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激光为汽车制造商塑造和加入轻质材料创造了新的可能性

如今,全球的汽车原始设备制造商迫切希望减轻车辆重量。宝马也不例外。

例如,汽车制造商的2017 5系列比之前的型号轻了137磅。鉴于2017款轿车比2016款车型更长,更宽,更高,更坚固,更强劲,减重更令人印象深刻。

削减车辆的重量需要一些巧妙的工程设计和更多使用高强度钢,铝和镁。2016款5系列已含有相当数量的铝,包括车门,引擎盖和前挡泥板。2017款车型使用更多。工程师重新设计了后侧构件,将18个零件合并为一个铸铝件。这节省了24磅。铝制行李箱盖增加了9个。行李箱,发动机横梁和车顶也由铝制成。

在车顶,侧梁和后部采用高强度和超高强度钢的战略性使用,在减轻重量的同时赋予车身高的结构强度。而且,宝马使用镁来铸造仪表板,使其比前一代钢材轻4磅。

为了组装这些材料,汽车制造商需要采用各种新的连接技术,包括自冲铆钉,流钻螺钉,结构粘合剂,以及越来越多的激光焊接。

“激光是材料连接工具箱中的另一种工具,”TRUMPF公司汽车行业经理Nathan Harris说道。“焊接,紧固件,粘合剂 - 它们都有自己的优点和缺点。没有“神奇的子弹”可以解决当今汽车制造商面临的所有加入挑战的材料。“

宝马并不是唯一一家利用激光焊接的汽车制造商。该技术正在众多车辆中使用,包括福特F-150,凯迪拉克CT6,本田雅阁和MINI Cooper。

在应用激光器的地方,特别是铝门,窗框,发动机罩,行李箱盖和其他需要A级成品表面的部件的组装。例如,对于5系列,宝马从车辆全铝门的压接和粘接切换到激光焊接铝制外壳到钢制内部,从车上切割至少13磅。

激光器在这些应用中是有利的,因为工程师可以小心地控制和聚焦指向组件的能量。通过电弧焊或电阻点焊产生的接头可能需要精磨; 通过激光焊接产生的接头需要很少或没有。

激光焊接的另一个优点是能够产生连续的焊缝,平行焊缝和C形或S形焊缝。这可以实现更强的焊接,并允许工程师在他们的设计中使用更薄的材料。它特别适用于传统上使用点焊的高应力区域。

例如,激光缝线可以代替用于连接上部车顶框架和下部门槛板的电阻点焊缝。对于A或B支柱,连续接缝可以代替针迹并且无需额外的增强材料。

“对于搭接焊,而不是仅仅是穿过接头的直线,想象用锯齿形图案或旋涡图案进行焊接,”哈里斯解释说。“或者,想象一下缝线焊缝,每个5毫米长,然而你想要的间隔。它发生得非常快。“

由于激光可以如此紧密聚焦,工程师可以设计更窄的法兰甚至完全消除法兰。对于电阻点焊,典型的法兰可以是20毫米宽或更大。对于激光焊接,法兰可以小于10毫米,因为激光束非常窄并且该过程仅需要接近接头的一侧。

激光器使汽车制造商也能够在车辆的其他部件中使用重量更轻的材料。激光器用于焊接燃油滤清器,转向杆,传感器,控制模块和动力传动系部件。对于电动车辆,激光器将壳体焊接在单个电池以及存储电池的隔间上。

激光焊接技术

激光器可以用铝制造快速,干净的焊缝。热影响区最小,焊缝熔深可达0.25英寸。激光焊接甚至可以与裂缝敏感材料一起使用,例如6000系列铝合金,当与适当的填充材料(例如4032或4047铝)结合使用时。

几种类型的激光适用于焊接铝:CO 2,Nd:YAG,光纤和磁盘。使用哪个取决于成本,接头配置和焊接材料。

TRUMPF的TruDisk是一种用于焊接,切割和表面处理金属的高功率固态激光器。TruDisk激光器的功率范围为1至16千瓦,可产生低至2毫米·毫弧度的光束质量。这种紧凑的模块化激光器具有高能效,可为焊接提供稳定的功率。

得益于专利的谐振器设计,TruDisk可以处理强烈的背反射。这使激光器能够处理高反射材料,例如铜和其他有色金属。磁盘激光器不受恶劣环境条件的影响,例如冷,热,灰尘,高湿度或振动。

激光器有两种冷却选项:标准集成热交换器或可选的集成压缩机冷却器,具体取决于

工厂供水的温度。

用于机器人激光焊接汽车零件的关键技术是TRUMPF的可编程聚焦光学器件(PFO),它使用两个反射镜将激光束定位在处理区域内。镜子以精确且高度动态的方式改变方向。该技术允许激光束定位在处理区域内的任何位置。它还可以沿任何所需的轮廓引导激光束。过程传感器监控材料表面并引导PFO调整光束路径。

由于工件和光学元件都不必移动,因此PFO可以实现高生产率。并且,由于平面场透镜,聚焦条件 - 因此处理质量 - 在处理领域的每个点都是相同的。

PFO技术特别适用于焊接大型工件,例如车门。

“PFO允许您创建不同的焊缝几何形状和不同类型的焊缝,”Harris说。“它可以是角焊缝,点焊或钉式设计。它在设计焊接接头方面具有很大的创造性,特别是对于外壳。“

由于成像技术和计算能力的进步,现在可以更精确地控制激光。系统可以实时调整过程并验证焊接是否符合预设标准。“这是一个闭环过程。您正在获得正确完成焊接的反馈,“哈里斯说。

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