chong) 壓成形方法就需要另外設計加強板,而采用拚焊技術,可先將三塊不同厚度的鋼板拚焊成一塊整板,即可衝(chong) 壓成形。
大眾(zhong) 汽車在GOLF5和PASSAT B6兩(liang) 款車型上將不同拉伸強度的材料在進行拚焊後整體(ti) 衝(chong) 壓,一方麵降低了車身的重量,另一方麵也降低了材料成本,使其產(chan) 品在市場上更具競爭(zheng) 力。
高強度鋼板的新切割方法
將高強度鋼用於(yu) 車身骨架,在保證車身強度和剛度的同時減輕重量,並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(zhong) 汽車使用這種材料生產(chan) 新PASSAT白車身的多個(ge) 部件。對於(yu) 一些具有複雜輪廓的高強度鋼結構部件來說,無論從(cong) 技術角度還是經濟角度來說,機械衝(chong) 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(位於(yu) 發動機艙和駕駛室之間,又稱防火牆),材料為(wei) 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激光係統可高效完成該部件上11處的加工。
汽車內(nei) 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(chuan) 統的鈑金件設計,有效減輕了汽車內(nei) 部鈑金的重量。圖示中采取T形焊的鈑金件重量比采用傳(chuan) 統電阻焊的部件減少了1/3。此外,其他方麵的激光應用還包括對汽車內(nei) 飾件打標等等。
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