激光技术在汽车制造中的应用

1、激光技术在汽车制造中的应用摘 要：激光技术应用于汽车制造是极具发展潜力的重要方向。本文讨论了当前汽车工业中激光加工技术的应用及其发展趋势，并对激光加工技术中的激光焊接、激光拼焊及三维激光切割等技术进行详细的分析。关键词：激光技术 汽车制造 激光焊接0 引言激光在20世纪60年代初首次在美国成功用于拉丝模金刚石打孔。 今天，激光技术的蓬勃发展，推动了传统产业和新兴产业的发展。 据有关资料统计，在欧美发达工业国家中，有50 70 的汽车零部件是用激光加工来完成的。 因此，激光加工作为一种新型环保、高效的加工技术，已经在机械、电子、能源、石油化工等多个方面得到了广泛应用。目前，激光加工方法包括：激光

2、打孔、激光切割、激光热处理、激光涂覆、激光重熔处理、激光拼焊、激光上釉、激光打标、激光成型、激光模型制造、激光配平、激光微加工以及激光合金化等诸多技术，涉及产品加工制造的各个领域1。本文主要分析激光技术在汽车制造工业中的几个典型应用，以期能够推动汽车制造工业中激光技术的发展。1 激光技术在汽车工业中的典型应用1.1 激光焊接激光焊接（如图1所示）是激光材料加工技术应用的重要方面之一,自1990 年丰田汽车公司首次将此技术应用于汽车车身制造以来，该技术在日本和欧美等汽车制造业中得到了广泛的应用,通用、奔驰、大众等汽车公司纷纷开发和应用激光焊接技术,并取得了显著的经济效益。激光焊接的接头形式与普通

3、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。美国通用汽车公司用3kW 光纤传输的连续Nd : YAG激光焊新型的Oldsmobile Aurora 车顶顶部,焊缝总长2. 4mm ,焊速4. 5m/ min ,每小时可完成80 件。焊缝质地光滑,缺陷率低,每件费用仅4.

4、 1 美元。福特汽车公司用5m 长的光纤将2kW Nd : YAG 激光传输到装在IR761/ 125 形机器人的焊头上,把车顶和门框焊在一起,焊两层0. 8mm 厚的钢板,焊速达2. 8m/ min。卡迪拉克豪华车生产中用2. 4kW 连续Nd : YAG激光焊车体镀锌部件,完全满足生产率、经济性和强度的要求。通用汽车公司制造工程主管Frank A. Dip2ietro 认为,如北美汽车制造商都采用激光加工工艺,每年可节省10 亿美元2。图1 激光焊接车身1.2激光拼焊激光拼焊（如图2所示）是汽车车身制造业中最具潜力的激光加工技术。拼焊板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

5、、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

6、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3。 图2 汽车上应用激光拼焊的示意图1.3 三维激光切割技术与传统的板材切割方法相比，激光切割优势，主要表现在：(1) 切割精度高、质量好，切口宽度窄，热影响区小，切口光洁。(2) 切割速度快，加工效率高。(3) 是一种绿色加工。(4) 材料适应性广，几

7、乎可以切割任何金属和非金属材料。开发新车型和小批量定制时的车身制造主要受制于覆盖件的模具，开发一个零件需要35 套模具。每套模具价格在201000 万元之间，开发时间长达36 个月。采用激光三维切割代替落料模、裁边模、冲孔模则是最佳选择。三维激光切割特别适合于“敏捷”制造样车，变型车，改装车，小批量定制等。在多种车型的制造过程中，车型改变后只须改编激光加工的程序，且工装简单、大大缩短工期(可达510 倍)，相对于采用模具制造成本大幅下降4。图3所示为三维激光切割技术的应用。 图3 三维激光切割技术的应用1.4 激光打孔技术激光打孔效率很高，仅在0.001 s内就能完成1个孔的加工。 该技术对孔

8、周围造成的氧化、变形和热影响区域很小，不需后处理工序。不仅如此，它还可在工件移动过程中进行打孔，因而易于加工自动化。也可以在各种材料的零件上加工各种直径和深度的孔，如发动机的燃油喷嘴、散热孔、仪表盘上的各种孔及液压制动器中的细长油孔等，孔径可以小到010013 cm。当加工“全陶瓷发动机”中的碳化硅或氮化硅等高硬度（相当于钢玉）、高熔点（2 690 ）的脆性陶瓷件时，可采用多次重复打孔的办法，使孔的深径比达到25以上，这是通常的加工方法无法办到的。 此外，激光打孔过程为非接触加工过程，加工出来的工件表面清洁（原材料在加工时已被气化）、没有污染，同时省去了机械加工过程中所造成的钻头断裂、磨损和更

9、换等麻烦。1.5 激光熔铸技术发动机的进、排气门座圈是控制燃气吸入与废气排出的重要工作部件，其在工作过程中将在高温下经受气流的冲蚀和气门的冲击摩擦，工作条件十分恶劣。 一旦气门座圈被冲击磨损，导致气门气密性降低，将严重影响发动机效率甚至报废。 特别是，随着有铅汽油的禁用，气门和气门座圈在工作过程中不再积存具有减磨作用的含铅氧化物，这就对气门座圈的高温耐磨、耐蚀性能提出了更高的要求。目前我国汽车发动机大都采用铁基粉末冶金渗铜进、排气门座圈，其使用寿命只有先进国家汽车发动机进、排气门座圈寿命的110。 日本三菱汽车公司则建立了汽车发动机缸头激光熔铸铜基耐磨合金的生产线，显著提高了使用寿命。 我国研

10、究工作者在系统分析国外先进材料及其制备工艺的基础上，立足国情，综合利用先进凝固技术及表面改性技术制备出一种适合我国批量生产的通用发动机进、排气门座圈材料，其使用寿命达到我国现用车辆发动机进、排气门座圈的10倍。1.6 激光淬火技术激光淬火技术是利用激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。 激光淬火比感应淬火、火焰淬火和渗碳淬火的冷却速度快，不需要水火油等冷却介质，是清洁、环保的淬火工艺。 目前激光淬火技术在汽车的铸铁发动机汽缸的淬火方面得到了广泛应用。 激光淬火强化的汽车铸铁发动机汽缸，其硬度可以从原来的HB230提高到HB680，使用寿命提高23倍。激光淬火在齿轮箱

11、、活塞槽、气门导管的处理上均得到广泛应用5。1.7 汽车激光雷达智能安全系统此汽车防撞系统的核心是研制激光成像雷达，可以精确测量目标的距离、相对速度、方位并进行目标识别，通过信号处理系统对目标动态数据进行分析、计算和判断，适时预警，自动提醒驾驶员与目标保持安全距离，并具有智能蔽障功能，对特别危险情况可自动刹车。 设置新颖，防撞效果好，造价低，应用前途广泛。 特别适用于各种高速行驶的车辆之间以及车辆与前方障碍物之间的碰撞。 经过适当改造以后，也可以用于飞机防撞、卫星对接、导弹制导、潜艇探测等领域。2 结论随着社会的发展，对汽车发动机的要求越来越高，汽车发动机业正向着高参数、高效率、高负荷的方向发

12、展，激光在提高生产效率（如激光拼焊、激光焊接）、提高零部件的耐磨损（如激光淬火，激光熔铸）等方面的作用越来越明显，效果越来越显著，激光用在汽车发动机汽缸内表面的热处理也是一个新趋势。 只要用激光使汽缸表面形成一个硬化的网子，就可以延长1倍以上的寿命。 正因为激光能增强材料寿命，使物质改性，所以需要形成激光工业。3 展望激光加工作为信息时代的一种新型加工工艺，既得到其他高新技术发展的有力支撑，又受到社会经济迅速发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的发展势头。 已成熟的激光加工工艺，比如打孔、切割、焊接、表面改性等将继续推广应用在汽车工业、机械制造业和电子工业中。 激光也将和CAM、机器人等最新制造技术相结合，大大提高加工的质量、精度、效率，节约材料和能源，不仅适用于大规模生产，也适用于单件和小批量生产，成为柔性制造的有力“刀具”。 激光加工设备凭借其发展效率高、可靠性好、灵便、廉价的优势，使之成为人人可以操作使用的工具。我国是汽车生产大国，而在激光技术应用理论与实践上同发达国家还有较大的差距和广阔的发展空间，需要我们根据汽车零部件的制造特点和性能要求，合理地应用激光技术，使其达到延长零部件使用寿命、节约生产成本的目的，从而推动激光技术在汽车应用上的步伐。参考文献：1王勇刚，马晓宇. 激光