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激光加工技术及其在汽车零部件制造中的应用
日期:2017-02-07 来源:本站 点击:1008

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:

几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。

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。

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。

加工时不需用刀具,属于非接触加工,无机械加工变形。

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。

汽车工业中,激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过激光裁剪和拼装技术完成车身某一部位的制造,例如前挡风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处,目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接,例如顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使用量,也提高了车体的刚度。激光焊接零部件,零件焊接部位几乎没有变形,焊接速度快,而且不需要焊后热处理,目前激光焊接零部件已经广泛采用,常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。

3.3 激光淬火

当激光的功率密度约为103~105 W/cm2时,便可实现对铸铁、中碳钢,甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7~1.1 mm,淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小,还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。由于激光淬火过程中很大的过热度和过冷度使得淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力,进而可以大大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能,延长工件的使用寿命。

激光淬火技术的应用涉及交通运输、纺织机械、重型机械、精密仪器的制造等。处理的零件种类包括汽车、摩托车和轮船等的发动机气缸体(套)内壁、曲轴、凸轮轴、转向器壳体、齿轮、机床导轨、油管螺纹、刀具刃口等。在诸多的应用中,尤以在汽车制造业内的应用最为活跃,创造的经济价值最大。在许多汽车关键件上,如缸体、缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座、摇臂、铝活塞环槽等几乎都可以采用激光热处理。

美国通用汽车公司采用激光淬火技术处理汽车转向器壳体内腔(可锻铸铁),耐磨性较原工艺提高近10倍。意大利菲亚特公司采用HPL-1O型激光器处理发动机气缸孔内壁,取消了缸套,降低了油耗,节省了成本;德国奥格斯堡一纽伦堡机械制造有限公司1984年就建立激光淬火生产线,对大型发动机缸套进行激光淬火,淬火带的布局有交叉网纹式、螺旋线式和正弦波式,大大提高缸套耐磨性;除此以外日本丰田公司、美国的福特公司等,也相继将激光表面强化技术应用到汽车制造业中。激光相变硬化过程中,急热急冷的过程使所形成的马氏体细化,位错密度高,处理后的材料硬度、耐磨性、抗疲劳等机械性能提高。

3.4激光熔覆

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷,是材料表面改性技术的一种重要方法,它是利用高能激光束(104~106W/cm2)在金属表面辐照,通过迅速熔化、扩展和迅速凝固,冷却速度通常达到102~106 ℃/s,在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料,从而构成一种新的复合材料,以弥补机体所缺少的高性能,这种复合材料能充分发挥两者的优势,弥补相互间的不足。激光熔覆根据工件的工况要求,熔覆各种设计成分的金属或者非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。

激光熔覆技术在汽车工业中应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理,同时在航空航天、石油行业和机械动力行业也应用广泛。最先采用激光熔覆技术的汽车零件的是发动机的排气门的密封锥形面熔覆Stellite合金。激光熔覆Stellite合金涂层的耐磨性能比基底材料提高5倍。

航空航天工业是最先吸取激光熔覆的优点用于生产的部门,因为它不仅能用于加工零部件,而且能用于修理零部件,采用激光熔覆修复被磨损的航空发动机H型涡轮机叶片可以获得光滑平整的表面,而且生产效率高。国外在叶片和阀座修复等方面开展了激光熔覆的应用研究。如利用激光熔覆工艺代替等离子喷涂和真空感应熔焊工艺,在内燃发动机排气阀密封面熔覆合金涂层,不仅避免了涂层中的孔洞和微裂纹,而且涂层的显微硬度明显提高,排气阀密封面耐磨和耐蚀性能提高3~4倍。

3.5 激光合金化

激光合金化(Laser Surface Alloying,LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法,激光合金化工艺属于材料表面改性处理的范畴。它是指在高能量激光束的照射下,使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合,形成厚度为10~l000μm的表面熔化层,使材料表面在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层,这种合金化层由于具有高于基材的某些性能,所以就达到了表面改性处理的目的。

激光表面合金化工艺的最大特点,是只在熔化区和很小的影响区内发生了成分、组织和性能的变化,对基体的热效应可减少到最低限度,引起的变形也极小。它既可满足表面的使用需要,同时又不牺牲结构的整体特性。由于合金元素是完全溶解于表层内,因此所获得的薄层成分是很均匀的,对开裂和剥落等倾向也不敏感。利用激光合金化技术可使廉价的普通材料表面获得有益的耐磨、耐腐蚀、耐热等性能,从而可以取代昂贵的整体合金;并可改善不锈钢,铝合金和钛合金的耐磨性能;亦可制各传统冶金方法无法得到的某些特殊材料,如超导合金,表面金属玻璃等。

在汽车工业方面,激光表面合金化工艺有广泛的应用前景,它可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能,延长在各种恶劣工作条件下工作的汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀门和传动构件等的使用寿命,从而提高汽车整体的使用性能。

3.6激光无模成形

传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形,其生产效率高,适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈,产品的更新换代速度日益迅速,原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长,加工柔性差,模具费用大,制造成本高等不足,且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等材料。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究,实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形,以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要。激光技术在板料成形领域的应用可分成两大类:一类是利用激光与材料相互作用所产生的热效应使板料成形,称之为激光的热应力(弯曲)成形;另一类是利用高能激光和材料相互作用产生的冲击波的力效应来使板料产生塑性变形,称之为激光冲击成形。德国将激光成形用于汽车制造业,进行了汽车覆盖件的柔性校正和其他异形件的成形,对弯曲成形过程进行计算机闭环控制,弯曲角精度可达到±0.2°。

3.7激光打标

激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬时变成热能,使工件表面迅速产生蒸发,从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形,以作为永久防伪标志。

4 结语

我国汽车生产设备与工艺与国外相比还存在较大差距,大力开展激光加工基础理论与关键技术的研究,对于提升我国汽车工业制造水平和国际竞争力,发展民族工业具有重要的意义。

(文章来源:机床工具制造业)

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