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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OldsmobileAurora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4.1美元。福特汽车公司用5m长的光纤将2kWNd: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FrankA.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、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[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3～5套模具。每套模具价格在20～1000万元之间，开发时间长达3～6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5～10倍)，相对于采用模具制造成本大幅下降[4]。