激光技术在汽车工业的应用

来源:热处理工艺学作者:夏立芳

  20世纪70年代,美国进行了两大研究:一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接;二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了之后的工业制造业中的激光加工技术的发展。到80年代后期,激光加工的应用实例有所增加,其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这3项技术目前已经发展成熟,应用也很广泛。

  随着激光加工技术的不断完善和提高,国内外各类制造业逐渐加快了产品的更新换代。通用、福特、奔驰、大众、丰田等汽车制造商运用激光技术进行表面硬化、焊接切割。

一、激光技术在汽车工业中的应用

  汽车工业是激光加工应用最多的领域之一。激光加工通常以切割和焊接为主。在汽车样车和小批量生产中大量使用三维激光束切割机,对普通铝、不锈钢等薄板、带材的切割加工。应用激光加工,不仅大幅度缩短了生产准备周期,并且使车间生产实现了柔性化,加工面积减小了一半。由于它的加工效率高,比机械加工方式的加工费用减少了50%。激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺,主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。由于激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处,其被用于如前档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等的生产中。而激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接。用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量也提高了车体的刚度,目前已经被世界上部分生产高档轿车的大汽车制造商和领先的配件供应商所采用。

  第一次激光拼焊试验是在1981年的英国莱兰,而真正的使用是在1983年 -- 德国汽车制造商奥迪需要足够大的金属板材冲压进轿车底盘,这次才是公认的首次关于激光拼焊板的生产。由于德国钢厂没有合适尺寸的钢板,Thyssen Steel 公司采用 Rofin Sinar 1.5千瓦 CO2激光器将两块现有的钢板焊接在一起,以满足冲压所需要的尺寸。因此诞生了激光拼焊的业务,现在全球各大汽车生产商广泛采用此技术加工的零部件。1984年丰田公司震惊了全球的汽车业,该公司在凯美瑞车上推出了激光焊接五片式车轮挡圈,允许选择金属的厚度,以减少重量,从而能节省更多的燃料。由于汽车业对拼焊部件的需求逐年上升,兴起了一批生产拼焊板的分包商,他们需要购买更高功率(高达8kW)的 CO2 激光器。激光拼焊用来设计和生产更轻、更节能的交通工具,贡献巨大。其将不同种类、厚度的钢材接合起来的能力使得设计师能够极大地提升车身设计;在最大限度减少标准组件数量的情况下,仍能满足严格的碰撞标准。

  另外,其他激光技术在汽车行业中也得到了广泛应用。激光表面处理被用于汽车的发动机阀座、车顶外壳与框架等零部件的制造中,如钢套、曲轴、活塞环和齿轮等的热处理,在经激光热处理后,不必再进行后处理,可直接送到装配线上安装。激光测量可以快速和非常精确地检验每一个成品零部件的尺寸是否与设计尺寸完全一致;汽车车身的激光在线检测,及时反馈产品的误差信息,大量程、直观、快速、精度高;无接触激光测量系统被用于无接触激光测量的最佳解决方案。而且,激光测量仪能够最迅速地将一个零部件或物理模型转变为数字化文件,这种文件可以用各种方法处理并同其他文件进行比较。激光快速成型技术是突破了制造业的传统模式,成为当前最具吸引力的技术。激光快速成型技术可使新产品及早投放市场,极大地提高了汽车生产企业对市场的应用能力和产品的竞争能力。

二、激光技术和最新科研成果,闪耀于今春三月慕尼黑上海激光、光电展

  GSI 集团推出了其畅销系列产品 JK 工业激光器的新产品的一员 -- JK604D 激光器专门为汽车工业的冲击钻和开孔而设计。主要应用于喷气发动机中的冷却孔(喷口)cooling holes(effusion) 和燃气涡轮部件,像喷嘴导向叶片,桨片和燃烧室衬垫。

  沈阳新松的光纤激光切割机、法利莱的 walc 系列和 trident 系列、IPG 的准连续 QCW 高脉冲能量光纤激光器、相干的 DIAMON E 系列脉冲输出 CO2激光器、美国光波的 Q 固体激光器、通快、罗芬、联赢、大族、镭射谷等企业的产品,都为汽车工业带来了新鲜的活动和技术的革新。

  在2011年3月的慕尼黑上海激光、光电展上,观众将可以接触到以上企业的最新技术和产品,感受激光技术给汽车工业所带来的强大生命力和活力。

  同期的“第六届国际应用激光技术中国研讨会”将就创新微加工工艺、精密加工、新型金属加工、激光焊接、激光系统及原件在材料加工应用、现代激光源六大主题进行深入讨论,涵盖高功率激光应用及微细加工各方面最新技术发展及应用。大会演讲嘉宾来自于激光加工的各个领域:汽车制造业(如通用汽车中国研究中心),钢铁行业(如宝钢研究中心)及领先的激光技术企业(Coherent, Edgewave, GSI Group, IPG, Laserline, m2k, rofin, Spectra Physics, Trumpf 等)将为大家带来最新的激光研究和应用技术。部分演讲嘉宾及议题包括:

激光焊接管在汽车行业的应用(Yang Shanglu 博士,通用汽车中国研究中心,中国)

激光焊接轻质材料在汽车行业的应用(严其艳博士,宝钢研究中心,中国)

通过激光焊接镀锌钢板来检测锁孔行为(潘宇 先生,丹弗斯,中国)

激光冲击强化处理在纳米碳化钨冷植入镁铝合金表面的研究(钟敏霖教授,清华大学,中国)

异种金属激光焊接(Mohammed Naeem 博士,GSI Group,英国)

激光焊接低碳钢的特性通过应用3KW 单模光纤激光器(Muneharu Kutsuna 教授,先进激光技术研究中心有限公司,日本)

高脉冲能量(焦耳级)光纤激光器以及应用(顾波博士,IPG Photonics 公司, 美国)

  2011年慕尼黑上海激光、光电展吸引了近350家国内外光学、激光技术企业参展,届时将吸引近30000余名观众到场参观,即可通过网上系统免费预登记,将获得主办方提供的展会会刊一本,更有机会抽取缤纷大奖。