行業(yè)對輕量化設(shè)計和具有成本效益的生產(chǎn)技術(shù)提出的要求越來越有挑戰(zhàn)性，包括更多基于設(shè)計以及降低批量大小的趨勢，由此市場需要更易實現(xiàn)和更靈活的生產(chǎn)工藝，而長距離激光焊接技術(shù)就是一種可行的解決方案。在金屬復(fù)合概念的推動下，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化正變得越來越有趣，例如鋁-鋼結(jié)構(gòu)，以及局部調(diào)整的強度分布。長距離控制激光工藝可以用于直接連接鋁-鋼的T型接頭和局部激光淬火軌跡，從而顯著改善鋼型材的碰撞性能。
圖1：通過激光局部強化技術(shù)可以改進零部件在彎曲負荷下的變形特性。
圖2：激光強化管：抗壓試驗表明，目標(biāo)的失效后果可以達到預(yù)期效果，從而顯著提高碰撞負荷下的設(shè)備性能。
圖3：激光連接插槽設(shè)計的實現(xiàn)過程及其示范產(chǎn)品。
圖4：長距離激光焊接復(fù)合插槽角接頭的幾何形狀。
圖5：激光焊接型材結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方法。
圖6：三點彎曲碰撞試驗的變形結(jié)果：電阻點焊vs插槽和局部激光強化復(fù)合設(shè)計。
激光局部強化用于輕量化設(shè)計
由于必須根據(jù)最高負荷來設(shè)計壁厚，因此局部受力的零部件經(jīng)常是大尺寸的。在低應(yīng)力區(qū)，鋼板厚度會超出所需范圍，從而增加了不必要的零部件負重。此外，已經(jīng)開發(fā)出種類繁多的昂貴的高強度鋼，它們具有良好的成形性能。但目前總是需要在零部件的質(zhì)量和成本以及碰撞安全性之間有所妥協(xié)，這是我們需要解決的問題。
為了根據(jù)局部負荷情況來精確調(diào)整零部件的屬性，一種基于靈活的遠距離控制技術(shù)的激光強化創(chuàng)新方法被開發(fā)出來。根據(jù)所處理的鋼的淬火潛力，重熔軌跡或平板堆焊焊縫軌跡的高硬度能讓拉伸強度超過1500MPa，大概兩倍于未經(jīng)處理的基材。特別重要的是，需要測試抵御撞擊部分的彎曲應(yīng)力，例如前避震器和后避震器、B柱和各種加強型材，這樣使設(shè)計能實現(xiàn)重量和負荷的優(yōu)化。
在數(shù)值模擬的幫助下，我們可以實現(xiàn)彎曲應(yīng)力的撞擊優(yōu)化軌跡設(shè)計，例如，正面撞擊或側(cè)面撞擊一棵樹。借助激光遠程技術(shù)，軌跡設(shè)計已經(jīng)可以在實際的零部件中實現(xiàn)了。相比參照物，可以使局部激光熔凝管狀型材的撓度減半，盡管只對該零部件約3%的體積進行了局部硬化（圖1）。
圖1：通過激光局部強化技術(shù)可以改進零部件在彎曲負荷下的變形特性。
同時，可以通過安排激光強化軌跡來定位初始塑性變形，從而對失效行為產(chǎn)生影響。
長距離激光焊接實現(xiàn)多材料設(shè)計
生產(chǎn)具有良好力學(xué)性能的復(fù)合零部件需要借助全新的連接方法，特別是在激光應(yīng)用方面。用選擇性激光熔化實現(xiàn)的鋼鋁復(fù)合插槽（web-slot）連接是一種解決方案。為了實現(xiàn)直接的連接工藝，特別是復(fù)合的T型接頭，必須將長距離激光控制工藝與一種新的一體化設(shè)計方法結(jié)合起來。可以通過選擇性熔化工藝來避免金屬間化合物的形成。其中包括通過高度控制的長距離激光工藝來對低熔點材料進行選擇性熔化。具體而言，鋁材這一邊的接頭設(shè)計需要加以調(diào)整。為了達到這個目的，開發(fā)出了用于T型接頭的可以用激光實現(xiàn)的插槽結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖3）。
圖2：激光強化管：抗壓試驗表明，目標(biāo)的失效后果可以達到預(yù)期效果，從而顯著提高碰撞負荷下的設(shè)備性能。
圖3：激光連接插槽設(shè)計的實現(xiàn)過程及其示范產(chǎn)品。
通過優(yōu)化長距離激光工藝，可以實現(xiàn)不同形狀的接頭?；旧?，能通過調(diào)整掃描寬度、掃描速度和激光功率來確保只熔化鋁材這一面（圖4a）。此外，單邊激光工藝的優(yōu)化還允許雙面鋁材裝配的塑形（圖4b）。金相分析表明在鋼和鋁之間的邊界地區(qū)會形成較小的不會帶來影響的金屬間化合物相。在與強度相關(guān)的交叉部分（“激光鉚釘頭”）中，沒有檢測到鐵的內(nèi)容物。
圖4：長距離激光焊接復(fù)合插槽角接頭的幾何形狀。
對于像踏腳板、底盤縱梁和保險杠這樣的零部件，最先進的技術(shù)是電阻點焊，通常焊接的搭接法蘭寬度為20mm。為了滿足結(jié)構(gòu)車身部件的常規(guī)尺寸，確定了碰撞結(jié)構(gòu)的鋼-鋼點焊尺寸為80×80×900mm，搭接法蘭寬度為20mm。由于這些新的激光技術(shù)，我們可以消除搭接法蘭，并且零部件重量可以減少大約20%。為了能額外減少重量，低應(yīng)力負荷的鋼蓋板被鋁板取代，從而使得重量進一步減少了10%（圖5）。
圖5：激光焊接型材結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方法。
車輛碰撞試驗的結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的點焊設(shè)計，消除復(fù)合零部件的焊接法蘭所導(dǎo)致的抗彎剛度減少，可以通過具有較高結(jié)構(gòu)剛度的接頭來獲得補償。這是用線性焊接（插槽連接）代替點狀連接（點焊）所引起的結(jié)果。此外，三點碰撞試驗表明，可以通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)進行額外的局部激光強化來減少撓度（圖6）。
圖6：三點彎曲碰撞試驗的變形結(jié)果：電阻點焊vs插槽和局部激光強化復(fù)合設(shè)計。
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