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每一克都意义重大——光纤激光带你驶入汽车轻量化浪潮

IPG 中字

OFweek激光网讯:我们可以看到,汽车行业轻量化理念的推广日益壮大。轻量化,是在保证汽车强度和安全性的前提下,尽可能地降低汽车整备质量,减少油耗,降低污染的一种理念和方法。

除了节能环保,在驾驶体验方面,轻量化后汽车加速性能也得到提高,而且在碰撞时由于惯性小,制动距离也减少。此外,车辆每减轻100公斤,二氧化碳排放可减少约5克/公里。因此,汽车的轻量化已经成为世界汽车工业发展的潮流。正如某汽车品牌所提出的观点,“每一克,都意义重大”。

由于光纤激光器在高度自动化、高度灵活化的生产系统中的重要性逐步凸显,激光方案覆盖了汽车制造行业所有应用领域。我们先来看看下面这篇在以通用汽车为代表的美国汽车工业中,铝车身制造中的激光焊接应用介绍。

凯迪拉克

为了使凯迪拉克重返世界顶级豪华品牌舞台,使其成为同级别各品牌中最轻的轿车,通用汽车全力以赴,将13种材料使用于轿车车身上。而且,就像一位行业观察家所说,他们为了将铝、碳钢、镁和塑料等不同材料一块块的拼接在一起,通用汽车采用了汽车行业最复杂、最先进的复合材料制造工艺,使用28个机器人焊接汽车的内外部车架。

每一克都意义重大——光纤激光带你驶入汽车轻量化浪潮

图1. 通用汽车2016款凯迪拉克CT6铝合金车顶与车身采用激光器进行焊接图片来自:通用汽车

将光滑、轻量化的车身连在一起所采用的包括热融自攻丝、自钻铆接、首次使用的铝合金电阻点焊以及铝合金激光焊在内的工艺,也可能是未来美国汽车工业的连接技术策略(图2)。通过这种材料工艺组合,与采用全钢结构的重量相比,通用汽车成功地将凯迪拉克CT6的重量减少了198磅(89.81 kg)。

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图2. 通用汽车采用钢铝合金、锰钢等多种材料和特有的铝合金电阻点焊和激光焊等多种工艺,将凯迪拉克CT6的重量减少了198磅(89.81kg) 图片来自:通用汽车

2015年1月在底特律汉姆川克工厂投产的CT6,是迄今为止最受瞩目的、加入轻量化潮流的车型。轻量化特别强调使用铝合金取代碳钢,并在很大程度上受到要求更为严格的、到2025年要达到油耗为54.5公里/加仑的联邦乘用车碰撞安全标准法规的影响。

除了铝合金车顶采用了激光焊接,据通用汽车先进技术与焊接工程部经理Elaine Garcia介绍,通用汽车还使用激光焊接轿车车门与行李箱盖。“我们用激光焊接铝合金车顶和行李箱盖是因为它能够实现产品设计中的某种外观,而且用激光焊接铝合金车门是因为它允许更短的焊接法兰和更宽敞的车窗,”Garcia表示。阿帕小奇找到的下面的这个视频,就展示了凯迪拉克在美国底特律工厂中CT6铝合金顶棚与车身连接及后备厢盖总成连接激光焊。

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就像许多对于哪种工艺将被竞争者采用的争议一样,汽车制造商用哪种焊接工艺来制造更轻巧结实的汽车也要经过再三考虑。这是工业激光器所面临的要么捷足先登,要么被其他工艺,例如粘接或者点焊取代的重要时机。

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图3.通用汽车对凯迪拉克CT6采用了混合材料工艺,即用碳钢、铝合金和其他材料等多种材料组成轿车车身。图片来自:通用汽车

铝合金的使用——已经在路上

铝合金的重量大概是碳钢的三分之一,然而它们的强度却相似。据美国铝业协会的铝运输部估计,用铝合金替代碳钢每减重10%,车辆油耗最高可节省7%。

尽管现在社会趋势特别强调轻量化,“在汽车行业铝合金不算新材料”,位于密歇根安阿伯的汽车研究中心总裁及CEO杰巴伦说到。他指出,1923年福特推出了一辆铝合金轿车,在60年代,汽车厂进行了复合材料实验。到了70年代中期,汽车上铝合金部件的重量还低于100磅(45.36 kg),而到了2013年该重量增加到350磅(158.76kg)。据2014年位于密歇根州特洛伊的德鲁克全球的一项研究,到2025年汽车上的铝合金重量被期望达到500磅(226.8 kg)。在很多领域,美国汽车工业刚刚开始赶上欧洲同行。

与以前不同的是,巴伦说,现在已经加快使用铝合金替代碳钢了。这为激光器提供了机遇。近2年来,例如IPG Photonics的 CEO Valentin Gapontsev在季度电话会议中提到“汽车工业采用高强钢和铝合金生产轻量化汽车的趋势推动了光纤激光器的应用。”

主要使用光纤激光器焊接CT6车身铝合金的通用汽车,2013年才开始在车身铝合金上使用激光焊接。到现在,通用汽车已经在多款车型,例如Cadillac Escalade(攀登者),Chevrolet Suburban(雪佛兰巨无霸),Tahoe(太浩),以及GMC Yukon(育空)也是用激光焊接铝合金的,加西亚说到。

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图4. 凯迪拉克CT6后备箱盖上的激光铝焊接焊缝 图片来自:汽车之家

通常,汽车厂激光焊接主要用于悬架结构,例如将车门和后盖与白车身焊接在一起。凯迪拉克CT6的铝合金顶棚与车身的连接以及后备厢盖总成的连接就是采用了激光焊接工艺。

利用激光融化铝材质的钎料实现铝板之间的连接。其中后备厢盖的铝激光焊接焊缝无需经过打磨等处理就能够进行后续的涂装作业,足见该焊缝表面的平滑程度。而顶棚与车身之间的铝合金焊缝也无需打磨,仅需在涂装前涂上一层胶液并刮平即可保证后续漆面涂装质量。

此外,整车厂最近开始采用激光器焊接内部构件,例如铝合金滤清器和操舵杆,以及电动汽车电池的铝合金外壳、铜极片等。

激光工艺 vs. 非激光工艺

有大量IPG Photonics的光纤激光器用于车身线焊/钎焊应用。实际上,IPG在2015年5月投资者会议上阐述,他们相信光纤激光器焊接的市场机遇远远大于切割市场的市场机遇。

IPGPhotonics对采用激光线焊机(LSS,一种集成激光焊接和工件夹持的机器人焊接工具,可浏览下方视频)取代几种汽车应用中的电阻点焊工艺充满信心。在某次季度电话会议上,ValentinGapontsev表示LSS能用于加工不同的材料,例如碳钢、铝合金、不锈钢,而且焊点的强度是传统电阻点焊的两倍。”

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当激光器开始用来替代电阻点焊机的时候,“激光器的使用并没有因铝合金使用量的波动而有大规模的波动”,林肯电气全球汽车事业部经理蒂姆赫尔利表示。相反,“激光焊接开始用于原可使用电阻点焊进行的碳钢部件的焊接。”他表示铝合金的高导热率以及电阻点焊会产生的痕迹给了激光焊接很大的机遇。然而,有时激光焊接的优势取决于被加工的合金,有一部分合金容易产生裂纹并需要填丝。

“凭借高速、低热输入和低变形率,以及应用的整体灵活性,激光工艺成为汽车工业过去二十年中的关键组装工艺,”里奇曼表示。“由于激光焊接的卓越焊缝质量,它主要用于对外观有严格要求的应用。”

当铆焊成为铝合金部件焊接的热门工艺时,巴伦说他期待整车厂大幅减少对这些机械固定件的依赖。例如通用汽车就在CT6上成功的少用了约1800个铆接点,通过焊点强度更高的激光焊接减少了4磅(1.81 kg)的重量。

“铆焊会增加重量。激光焊不会增加重量,”巴伦说道。

巴伦补充到,对激光焊接构成最大威胁的铝合金非激光焊接工艺,可能是越来越复杂、比点焊更好的粘接工艺。然而,加西亚说到通用汽车更加信赖激光焊接,这部分减少或替代了粘接工艺或者线焊工艺。

艾瑞克斯泰尔斯,IPG Photonics中西部应用经理说激光焊接还可以取代气体保护金属极弧焊。然而,这种工艺的热输入对于焊接更薄的板材来说太高。激光焊接的其他机遇还来自于整车厂采用没有法兰或者使用更小法兰的部件设计。

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“激”(机)遇开放

“有些车厂在开发激光焊接的潜力,以降低或消除车门,发动机罩和护甲板设计中的钣金焊接法兰。在这些应用中,激光焊接被用于取代在薄板装配中内外侧板的传统成型缝焊。如果成功,这可能会是未来激光焊接运用中有更多潜力的应用,”里奇曼说到。

汽车零部件,例如车门,通常在对多层金属板通电焊接的点焊工艺中对焊接法兰加压。采用激光焊接,例如CT6的车窗法兰厚度为6 mm,而传统的点焊车窗法兰厚度为10-15 mm。当全车身焊接法兰都减小时,就会显著降低车体的重量。加西亚说激光焊接的线性焊缝允许更小的法兰,而点焊的环形法兰却有5-7 mm大小 。

巨大的成本优势

铝合金和激光器的成本影响了激光焊接在汽车工业中的应用。过去10年4 kW激光器的价格下降了66.7%,而碳钢的价格却比铝合金便宜1/3。而且铝合金价格下降没有激光器价格下降的多,从2006到2015年,铝合金每吨的年度平均价格仅下降了12%。

巴伦说,随着汽车业务模式趋向于采用更多技术,“激光器注定会有更多机遇。”加西亚补充说,通用汽车对激光器的使用率“取得增长因为我们对这种技术更加自信。”考虑到汽车及航空航天行业通常引领工艺趋势,激光器厂商期待着制造商们加入轻量化技术的行列。而其他像汽车和航空航天这两个对重量敏感的行业,许多企业则可以从铝合金可带来的减重中获益。

“铝合金有许多优势,从轻量化到防腐蚀,所以当汽车行业中铝合金的使用增加时,必然会给其他工业带来机遇。”IPG Photonics的斯泰尔斯说到。

(IPGB基于James Schlett 撰写文章综合整理)

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