激光在汽车车身的应用

产品说明：车身作为汽车上三大部件之一，已越来越受到重视。这不仅因为从质量上讲，轿车、客车的车身已占整车的40%~60%，货车车身也达20%~30%；从制造成本来看，车身占整车的百分比还要超过这些数值的上限。汽车车身的制造工艺相当复杂，其主要零部件由钢板成形、焊接而成。


传统的制造工艺是在冲压生产线上采用全模具成形，包括落料、冲孔、拉深和整形等。然后在车身装配线上进行焊接等装配，焊接大量采用悬挂式点焊机和焊枪。由于生产汽车车身用的模具结构较为复杂，其设计和制造周期较长，导致汽车产品的更新换代周期较长。为了能在激烈的市场竞争中把握商机，处于领先地位，世界各国的汽车制造厂家推出新车型的周期正在变得愈来愈短。为此，各汽车制造商在各自的汽车车身制造中，都积极引进和采用先进的加工技术。而大功率工业用激光器的出现则为汽车制造业提供了一种全新的装备和加工工艺，大大提高了产品的更新换代速度，提高了市场竞争力。



01激光切割

由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性，在80年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工作。因此，夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与CAD/ CAM 技术相结合 , 切割过程易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现高效率的切割生产。


切割车身板材，所使用的激光器主要有两大类，即 CO2 激光器和 Nd: YAG 激光器，功率为 100～1500W , 因为功率小于 1500W 的激光器其振动模式为单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ; 而输出功率大于 1500W 时激光器的振动模式为多模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd:YAG 的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,适用于机器人手执激光“喷嘴”配程序控制进行精确操作 , 因此在切割时大多采用。


影响激光切割工件质量的主要因素有 : 切割速度 , 焦点位置 , 辅助气体压力 , 激光输出功率及模式。当采用高功率 CO 2 激光器切割时 , 切割速度与材料厚度成反比 , 但在其它工艺参数不变的情况下 , 切割速度可以有一个相对调节范围而仍能保持较满意的切割质量。图 1 示出了由上、下两条曲线组合相应的切割速度允许的调节范围。



02激光焊接

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一 , 激光焊接的接头形式与普通焊接相同 , 有对接、搭接、卷边、角接、 T 字型等形式并能点焊。在汽车制造中应用最广泛的是对接头形式。汽车车身装配中激光焊接所用的激光器大多为 YAG 激光器。传统的点焊是双边加工 , 把两个焊头夹在工件凸缘上进行焊接 , 凸缘宽度至少需要 16mm , 而激光焊是单边加工 , 凸缘宽度可减少至 5mm , 从点焊改为激光焊 , 每辆车可节省钢材 40kg 。不但省材料 , 还提高了工效 , 增加了汽车构件的强度。



03激光拼焊

激光拼焊是汽车车身制造业中最具潜力的激光加工技术。拼焊板（Tailor Welded Blanks）是汽车车身设计制造中出现的一个崭新的概念 , 可将不同厚度、材质、强度、冲压性能和不同表面处理状况的数块板坯拼焊在一起 , 形成冲压成形前的板料毛坯 , 然后压制成所需的覆盖件 , 如侧围、底板、内门板、支柱等。这种板材的自由组合具有以下特点：

1)减少零件数量。由于拼焊板可以一体成形 , 提高了车身的精度 , 减少了大量冲压加工的设备和工序。

2) 减轻结构件重量。由于采用不同钢板拼接 , 对于易腐蚀的部位可采用涂镀层钢板以提高使用寿命 , 根据不同部位强度的要求 , 采用不同厚度的板料焊在一起 ,然后一次冲压成形 , 而不再需要焊接加强筋。从而降低钢材消耗和生产成本 , 减轻车身重量 , 最终降低汽车能耗。

3) 提高结构件质量和可靠性 , 由于采用连续激光焊代替不连续的点焊、铆接 , 车身的刚度和紧固性得到提高。

4) 由于没有搭焊处 , 可减少许多原来需要采取密封措施的地方 , 使防腐性和防锈性得到改善 , 也使车身结构大大简化。板坯是在充分分析车身结构的基础上优化部件设计 , 使之可以有少数几种典型的坯板拼焊而成。一辆汽车的车身和底盘由 300 多种零件组成 , 采用拼焊板技术可使零件数量减少 66 % , 因此大大减少了模具数量 , 提高了材料的利用率。







04激光成形

金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束以一定的速度扫描金属板料表面 ( 扫描速度应足够快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显的温度梯度 , 导致非均匀分布的热应力 , 从而使板料塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形具有许多独特的优点：

（1）属于无模成形 , 生产周期短 , 柔性大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺参数 , 精确控制热作用区域及热应力的分布，将板料无模成形。

（2）因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成形。

（3）为非接触式成形 , 所以不存在模具制作、磨损和润滑等问题 , 也不存在贴模、回弹现象 , 成形精度高。

（4）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件 ( 如球形件、锥形件和抛物形件等 ) 。

激光成形机理其实质就是弯曲机理。当激光加热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应力, 同时降低了被加热区域板料的屈服极限 , 从而使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变形 ,实现板料的变曲成形。试验表明 , 激光每扫描一道次 , 金属板料可弯曲 1 °～ 5 °。不同的扫描轨迹和工艺参数组合, 能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。

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