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激光技术：加工高强度钢的新渠道 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2013-06-13

关键词：汽车,激光技术,生产成本,零部件

汽车制造商越来越依赖于激光技术来进行高强度钢的加工处理。无论是用于焊接、切割或是表面处理，激光加工的经济优势均得到进一步体现。
高强度钢在汽车工业中得到越来越广泛的应用，这使得汽车的制造成本进一步降低。其原因在于，高强度钢的使用降低了汽车装配环节中的零部件的数量，因此降低了生产成本，减轻了整车重量，最终使得汽车的燃油消耗得以降低。
激光堆焊应用——表面耐磨处理
新型钢材的使用并非一帆风顺，没有任何障碍。为了获得高强度或超高强度性能，通常在成型期间对汽车零部件进行压力硬化处理。奥地利格拉茨理工大学的模具与成型研究所进行的“Cool Tool”项目正是进行了这方面的研究。这套方案包含了一套对压力硬化过程进行低温回火的模具加工系统，这个系统利用经过改进的技术，可以更加经济地对硼化合金钢进行压力硬化处理。冷却通道的几何形状就像网络一样布满于模具内部，从而优化了冷却与加热能力，缩短了加工周期。
模具通常采用球墨铸铁材料制成，其成本很低，而且便于进行二次加工，但是存在表面强度低、耐磨性差等问题，所以有必要在承受高载荷区域覆上一层高硬度材料，激光粉末堆焊就可完成这个操作。事实证明，激光粉末堆焊是一种很好的完成此种工艺的方法。通快激光系统公司也进行了此种工艺的研究，并且开发出了金属粉末直接沉积设备(Direct Metal Deposition，DMD)。
在这种工艺中，金属粉末以与激光光束同轴的方向被送入工件表面激光熔池中，而不必对工件进行预热。金属粉末与基体材料一起形成了高强度的耐磨冶金混合物。与传统的烧结方法相比，激光粉末沉积有着无可比拟的优势：热输入量小，硬度增加而且表面裂纹减少；涂层内部硬度有限分布，摩擦系数好；基体材料变形微乎其微，残余应力在成型中不会导致裂纹。而且激光粉末沉积完全可以用于自动化生产。
三维激光切割——无可替代的方法
切边是对高强度钢的另一项挑战。三维激光器切割适用于成型钣金件的切边，特别是对于强度高达1500 MPa的钢板，因为没有其他的加工方法可以替代。在这种情况下，用户就没有必要对昂贵的冲压设备和剪裁设备进行投资。因为在加工这些高硬度的材料时，传统设备的冲模或者刀具的使用寿命会大大缩短，而激光切割就不必考虑这些问题，还具有安装时间短、可灵活更换产品或样品生产等优点。
通快的三维激光产品TruLaserCell已应用于大众帕萨特B侧围的切割，当然包括切边。B侧围由高强度钢热成型而成，其硬度很高而且要承受很大的应力。高强度钢所制的B侧围增加了耐冲撞力，提高了汽车的安全性。这也是尽管高强度钢的成本较高，可是汽车制造商还是愿意使用的原因。
激光焊接——效率、柔性、经济
激光既可进行高强度钢的切割，也可用于焊接。激光焊接效率更高，更加经济，而且焊接质量得到很大提升。但激光焊接对精度要求更高，而且激光器的投资成本相对而言也比较高。
同激光切割相似，激光焊接的优势之一就是热输入量很小。因为对于高强度钢来说，在热输入量过大的情况下，其中某些合金就会丧失高强度的特性。激光焊接同样也是高质量的加工过程，只有很小的热变形，几乎不会使材料产生翘曲，其精度也无与伦比。除此以外，激光还可以用来焊接某些不可想象的部件，如轿车后挡板和顶蓬连接处。而且，激光焊接与传统点焊相比，需要的凸缘更小，这同样降低了车身重量和燃油消耗。要实现这些优越性，连续焊缝是必要的。
扫描焊接(Scanner Welding)则提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好经济性，特别是对于某些部件需要很多短的搭接焊缝时更是如此。扫描焊接也被称之为远距离焊接(Remote Welding)，这是一种使用扫描镜组的动态焊接工艺。通常的工件移动或者是焊接镜组移动时间减少了。一个或两个振镜在扫描镜头内将激光光束快速在焊缝之间切换，所需时间几乎为零。焊缝之间的距离越大，工件上的焊缝数量越多，这种技术的优势越明显。可以采用各种形状的焊缝而不要增加焊接时间，这使得热变形进一步降低。采用这种技术，焊接时间可以降低60%。因此，一个扫描镜组工作站可以替代几个传统的焊接工作站。
在使用这种扫描焊接技术后，汽车车身的结构件可以变得更加灵活。焊缝形状可以根据焊点的强度要求采用不同的形式。这样，焊接凸边的尺寸相对电阻点焊可以进一步减小。汽车制造业因此得益于重量更轻、更加经济的高强度零部件。而且，激光扫描焊接仅需要从工件一侧进行焊接，这可以使得接头尺寸减小，降低车身重量但保证了车身强度。
例如，扫描焊接工作站可以采用通快TLF激光的TrumaScanL4000或者是PFO配合工业机器人来实现。这种工作站也可以对整个车身进行三维加工。通快公司的高光束质量的TruDisk固体激光器用来配合机器人系统进行扫描焊接。
对未来车身结构的研究表明，扫描焊接系统相对于电阻点焊来说，可以降低30%的投资成本，减少50%的加工区域，缩短60%的加工时间。
结论
激光技术为加工处理高强度钢开启了一条新渠道，提高了经济效益。预计未来激光技术还将对汽车设计产生巨大的影响。