新材料与工艺手册

[轻量化工艺] 激光加工在汽车轻量化中的应用

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发表于 2020-11-23 11:21:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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激光加工在汽车轻量化中的应用
沈义,徐芳
武汉华工激光工程有限责任公司 武汉 430070
摘 要:汽车轻量化从来不是一蹴而就,它是材料、结构、工艺三方面结合的综合考量,同时结合成本等生产实际而推动汽车减重,提升整体性能的过程。汽车轻量化,是对国家双积分政策的响应,同时也是提升汽车品质竞争力的必由之路。
关键词:轻量化;激光加工;激光焊接;热成形;切割
2018年开始,国家推动汽车行业“双积分政策”,同时推动了汽车轻量化进程。有关数据研究表明,若汽车整备质量减少20%,汽车燃油效率可提高12%~16%;车辆每减重100kg,CO2排放量可减少5g/km。汽车白车身质量占整车质量的38%,汽车空运行状态下,约72%的燃油消耗都用在白车身质量上,因此汽车减重,特别是白车身轻量化技术对提高车辆经济、环保、安全等因素至关重要[1][2]。
汽车轻量化方法
汽车轻量化是一个系统工程,如图1所示,其设计思路需要从材料、工艺、结构三方面综合考虑。
就材料而言,汽车轻量化主要使用高强轻质的新型材料,主要包含超高强钢、铝合金镁合金复合材料以及塑料等。
图1 车身轻量化的设计思路历程

就工艺而言,与传统的点焊、弧焊工艺相比,新工艺诸如激光焊、冷金属过渡焊、铝点焊、自冲铆、热熔自攻铆接及搅拌摩擦焊等工艺,在不同车身位置和结构都有一定的应用空间,可以从工艺可行性、人力物力等方面综合考虑。
就结构而言,激光焊对翻边尺寸的减重,在车门中的应用可减重8%。激光焊对产品结构设计方面的优化,可极大减少加工制造环节,减小冗余设计。
汽车工业是激光技术重要的应用领域,约占激光加工15%的份额。激光相比其他工艺,优势在于能量集中,穿透能力强,加工效率高,但对前道工序要求高。目前,应用于汽车轻量化中的激光技术主要涉及汽车车身激光焊、热成形板切割、铝合金激光焊、塑料激光焊等。
激光加工工艺
汽车板的激光焊接具有高能、高速、热影响区小和焊缝质量高等优点,且焊接精度高,零件变形小,并能显著提高车身的强度和刚度,已经在白车身的制造中得到广泛应用。比如一汽-大众所生产的开迪、速腾、迈腾车型共采用激光焊缝1600余条,焊缝累计长度近70m,速腾白车身采用21台激光焊机,焊缝长度为9m,整车强度提高了30%。
1.热成形技术及激光切割
随着汽车轻量化的发展,热成形工艺在汽车工业中的应用越来越广泛。如表1所示,热成形工艺将钢板的成形和热处理相结合,先奥氏体化然后再马氏体化,成形淬火后的零件,其强度和硬度大幅提高,屈服强度可达950MPa以上,抗拉强度可达1500MPa,是加热前的2~3倍。硬度可达420HV,至少是加热前的2倍,但其伸长率大幅下降。由于热成形板的强度和硬度特别高,最高可达1 500MPa,所以普通的冲压设备难以加工,或者严重影响设备的使用寿命,对零件的产出效率也受到影响。采用普通热切割或者线切割,要么热影响区比较大,切割质量无法达到要求,要么不适合加工复杂路径且效率低下。而采用激光切割是一种高能束加工,本身是一种非接触式加工,不需要考虑材料的硬度,只需要保证材料有足够的吸光能力,通过对热成形板表面孔和周边轮廓的切割,很好的保证了产品的结构和尺寸,同时加工效率也特别高。对于普通的平面结构,可以采用三维平面切割设备。对于结构复杂的设备,可以采用机器人激光切割;单机器人切割,切小圆的圆度难以保证,需要配置专业的三轴辅助切割;对于结构复杂,精度要求较高的零件,需要用到三维五轴激光切割设备。
汽车上用于热成形加工的结构如图2所示,包括横向支撑梁、悬置固定架、门板加强筋、车顶侧梁、车窗加强筋、后保险杠、中立柱(B柱)、门槛、前立柱(A柱)、纵向承载梁、前保险杠以及地板通道等。热成形工艺后,板材的强度显著提高,采用普通冲压工艺,难以达到传统冲压工艺的效果。通过三维切割,能够实现结构件外轮廓和内部孔的切割,非接触式加工,效率高、精度好、切面光滑且切割工艺稳定。热成形和配套的激光切割工艺,是一种只需改变材料工艺,就能达到减重的解决方案。
法利莱解决B柱热成形件切割的方案如图3所示,一套完整的B柱切割,包括外轮廓和内部孔洞,50s内完成,精度可以控制在0.01mm。
2.激光拼板焊
激光拼板焊(见图4)能够将不同强度等级、不同厚度、不同镀层的材料拼焊在一起(见表2),并进行整体冲压成形,可以优化选材,减少零件及模具,节约制造成本,同时还能提高零件整体刚度,提供更好的安全性能,是当前汽车轻量化的主要技术之一。
表1 普通热成形B柱与冷成形力学性能对比

图2 汽车热成形板应用结构说明

图3 华工法利莱汽车热成形三维激光切割机切割B柱系统

表2 激光拼焊汽车用钢的材料组合

图4 华工法利莱为安塞乐-米塔尔制作的B柱激光拼焊系统

激光拼焊板的特点(见图5)是焊接热输入高、无填料、无搭接、速度快、熔深大、变形小、热影响区小以及焊缝热影响区晶粒细化等。
1)焊缝区的体积降低,不增加焊缝高度、接缝平整、几何形状热应力集中小。
2)焊缝热影响区狭窄,晶粒细小、焊缝强度高、对冲压成形特性影响较小。
3)焊接自动化,生产率高、生产工件整齐化一、质量一致。
4)采用在线检测,可保证焊缝的质量和几何尺寸的精确性,对每一片拼焊板可精确进行跟踪控制。
图5 轿车前纵梁激光拼板改进说明

影响激光拼焊板质量的因素,主要包括对接间隙、激光光斑模式、激光功率、焊接速度以及气体保护等。由于激光光斑直径一般小于0.5mm,如果对接间隙过大,则激光会直接穿透,不能对板料进行有效加热而导致焊接失败;同时,由于工装、夹具的影响,两片板料对接时会存在间隙。
以板厚t为参考,通过对DP600双相钢的等厚拼焊研究表明,当对接间隙<0.18t时,得到的焊缝无明显缺陷,当对接间隙<0.16t时,焊缝强度高于母材。在工程应用中,当t为0.5~3mm时,对接间隙应低于0.1t;当t为3~10mm时,对接间隙应低于0.05t。对于2mm厚的低碳钢,对接间隙应低于0.12mm。
3.车门激光焊应用
车门激光焊结构如图6a所示,为窗框和内板的焊接,焊缝为红色线段示意,实物如右图6b所示。图6c点焊和激光焊关于翻边结构对应的翻边结构宽度要求,激光焊翻边尺寸要求为6~8mm,点焊翻边尺寸要求为15~18mm。采用激光焊代替点焊,就翻边尺寸,可以减少8~10mm,按车门,侧围总长度计算如下(见图7)。
图6 车门结构翻边尺寸设计对比(点焊与激光焊)
a)车门激光焊结构 b)车门激光焊实物 c)翻边结构宽度要求

图7 侧围翻边尺寸的计算

单就计算侧围翻边尺寸缩短叠焊金属板焊接对轻量化的影响效果。计算结果:左右前后14 200mm翻边长度×6mm翻边减少量×2mm板厚,即总质量减少1.86kg,约减重4%。如图8所以,入口增大,以A柱为例,若由搭接改成叠焊,估算翻边尺寸减少12 mm宽度和高度,最终减重约8%。
4.铝合金激光焊
铝合金是目前轻量化的热门材料。研究表明,采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37%,悬挂装置的负荷降低18%,振动强度降低5%。[3]
图8 车门激光焊缝结构翻边对比(搭接和叠焊,结构和实物)

以下分别比较凯迪拉克C T6(见图9)、奥迪A8(见图10)、捷豹XFL、蔚来ES8及特斯拉Model S(见图11)等车型材料占比、白车身质量以及相应车身连接工艺。另外,就特斯拉Model S铝合金占比达61%提升到90%时,车身质量由原来的450kg下降到338kg,减重112kg,减重比例达到25%[4]。
德国大众全铝结构Audi A2轿车上,激光焊缝的长度30m;其多功能轿车车身上更是大量使用激光焊接技术,总长度达到41m。
图9 凯迪拉克CT6车身结构

图10 奥迪A8车身材料应用情况

图11 特斯拉Model S钢车身和铝车身质量对比

车身结构采用铝合金激光焊,主要集中在顶盖与侧围,后盖外板上下板之间的连接,另外也包括一些车门内板和加强筋,侧围内外板等。主要应用的材料为铝合金5系(即5000,简称“5系”,下同)、6系,其力学性能优,焊接性能好;铝合金激光焊容易出现的缺陷,主要为气孔和裂纹,对于5系和6系,不填丝时采用摆动激光焊,填丝焊采用稳定光丝配合的激光头,并填充4系的丝能很好的解决焊缝成形和缺陷问题。
另外,全铝车身结构设计基本已经被验证过性能不佳,钢铝混合是一种可行的解决方案,钢铝的连接性,在轻量化推进过程中,也将越来越多地被应用到实际车身结构中。几种典型轻量化车型对比见表3。
结语
汽车轻量化从来不是一蹴而就的,是材料、工艺、结构三方面结合的综合考量,同时结合成本等生产实际而推动汽车减重而提升整体性能的过程。汽车轻量化,是对国家“双积分政策”的响应,同时也是提升汽车品质竞争力的必由之路。
激光加工作为一种高能量密度、高效、高自动化的加工方法,从最初只被欧美系高端车应用的高端工艺,逐步过渡到国产车系一般工艺,从技术成熟度和产业发展状态,以及人才培养等方面,都有了一定的进步。
汽车轻量化,不仅仅只有激光这一条路径,激光在汽车轻量化中的应用,也不是最普及的一种工艺。激光在汽车轻量化中的应用,从产业化的角度讲,未来有几个方面可以突破。
表3 几种典型轻量化车型铝合金应用对比和连接工艺说明

1)汽车是一个高标准化的设计及制造产业,激光技术的高质高效特性要在特定的场合才能发挥作用,未来需要一大批既懂激光技术、又懂汽车设计及制造工艺的复合型人才,很好地去衔接激光技术与汽车制造。
2)激光装备目前主要依靠进口,近年来,虽然在一些产业里国产设备占有率有了较大的提升,但是汽车行业中,由于设备稳定性及产品品质的要求高,几乎还是进口设备的天下,汽车依然是国家支柱产业,未来激光装备国产化前途光明但道路曲折。
3)随着新材料的不断开发与应用,汽车产业应用轻量高效材料用于车身连接也越来越快越来越多,对于激光与新材料基础性能研究,从实验室到产业化、标准化需要大量的理论与实践支撑。
4)随着车型更新换代越来越快,生产效率越来越高的制造需求,生产过程智能化、柔性化,过程控制可视化,生产结果可监控可追溯等需求,将推动激光加工的辅助应用向产业化发展,包括视觉跟踪、质量监控、生产智能管控、智能算法调整参数匹配来件偏差等,会得到越来越多的应用。


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