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激光加工技术及其在汽车零部件制造中的应用

导读: 激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上,加上它本身强度高,故可以使其焦点处的功率密度达到105~1013W/cm2,温度可达10000℃以上。

    本文介绍了激光加工的原理及特点,分析了激光切割、激光焊接、激光表面淬火、激光熔覆、激光合金化、激光无模成形以及激光打标技术在汽车零部件制造中的应用。

  1激光加工的原理

  激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好,理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上,加上它本身强度高,故可以使其焦点处的功率密度达到105~1013W/cm2,温度可达10000℃以上。在这样的高温下,任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化,并爆炸性地高速喷射出来,同时产生方向性很强的冲击。因此,激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。

  2激光加工特点

  激光加工的特点主要有以下几个方面:

  (1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。

  (2) 激光能聚焦成极小的光斑,可进行微细和精密加工,如微细窄缝和微型孔的加工。

  (3) 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。

  (4) 加工时不需用刀具,属于非接触加工,无机械加工变形。

  (5) 无需加工工具和特殊环境,便于自动控制连续加工,加工效率高,加工变形和热变形小。

  3 激光加工技术在汽车零部件制造中的应用

  3.1激光切割

  激光切割大多采用大功率的CO2激光器,对于精细切割,也可采用YAG激光器。激光可以切割金属,也可以切割非金属。在激光切割过程中,由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力,再加上激光切割切缝小,便于自动控制,故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好,热影响区小,加工柔性大等优点在现代工业中得到了极为广泛的应用,激光切割技术也成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。

  从工业应用领域来看,金属和非金属的激光切割是激光加工最主要的应用领域,最具代表性的应用是在汽车工业中,从轿车底板的激光拼焊,顶棚的激光焊接,车身覆盖件三维轮廓的激光切割到汽车转向器壳体的激光淬火等,都有大量的应用。据估计,约有60%的汽车零部件可以通过激光加工来提高质量。激光切割过程中无“刀具”的磨损,无“切削力”作用于工件,激光切割板材其切割效率可以提高8~20倍,节省材料15%~30%,可以大幅度降低生产成本,且加工精度高,产品质量可靠。美国、欧洲和日本等工业发达国家的激光加工已经形成了一个新兴的高技术产业,工业激光器和激光加工机的销售逐年递增,应用领域规模不断扩大。由于激光切割发展迅猛,在全球已生产、销售用于激光加工领域的工业激光器中有超过40%的激光器是用作切割用途的。

  日本主要用于大型覆盖件的下料切边,挡风板的激光切割等。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司,在汽车生产线上普遍采用激光切割技术。它不必采用各种规格的金属模具,除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外,还用来大量切割加工因规格不同,需要更改的零件安装孔位置,如汽车标志灯、车架、车身两侧装饰线等。三维激光切割技术在20世纪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件,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。相对于CO2激光器,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,因此在三维切割时大多采用。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用,例如开行李架固定孔、顶盖滑轨孔、天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正,既缩短了试制周期又省开了模具,充分体现出采用激光切割加工的优点。

  3.2激光焊接

  当激光的功率密度为105~107 W/cm2,照射时间约为1/100 s左右时,可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。激光焊接速度快,热影响区小,焊接质量高,既可焊接同种材料,也可焊接异种材料,还可透过玻璃进行焊接。激光焊接技术已在航空航天、武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域得到广泛应用。在航空工业以及其他许多应用中,激光焊接能够实现很多类型材料的连接,而且激光焊接通常具有许多其他熔焊工艺所无法比拟的优越性,尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料,如铝合金等,并且构件的变形小,接头质量高,重现性好。在汽车工业中,传统焊接有电阻焊、CO2电弧焊、手工焊等焊接工艺。但传统的焊接方法存在焊接后变形量大、焊缝质量较差、容易产生气孔、热影响区大等焊接缺陷,不宜于尺寸要求高、变形量小的薄板焊接和变速箱齿轮轴类焊接。而自从20世纪60年代以来,随着激光技术的不断发展,由最初的红宝石激光器到大功率CO2激光出现,使汽车工业在内的加工行业得到迅速发展,出现了激光焊接工艺。激光焊接不仅能很好焊接各类金属,而且能焊接非金属、半导体、陶瓷等,并具有焊后热变形量小、焊缝质量好等特点。

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