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汽車制造

激光科技及其在汽車制造中的應(yīng)用

星之球科技 來(lái)源:工業(yè)激光解決方案2011-10-15 我要評(píng)論(0 )   

激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接,在連續(xù)焊接中又可分為熱傳導(dǎo)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(xiàn),激光深熔透技術(shù)在國(guó)內(nèi)...

激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接,在連續(xù)焊接中又可分為熱傳導(dǎo)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(xiàn),激光深熔透技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展,最大的焊接深寬比已經(jīng)達(dá)到了12∶1,激光焊接材料也由一般低碳鋼發(fā)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(dá)到了每分鐘幾十米,激光焊接技術(shù)日益成熟,并大量應(yīng)用到生產(chǎn)線上,在汽車生產(chǎn)線上如齒輪焊接,汽車底板及結(jié)構(gòu)件(包括車門車身)的高速拼焊已取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
 
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家中,有50%-70% 的汽車零部件是用激光加工來(lái)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(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝,給汽車制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
        
激光技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用,主要可歸納為以下幾大方面:
        連接
        熱傳導(dǎo)焊接
        深熔透焊接
        縫焊
        點(diǎn)焊
        釬焊
       
 激光微加工和在發(fā)動(dòng)機(jī)部件的應(yīng)用
激光微加工在汽車制造中有著廣泛的應(yīng)用,噴油嘴鉆孔,汽缸內(nèi)壁表面處理是其中兩種比較典型和常見(jiàn)的應(yīng)用。

在對(duì)噴油嘴的鉆孔加工中,許多知名品牌如Bosch噴油嘴的生產(chǎn)使用了激光鉆孔技術(shù),其幾何參數(shù)如下:
        -直徑: 約100微米
        -鉆孔深度: 1000微米
        -精度:優(yōu)于5微米
        -熔融層厚度:<5微米

博世噴油嘴利用激光鉆孔實(shí)現(xiàn)了高精密性能,保證了它使用壽命長(zhǎng)霧化效果優(yōu)等,大大節(jié)省油耗。據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì),產(chǎn)品比一般油嘴每百公里省10%。

另一項(xiàng)應(yīng)用是對(duì)柴油機(jī)汽缸內(nèi)壁表面進(jìn)行處理。這項(xiàng)應(yīng)用的意義在于:通過(guò)在汽缸壁內(nèi)表面加工出儲(chǔ)油槽,增加潤(rùn)滑以降低摩擦,增加汽缸的效率。生成的儲(chǔ)油槽幾何參數(shù)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(fù)頻率使得生產(chǎn)率得到大大增加。
        
傳統(tǒng)的方式是采取機(jī)械珩磨的方式,能產(chǎn)生隨機(jī)、交錯(cuò)、互連的表面溝槽,由于它們相互連通,仍然會(huì)因擠出油料導(dǎo)致金屬之間的碰撞,而激光表面處理的區(qū)別在于其產(chǎn)生的是相互獨(dú)立的凹槽,油料不會(huì)發(fā)生流動(dòng),能夠起到有效的潤(rùn)滑作用,其基本特點(diǎn)如下:
        1) 優(yōu)化摩擦
        -生成了儲(chǔ)存潤(rùn)滑液的凹槽
        -封閉的幾何形狀使容量可測(cè)
        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(zhǎng)度100微米;深度<30微米
        3) 加工時(shí)間
        數(shù)平方厘米區(qū)域只需數(shù)秒完成
        4) 激光參數(shù)
        -高重復(fù)頻率
        -高光束質(zhì)量,在x,y,z軸向擁有較大加工區(qū)域
        -脈沖到脈沖的穩(wěn)定光束質(zhì)量
        -無(wú)首脈沖故障
注:關(guān)于噴油嘴鉆孔和汽缸內(nèi)壁表面處理,有興趣的讀者請(qǐng)參閱本刊2005年2月號(hào)《以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率為目標(biāo)》一文

修復(fù)連桿軸瓦及對(duì)其進(jìn)行劃線和鉆孔也是一項(xiàng)重要的應(yīng)用,在該應(yīng)用當(dāng)中增加了連桿瓦的摩擦鎖緊力,防止在高扭矩狀態(tài)下產(chǎn)生滑動(dòng)。

激光打標(biāo)在汽車零部件的生產(chǎn)中也是非常重要的一項(xiàng)應(yīng)用。它使得零件易于跟蹤,過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟:
        ◆創(chuàng)造數(shù)據(jù)
        ◆數(shù)據(jù)編碼
        ◆數(shù)據(jù)打標(biāo)
        ◆讀取數(shù)據(jù)
        ◆管理數(shù)據(jù)
        ◆數(shù)據(jù)分析并存檔
        
激光在傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用
典型的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用包括發(fā)動(dòng)機(jī)部件,剎車部件,扭矩傳遞,齒輪箱,驅(qū)動(dòng)軸,差動(dòng)齒輪,輪轂等。以下是激光焊接汽車差動(dòng)齒輪的應(yīng)用。

從下圖中可以看到寶馬公司采用激光焊接的差動(dòng)齒輪替代傳統(tǒng)的螺栓連接,新設(shè)計(jì)的齒輪主要用于前后軸向齒輪嚙合應(yīng)用中。該設(shè)計(jì)帶來(lái)的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn):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(xiàng)目進(jìn)行接觸,并由這兩家公司進(jìn)行聯(lián)合工藝開(kāi)發(fā),在2006年2月正式投入生產(chǎn)。該差動(dòng)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(jìn)行填料焊接。
        
汽車車身車間:
激光在白車身焊接的應(yīng)用
白車身是由所有結(jié)構(gòu)件和大部分覆蓋件焊接在一起形成的一個(gè)焊接總成,是汽車的主要部分,其質(zhì)量對(duì)汽車整體功能有很大的影響,一般可將其分為20個(gè)大總成。圖示為白車身各大總成激光焊接的應(yīng)用分布情況。

舉例來(lái)說(shuō),在德國(guó)大眾,激光在白車身的應(yīng)用從1993年開(kāi)始,經(jīng)過(guò)了10余年的發(fā)展,從最開(kāi)始僅用于車頂連接,到現(xiàn)在已經(jīng)遍布白車身的各個(gè)部分。從車頂焊接的應(yīng)用來(lái)看,大眾的帕薩特車型經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,第一階段是電阻點(diǎn)焊,在車頂產(chǎn)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(chǎn)生8mm寬的的焊接帶,第三階段采用激光硬釬焊進(jìn)行角焊,帶來(lái)無(wú)縫的焊接效果。
        
研究報(bào)告:
未來(lái)的白車身生產(chǎn)
來(lái)自麥肯錫公司的研究指出,未來(lái)的白車身生產(chǎn)將呈現(xiàn)以下趨勢(shì):
遠(yuǎn)程激光焊接對(duì)于特定的部件(如車門)的大批量生產(chǎn)將起到縮減投資的作用。
報(bào)告中對(duì)點(diǎn)焊和遠(yuǎn)程激光焊的特點(diǎn)進(jìn)行比較:
傳統(tǒng)點(diǎn)焊(CSW) *
焊矩隨機(jī)器人移動(dòng);點(diǎn)之間緩慢的移動(dòng)速度(約1.5s);相似的焊點(diǎn)。
遠(yuǎn)程焊接(RL)**
激光束隨機(jī)器人移動(dòng);焊縫到焊縫的超快移動(dòng)速度(100ms);焊縫的拼接;小批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型較差。
*假設(shè)的加工案例
**模型計(jì)算基于在2015年的預(yù)期技術(shù)成本
來(lái)源:McKinsey & Co Tomorrow‘s automotive production
        
遠(yuǎn)程激光焊接為何具有生產(chǎn)力?
傳統(tǒng)的激光焊接會(huì)消耗大量時(shí)間在系統(tǒng)或部件的行程及定位上,缺乏生產(chǎn)效率。而使用掃描頭的激光遠(yuǎn)程焊接不僅顯著降低循環(huán)時(shí)間,而且?guī)缀跬耆硕渭庸r(shí)間。在后蓋板的加工當(dāng)中,激光焊接大大提升了生產(chǎn)率,以德國(guó)大眾為例,從前采用電阻點(diǎn)焊,完成34個(gè)焊點(diǎn),需要使用4臺(tái)機(jī)器人,5個(gè)焊矩,焊接時(shí)間需要34.7秒。而采用了激光掃描頭進(jìn)行遠(yuǎn)程焊接后,完成34條焊縫只需1臺(tái)機(jī)器人,一個(gè)振鏡掃描頭,焊接時(shí)間縮短為13秒。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
 
下面進(jìn)一步比較了遠(yuǎn)程焊接二級(jí)總成時(shí)不同焊接方式的效率差別(來(lái)源:BMW)
        不同技術(shù)的效率比較:
        電阻點(diǎn)焊:30s
        傳統(tǒng)激光焊:23s
        遠(yuǎn)程激光焊:5s
        
白車身的另一大趨勢(shì):材料混合
拼焊板是將幾塊不同材質(zhì)、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(duì)材料不同性能的要求。這樣制成的面板結(jié)構(gòu)能達(dá)到最合理的金屬組合。

以車門內(nèi)板為例:為了保證功能的需要,車門內(nèi)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(qiáng)度。如果采用傳統(tǒng)的沖壓成形方法就需要另外設(shè)計(jì)加強(qiáng)板,而采用拼焊技術(shù),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(qiáng)度的材料在進(jìn)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(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

高強(qiáng)度鋼板的新切割方法
將高強(qiáng)度鋼用于車身骨架,在保證車身強(qiáng)度和剛度的同時(shí)減輕重量,并帶來(lái)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(chǎn)新PASSAT白車身的多個(gè)部件。對(duì)于一些具有復(fù)雜輪廓的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō),無(wú)論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō),機(jī)械沖壓手段已經(jīng)達(dá)到極限,而激光切割能帶來(lái)非常有效的加工。圖示是新PASSAT車型的隔板部分(位于發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)采用CO2激光器和5軸加工方式的TRUMPF TLC1005激光系統(tǒng)可高效完成該部件上11處的加工。
        
汽車內(nèi)飾件的應(yīng)用
激光遠(yuǎn)程焊接汽車座椅也是一項(xiàng)重要的應(yīng)用,另外這種方式也改變了傳統(tǒng)的鈑金件設(shè)計(jì),有效減輕了汽車內(nèi)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(tǒng)電阻焊的部件減少了1/3。此外,其他方面的激光應(yīng)用還包括對(duì)汽車內(nèi)飾件打標(biāo)等等。
 

 

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