淺析激光技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用和展望

鹿范捷

摘 要：汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車重量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%；汽車整車質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3至0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。面對(duì)低碳時(shí)代的到來和節(jié)能減排的巨大壓力，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)最現(xiàn)實(shí)、最有效的途徑之一，也是世界汽車發(fā)展的潮流。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；汽車輕量化

汽車輕量化主要使用高強(qiáng)輕質(zhì)的新型材料以及采用先進(jìn)的現(xiàn)代制造技術(shù)。而激光技術(shù)就是一種目前應(yīng)用很普遍的現(xiàn)代制造技術(shù)，遍及了科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)的許多領(lǐng)域。汽車工業(yè)是激光技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，占激光加工15%的份額。本文主要就實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的先進(jìn)現(xiàn)代制造技術(shù)，即激光技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)探索并提出了展望。目前，應(yīng)用于汽車輕量化中的激光技術(shù)主要涉及汽車車身激光焊接、汽車變速器齒輪激光焊接以及應(yīng)用于汽車的激光三維切割技術(shù)等。

1 激光焊接技術(shù)在汽車車身中的應(yīng)用

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊工藝不同，激光焊接可以達(dá)到兩塊鋼板之間的分子結(jié)合；另一方面，可以大大減少搭接寬度和一些加強(qiáng)部件，以壓縮車身結(jié)構(gòu)件本身的體積，從而減少車身重量，達(dá)到汽車輕量化的目標(biāo)。

應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化的激光技術(shù)主要是激光拼焊，即根據(jù)車身不同的設(shè)計(jì)和性能要求，將不同厚度、不同材質(zhì)、不同或相同性能的板材通過激光裁剪和拼焊技術(shù)連接成一整體，再經(jīng)沖壓成形為車身某一部件。由于汽車車身在某一連接部位對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求可能不盡相同；如車身下半部分和上半部分對(duì)于車上人員安全以及汽車本身主動(dòng)和被動(dòng)安全性的作用不同，為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，這時(shí)可能就需要將不同厚度、材質(zhì)、強(qiáng)度的材料連接起來。因此，采用激光拼焊技術(shù)，可以減少汽車上零件和模具數(shù)量、優(yōu)化材料用量、減輕構(gòu)件重量、節(jié)省工序和裝配工作量、降低成本和提高車身尺寸精度。以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化目標(biāo)，目前這一技術(shù)已經(jīng)被許多大型汽車制造商和配件供應(yīng)商采用。

此外，汽車車身總成與分總成的激光焊接在汽車輕量化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用于車身總成與分總成的激光熔焊技術(shù)，能大幅度提高汽車的剛度、強(qiáng)度和密封性以及降低車身重量。它推動(dòng)了汽車在不降低剛度和強(qiáng)度的前提下，向輕量化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。激光焊接在汽車工業(yè)中，特別是中高檔車的生產(chǎn)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。這為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)又提供了一項(xiàng)新的技術(shù)支持及保障。目前，國(guó)內(nèi)外大型汽車制造商都已大量引入激光焊接技術(shù)。如一汽大眾邁騰車身激光焊縫總長(zhǎng)度達(dá)42m，激光焊接使車身的前撞、后撞、側(cè)撞都能做到吸收能量。

2 激光焊接技術(shù)在汽車變速器齒輪中的應(yīng)用

我國(guó)目前微型汽車變速器的結(jié)合齒圈和齒輪的聯(lián)結(jié)幾乎都采用整體精鍛結(jié)合齒、花鍵聯(lián)結(jié)或光孔過盈聯(lián)接。但是由于花鍵結(jié)構(gòu)存在加工工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)以及光孔過盈聯(lián)結(jié)加工要求高、易產(chǎn)生過盈松動(dòng)的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工和連接方法制約了汽車輕量化的發(fā)展進(jìn)程，也已經(jīng)不能滿足對(duì)汽車安全、經(jīng)濟(jì)等各方面日益增長(zhǎng)的要求。因此，必須對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。激光焊接的提出就是解決這一問題的關(guān)鍵所在；汽車零部件焊接采用激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理。目前激光焊接廣泛用到變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向軸、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、離合器、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造中，成為汽車零部件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

齒輪是傳動(dòng)機(jī)械不可缺少的零部件之一，為了減少重量和體積，降低加工難度，節(jié)省原材料，發(fā)達(dá)國(guó)家已將整體加工的齒輪組或齒輪軸改為了分體加工，由焊接組成整體。但是要求焊接后變形小，不破壞原材料性能，焊接強(qiáng)度高，因此用常規(guī)焊接工藝難以達(dá)到上述要求，而采用激光焊接則可解決這一難題。1985 年，美國(guó)克萊斯勒公司將激光焊接用于一種新型四速

變速箱齒輪的焊接，這是首次應(yīng)用激光焊接汽車齒輪，也是激光焊接第一次用于汽車工業(yè)。近年來，越來越多的汽車制造商將激光焊接技術(shù)用于汽車變速器齒輪加工上，以改善傳統(tǒng)齒輪存在的連接可靠性不足、加工復(fù)雜、傳動(dòng)系統(tǒng)過于笨重導(dǎo)致傳動(dòng)效率不佳的缺點(diǎn)。在對(duì)汽車輕量化要求越來越嚴(yán)格的今天，激光焊接技術(shù)對(duì)其的重要性當(dāng)然也越來越受到重視。

3 三維激光切割技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

三維激光切割是利用工業(yè)機(jī)器人靈活和快速的動(dòng)作性能，機(jī)器人裝載的光纖激光切割頭對(duì)不規(guī)則工件進(jìn)行三維切割。光纖激光切割頭上配備隨動(dòng)裝置和光路傳輸裝置，利用光纖將激光傳輸?shù)角懈铑^上，再利用聚焦系統(tǒng)進(jìn)行聚焦，針對(duì)不同厚度的板材開發(fā)出多套聚焦系統(tǒng)對(duì)多種三維金屬板材進(jìn)行多方位的切割。由于汽車的許多零部件的形成并非是一次成型，零部件相互連接接口處形貌及尺寸也并非是規(guī)則的。因此，利用傳統(tǒng)的加工方法無(wú)法到達(dá)或者需要多部工序才能加工出所需要的零部件結(jié)構(gòu)。而三維激光切割技術(shù)可以在立體的加工對(duì)象上，進(jìn)行各種工藝所需的加工，可以在任意一個(gè)面上進(jìn)行工作，無(wú)需人工調(diào)整角度。

近年來，三維激光切割技術(shù)飛速發(fā)展，在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在汽車、模具和航空制造業(yè)的應(yīng)用最為突出。在汽車工業(yè)中，三維激光切割技術(shù)用于切割車身覆蓋件，可以取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊模和沖孔模，其工藝步驟簡(jiǎn)單、制造周期短、切割速度快、切縫寬度小、加工質(zhì)量高，還可以大幅度降低成本，縮短新車型的研發(fā)周期，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

目前在許多國(guó)外汽車制造公司中，激光切割技術(shù)的應(yīng)用也非常普遍，主要用來開發(fā)新車型以及變形車生產(chǎn)中；例如切割樣車零件、車身覆蓋件的切孔、修邊；切割方向盤孔、車身?yè)躏L(fēng)板、車頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件、底盤件的元寶梁、控制臂、后橋等。世界輕質(zhì)鋼制車身協(xié)會(huì)（ULSAB）的最新研究結(jié)果表明：當(dāng)今最新的鋼制車身結(jié)構(gòu)中，50%采用了激光切割和拼焊技術(shù)。

4 結(jié)論和展望

激光技術(shù)在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)的應(yīng)用中可以說是非常廣泛，已經(jīng)滲透到汽車大部分零部件制造中。其中有50%至70%的汽車零部件是用激光加工來完成的，又主要以激光焊接和激光切割為主，激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。

參考文獻(xiàn)

[1]付璐，付黎明.概念車設(shè)計(jì)中創(chuàng)造性思維方法的研究[J].包裝工程， 2007，（08） .