激光焊接、切割在汽车制造中的应用

激光技术 | 2018-08-27 01:47

本文介绍了激光焊接、三维切割技术在汽车制造中的技术特点及国内外应用现状。分析了应用于汽车制造的新型复合焊接技术、远程焊接技术的优势及发展前景等。

1 引言

激光以其高能量密度、高精度、适应性强等优点作为切割和焊接的新手段应用于汽车制造业,具有很大地发展潜力。激光焊接、切割技术在汽车工业中充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点,它既是汽车新产品开发的技术保证,又是高质量、低成本生产不可或缺的技术手段。在发达国家汽车工业界,应用于汽车制造的激光焊接、切割技术已逐渐成为标准的加工工艺[1]。

激光焊接、切割技术虽然在国内取得了长足的发展,但在汽车制造方面的应用与国外相比尚存在较大差距,目前主要还是引进成套激光加工设备、生产线和技术,用于汽车拼焊板,车身组件的焊接和切割,有的厂家则直接进口国外激光加工的零部件。这阻碍了激光这一高新技术的应用推广,降低了激光产业化水平。为提升我国汽车制造的先进技术能力,我们应依靠国内的技术力量,自主创新,在更广范围和更深层次上,加快激光加工在汽车制造业的应用与发展。因此,扩大与提高激光加工技术的工业应用及产业化水平,仍然是一项十分艰巨的任务。随着国家的重点扶持以及汽车制造企业、研究机构及相关单位的努力,激光焊接、切割加工技术对促进我国汽车工业的技术进步和长远发展具有重要的战略意义。

2 激光加工在汽车上的应用

汽车工业的发展对车体质量提出了更高的要求。激光焊接、切割技术不仅在加工质量方面优于传统加工方法,而且生产效率也得到显著提高。激光焊接、切割技术发展到今天,已广泛应用于汽车制造等领域,如图1所示,在21世纪中,激光焊接、切割技术在汽车制造领域必将起到至关重要的作用。

图1激光加工技术在汽车上的应用

2.1激光焊接技术在汽车制造中的应用

激光焊接在汽车制造中的整个工艺主要包括3大类型,即:不等厚板的激光拼焊;车身总成与分总成的激光组焊;汽车零部件的激光焊接。

2.1.1不等厚板的激光拼焊

激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,将不同厚度、不同材质、不同或相同性能的板材通过激光裁剪和拼装技术连接成一整体,再经冲压成形为车身某一部件[2]。采用激光拼焊技术,可以减少零件和模具数量、优化材料用量、减轻构件重量、节省工序和装配工作量、降低成本和提高车身尺寸精度。激光拼焊不但提高了板材利用率(由传统工艺的40%~60%提高到70%~80%),而且减轻了车身重量,提高了车身结构的综合力学性能。目前已经被许多大型汽车制造商和配件工业商采用。典型的激光拼焊构件如图2所示。

图2激光拼焊示意图

拼焊板最初是20世纪60年代日本本田汽车公司利用边角小料做车身内板而采用的一项技术;20世纪70年代,美国福特汽车公司采用激光焊接技术进行车身钢板的拼焊,但未走向商业化;1985年德国Tissen钢铁公司与德国大众汽车公司合作,将全球第一批宽幅激光拼焊板成功应用于奥迪100轿车的底板。此后,法国阿赛洛公司和意大利Sollak公司也进行了激光拼焊研究。从20世纪80年代中期开始,激光拼焊板作为新技术在欧洲、美国、日本得到了广泛的关注[3]。20世纪90年代,由国际钢铁协会牵头全球32家钢厂和3家主机厂联合发起超轻钢车身计划。通过采用拼焊板技术,使车身零件数量减少约25%,车身减重20%,抗扭刚度提高了65%,振动特性改善35%,并且增强了弯曲刚度。目前,激光拼焊板已广泛应用在汽车车身的各个部位上(如图3所示),如行李箱加强板、行李箱内板、减震器支座、后轮罩、侧围内板、门内板(见图4)、前地板、前纵梁、保险杠、横梁、轮罩、B柱连接件、中立柱等。

图3激光拼焊在车身中的应用

图4激光拼焊技术在侧围内板(a)

与车门内板(b)上的应用

随着人们对提高汽车结构安全性和减轻车身重量、降低油耗要求的关注,激光拼焊板这一新技术已经在全球汽车业兴起。激光拼焊板正在被世界各地的新车型所接受,世界汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产。

目前激光拼焊板在欧、美、日等国的各大汽车厂的整车制造中已获得普遍应用,汽车制造商对拼焊板的需求大大促进了拼焊板的生产,目前共有100多条拼焊板生产线分布于世界各地。

中国的激光拼焊板技术应用起步较晚,虽然激光拼焊技术研究得到“九五”科技攻关的资助,但直到2002年10月25日,我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线才在武汉正式投入运行。随着国内激光拼焊板需求量迅速上升,宝钢集团在2004年11月和12月相继在上海和长春成立了激光拼焊板生产公司。但目前国内拼焊板生产线基本依赖进口,制造商主要为德国、瑞士和日本的公司。国内开发的激光拼焊生产线,尽管仍然采用了德国和日本公司的核心技术和设备,但其国产化的价格大体是进口价格的三分之二,如果增大国产化率可进一步降低价格,更重要的是可促进国内企业对核心技术的掌握。

近年来,众多汽车厂家广泛采用激光拼焊板。上海大众率先在Polo系列轿车采用了激光拼焊工艺。在后续的途安、明锐和朗逸等车型均采用了激光拼焊技术,有效地减少了零件个数,减轻了车身的重量,并使零件结构更加合理,抗碰撞性能大幅提高[4]。此外,奥迪、帕萨特、雅阁、别克、马自达等中高档汽车都采用了激光拼焊板。国内具有自主品牌产品的国有、民营企业,如奇瑞、吉利和长城等汽车公司,也都准备在其新车型上应用激光拼焊板。

2.1.2车身总成与分总成的激光焊接

20世纪80年代开始,激光焊接技术开始运用于汽车车身制造领域,主要是应用于车身总成与分总成的焊接。在开发激光焊接新技术方面,激光深熔焊的发展以及大功率激光器的出现,使得激光焊接技术进入了长期以来一直被传统焊接技术所垄断的汽车车身制造领域,使其在汽车车身的制造过程中得到了极为广泛的应用。激光深熔焊技术以其较高的焊接速度和优良的连接质量,大大提高了激光焊接技术在车身制造领域的应用。

激光焊接技术运用于汽车车身能大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性;降低车身重量并达到节能的目的;提高车身的装配精度,使车身的刚度提升30%,从而提高车身的安全性;降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本,减少车身零件的数目并提高车身一体化程度;使整个车身强度更高,安全性更好,并且降低了车辆行驶过程中的噪音和震动,改善了乘坐舒适性。在国外对汽车追求“安全第一”的环境下,激光焊接技术的发展很快,而且国外已经充分利用激光焊接技术进行铝合金车身的焊接,为铝合金车身的制造提供了有效的方法。同时,它推动了汽车在不降低刚度和强度的前提下,向轻量化设计方向发展。激光焊接在汽车工业中,特别是中高档车的生产中已成为标准工艺[2]。

车身的激光焊接主要分总成焊接、侧围与顶盖的焊接、后续焊,如图5所示。德国最先把激光焊接技术运用于汽车制造,以宝马和大众为例,在20世纪90年代中期,宝马公司利用激光焊接机器人完成了宝马5系列轿车的第一条焊缝,焊缝总长度达12m。到2003年7月,激光焊接焊缝的总长度累计达到150万米。在新的激光焊接技术方案上,德国大众途安轿车激光焊点的数量达到了1400个、焊缝的总长度达70m。同时,奥迪也采用了激光焊接技术连接车身。在舒适、美观的敞蓬轿车的生产中,大众公司的技术人员与奥地利的Fronius公司合作研制开发了一种激光复合焊接技术。

从目前国内情况来看,国际品牌的国产化车型:帕萨特、波罗、途安、奥迪、东风标致、福克斯等都已经采用激光焊接技术。一汽大众公司在奥迪、高尔夫、宝来、速腾、迈腾、新捷达等几乎所有品牌的车型制造过程中,均不同程度地采用激光焊接和激光复合焊接等先进的制造技术。其中一汽大众奥迪A6的顶盖和宝来的后盖均采用了激光焊接,速腾和途安的车身激光焊缝长度分别达到30m与40m左右。此外,作为国内自主汽车品牌的华晨、奇瑞、吉利汽车也相继在其新车型上应用激光焊接技术。刚走上自主之路的海马汽车也将激光焊接技术引用到了H1平台,最近推出的海马3就应用了激光焊接技术[5]。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室正在国家863重点项目支持下开展激光车身焊接生产线的研究,焊接生产线和车身焊接工艺技术研究取得了突破性的进展。

图5激光焊接在车身中的应用实例

2.1.3汽车零部件激光焊接

汽车零部件焊接采用激光焊代替传统焊接,零件焊接部位几乎没有变形,焊接速度快,而且不需要焊后热处理,目前激光焊接广泛用到变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链、传动轴、转向轴、发动机排气管、离合器、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造中,成为汽车零部件制造的标准工艺[6~9]。

1985年,美国3大汽车公司之一的克莱斯勒公司将激光焊接用于一种新型四速变速箱齿轮的焊接,这是首次应用激光焊接汽车齿轮,也是激光焊接第一次用于汽车工业。随后,英国的AustinRover公司和德国的Daimler-Benz公司也将激光焊接应用于各自的新型变速箱齿轮。意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮,费用只比老设备提高一倍,生产效率却提高5~7倍。美国福特汽车公司采用4.5kW的CO2激光焊机焊接车轮轮盘钢圈,钢圈厚1mm,焊速为25cm/min。该公司还采用了6kW激光系统建成汽车底板自动化生产线,整体生产线用电子计算机控制,仅需单人操作。Utilase公司用激光焊接发动机室支承轨,在达到原先结构强度前提下,每件可节省3.4kg原材料,完工部件质量减少1.3kg。奥迪80轿车的发动机悬架等零件的制造也采用了激光焊接技术。在我国也有一些公司开展了汽车零部件激光焊接方面的研究,如上海大众、长春一汽、天津一汽、南昌齿轮厂等,图6是激光焊接在汽车动力传动系统零部上的应用。

图6激光焊接在汽车动力传动系统零部上的应用

2.2三维激光切割技术在汽车制造上的应用

三维激光切割技术从20世纪80年代起在国外开始了大规模应用。我国对二维激光切割技术的研究较早,但由于种种原因,三维切割技术的理论研究和实际应用都远远落后于发达国家,亟需走从国外引进技术和自主研发相结合的道路来改变这一现状。

近年来,三维激光切割技术飞速发展,在工业中的应用越来越广泛,尤其在汽车、模具和航空制造业的应用最为突出。在汽车工业中,三维激光切割技术用于切割车身覆盖件,可以取代传统制造工艺的修边模和冲孔模,其工艺步骤简单、制造周期短、切割速度快、切缝宽度小、加工质量高,还可以大幅度降低成本,缩短新车型的研发周期,具有良好的经济价值和应用前景[10~12]。工业中使用的三维激光切割设备主要有两种:三维激光切割机床(见图7)和激光切割机器人[13]。

图7三维数控激光切割机床结构布局

三维激光切割机床的刚性好、加工速度快、加工精度高,但激光头接近加工区域的能力较差,价格较贵;而激光切割机器人虽然其较高的灵活性使激光头接近加工区域的能力增强,并且可以使用光纤传输高功率固体激光进行高柔性加工,但在加工速度和加工精度上不及三维激光切割机床[14]。因此,车身覆盖件在进行三维激光切割时,为提高切割精度和切割质量,世界各大汽车公司普遍采用三维激光切割机床。

目前在许多国外汽车制造公司中,激光切割技术的应用非常普遍,主要用来开发新车型、在线切割、变形车生产,例如切割样车零件,车身覆盖件的切孔、修边(见图8),切割方向盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、安全气囊部件、液压成型部件等。在样车研制和小批量生产中,使用三维以上的激光切割加工系统,切割各种板件。在生产线上,采用激光切割机器人对已经冲压成型的部件进行在线立体切割。高效激光切割系统的应用,大幅度缩短了新车的研制时间和汽车的生产准备周期,使生产实现了自动化和柔性化,生产效率也得到了大幅度的提高。宝马、奔驰、菲亚特、沃尔沃、大众、日产等公司都拥有用于车身加工的五轴激光加工机[15]。在美国汽车发展鼎盛时期,美国底特律大区,有超过500台的激光切割机从事各种车身冲压件切边、切孔及钢板落料加工。

图8车身覆盖件的三维激光切割

如今的汽车消费强调个性化,车型更新换代周期逐渐变短,原来的模具化生产由于自身的局限———制作模具的周期很长,已难以适应越来越快的车型更替。利用激光切割、无模化的快速加工技术赢得了巨大的竞争优势。但三维激光加工设备长期依赖进口,不仅整机价格居高不下,而且配件奇贵,维修也得“受制于人”。

虽然我国在三维激光切割技术方面的研究起步较晚,可喜的是,有越来越多的科研单位、高校加入其中,国内湖南大学与上海团结普瑞玛公司合作,通过“引进吸收”与“集成创新”,研制出大型三维激光切割机。在合作开发的三维五轴激光加工机上,还进行系统的车身部件激光三维切割技术研究。此外,北京工业大学、华中科技大学和清华大学等也开展了三维激光切割技术相关方面的研究。

2.3应用于汽车制造中的新型焊接技术

2.3.1激光复合焊接技术

激光复合焊是将激光束与其他热源结合起来,同时作用于一个焊接区,它采用了两者各自的优点,获得了最佳的焊接效果、更高的焊接速度和良好的焊缝搭桥能力。并可通过调整不同的焊接参数,影响焊缝的形状和结构组成,满足不同的焊接需要[16,17]。此外,激光复合焊是两个热源相互作用,大幅提高了焊接效率,使焊接适用性更广泛,它是目前最先进的焊接方法之一,实现了高焊接速度与良好焊接质量的完美结合。

激光复合焊常见的是激光电弧复合焊接,其中又以激光-MIG/TIG复合焊接常用(见图9)。激光复合焊技术为汽车工业提供了一种全新的焊接技术,尤其是对于激光束焊无法实现或在经济上不可行的装配间隙要求。它具有宽广的应用范围和高效的特性,同时减少了投资成本、缩短了生产时间、节约了生产成本和提高了生产率,具有更强的竞争力。

图9激光-MIG复合焊原理图

激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调整范围。例如,采用激光复合连接技术焊接大众辉腾车门对接接头时(见图10),焊接速度1.2~4.8m/min都是可行的,焊丝送丝速度为4~9m/min,激光功率为2~4kW[18]。因此激光复合焊对汽车工业来说具有极大的吸引力和经济效益。

图10大众辉腾车门激光复合焊接

国内关于激光-电弧复合热源焊接实际应用的报道较少,国外尤其是德国对此项技术的研究较深入。激光-电弧复合焊接广泛应用于汽车工业,大众汽车公司已经在辉腾D1和奥迪A8两款铝合金车上采用了激光复合焊接,宝马汽车公司在宝马5系列的铝合金隔板与内高压变形加工的铝合金支架的连接中采用激光复合焊接技术。激光复合焊同样用于新型奥迪A8汽车的生产。在A8侧顶梁上有各种规格和形式的接头,就是采用激光-MIG复合焊工艺,焊缝共计4.5m长。此外,Fronius公司对复合焊技术也进行了大量的基础研究。

2.3.2激光远程焊接技术

由于传统激光焊接系统在焊接位置之间快速移动的速度相对较低,在实际生产中很难达到大批量生产要求。这一缺点在焊点分布多的复杂三维零件(如车门)上的应用显得尤为突出[19]。高光束质量、高功率新型盘形激光器和光纤激光器的应用推广[20~22],为激光远程焊接技术的实现奠定了硬件基础。

如今远程激光焊接正在成为一种替代传统汽车白车身应用中电阻点焊的一种手段。根据行业调查,已安装的设备超过60套,主要集中在欧洲和北美地区。远程激光焊接技术发挥了单侧,非接触式激光焊接带来的技术和经济优势,并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合,大大缩短了焊接时间,在整个焊接流程中增加了总生产效率。远程激光焊接的优势是最为显著的,如果和传统激光机器人焊接的工作周期相比:对于传统激光-机器人焊接,20mm的缝焊可在0.2~0.4s内完成,重复定位时间最大3s;而对于远程焊接来说焊接时间相同,重复定位时间仅为0.2s。远程焊接的关键优势在于降低了定位时间,这是由于装备了高速的光束扫描装置[23]。

ComauPico公司很早就曾为推动远程激光焊接技术的发展做出努力,他们通过和一些具有前瞻想法的汽车制造商合作,在白车身生产上开辟了新领域。在菲亚特Marea车的一个典型部件上,远程CO2激光焊接被用来替代电阻点焊,它主要用来消除在车后部尾门上采用胶粘剂带来的成本。Renault采用一套Agilaser焊接C85的前门部件(见图11),替代了原先使用的需要12台机器人电阻焊的系统。在Renault公司,一台Agilaser在C65型号的前门焊接38条激光焊缝,仅使用两套相同的夹具。Magna-Autotek以CO2激光器为基础的远程焊接系统开始为大众汽车捷达A5型汽车生产零件。

德国通快公司整合了大功率激光器和机器人系统的远程焊接系统,可替代传统电阻点焊进行高速扫描焊接,并节省高达60%的加工时间和30%的投资成本。RofinRWS远程焊接系统可搭载最大功率达8kW的高品质CO2Slab激光器,并通过RWS3.0控制软件,优化焊接路径实现高速焊接。美国IPG公司已经实现光纤激光器和机器人系统的远程焊接。德国大众采用KUKA机器人,并安装由通快公司的450mm焦距的PFO33扫描式镜头,将激光远程焊技术成功地应用于帕萨特B6后窗台板的焊接,如图12所示。在帕萨特小批量试产之后,激光扫描焊接工艺及其系统组件在2005年被应用于大众汽车公司的系列产品中。从2007年初,后续的奥迪A4车门就已经采用激光扫描焊接工艺和通快公司制造的4kW盘形激光器,如图13所示[24]。

远程激光焊接的概念仍然在发展中,系统不断被改良以满足用户生产中的需求。供应商正努力降低高昂的初始设备投资和夹具复杂性所带来的影响。随着激光技术的发展,比如更高光束质量、更短波长激光器以及高功率传输光纤及镜片导光方式的研制,此外还有不使用保护气体的手段使用激光远程焊技术进行多工位加工以最大化激光使用时间,获得高质量的焊缝和更高产量的生产将成为现实。

3 结论

随着全球经济一体化进程的发展,汽车市场的竞争愈加激烈,汽车的设计与制造技术必将成为世界汽车工业激烈竞争的主战场。而汽车制造中激光焊接、切割技术的应用,必将为车身制造业带来重大变革,为企业带来巨大的效益,同时大大提高和增强企业的竞争力。国内外先进汽车生产企业的经验表明,激光加工技术的推广,将显著提高我国汽车工业产品的质量水平以及在国际中的竞争力。

图11C85的前门部件激光远程焊

图12车身后窗台的激光远程焊

图13奥迪车门的激光扫描焊

21世纪汽车工业正在步入能按照用户需求进行柔性模块化生产的阶段,传统加工工艺不完全满足新生产方式的需要,这给激光加工技术的大规模应用提供了一个机遇,激光焊接、切割技术在汽车领域中一定会有更广阔的发展空间,成为汽车工业中重要的加工方法。

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来源:激光加工

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