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              柳州巨東激光科技股份有限公司
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              激光加工在沖壓工藝中的應用

              激光加工在沖壓工藝中的應用

              • 分類:公司新聞
              • 作者:
              • 來源:
              • 發布時間:2021-01-30
              • 訪問量:0

              【概要描述】 激光相比其他工藝,優勢在于能量集中,穿透能力強,加工效率高,但對前道工序要求高。激光焊對翻邊尺寸的減重,在車門中的應用可減重8%。

              激光加工在沖壓工藝中的應用

              【概要描述】 激光相比其他工藝,優勢在于能量集中,穿透能力強,加工效率高,但對前道工序要求高。激光焊對翻邊尺寸的減重,在車門中的應用可減重8%。

              • 分類:公司新聞
              • 作者:
              • 來源:
              • 發布時間:2021-01-30
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              詳情

                激光相比其他工藝,優勢在于能量集中,穿透能力強,加工效率高,但對前道工序要求高。激光焊對翻邊尺寸的減重,在車門中的應用可減重8%。激光焊對產品結構設計方面的優化,可極大減少加工制造環節,減小冗余設計。目前,激光技術主要涉及汽車車身激光焊、熱成形板切割、鋁合金激光焊、塑料激光焊等。

                

               

              圖1 車身輕量化的設計思路歷程

                一、激光加工工藝

                汽車板的激光焊接具有高能、高速、熱影響區小和焊縫質量高等優點,且焊接精度高,零件變形小,并能顯著提高車身的強度和剛度,已經在白車身的制造中得到廣泛應用。

                比如一汽大眾所生產的奧迪、速騰、邁騰車型共采用激光焊縫1600余條,焊縫累計長度近70m,速騰白車身采用21臺激光焊機,焊縫長度為9m,整車強度提高了30%。

                1. 熱成形技術及激光切割

                隨著汽車輕量化的發展,熱成形工藝在汽車工業中的應用越來越廣泛。

                

               

              表1 普通熱成形B柱與冷成形力學性能對比

                如表1所示,熱成形工藝將鋼板的成形和熱處理相結合,先奧氏體化然后再馬氏體化,成形淬火后的零件,其強度和硬度大幅提高,屈服強度可達950MPa以上,抗拉強度可達1500MPa,是加熱前的2~3倍。

                硬度可達420HV,至少是加熱前的2倍,但其伸長率大幅下降。由于熱成形板的強度和硬度特別高,最高可達1 500MPa,所以普通的沖壓設備難以加工,或者嚴重影響設備的使用壽命,對零件的產出效率也受到影響。

                采用普通熱切割或者線切割,要么熱影響區比較大,切割質量無法達到要求,要么不適合加工復雜路徑且效率低下。

                而采用激光切割是一種高能束加工,本身是一種非接觸式加工,不需要考慮材料的硬度,只需要保證材料有足夠的吸光能力,通過對熱成形板表面孔和周邊輪廓的切割,很好的保證了產品的結構和尺寸,同時加工效率也特別高。

                對于普通的平面結構,可以采用三維平面切割設備。對于結構復雜的設備,可以采用機器人激光切割;單機器人切割,切小圓的圓度難以保證,需要配置專業的三軸輔助切割;對于結構復雜,精度要求較高的零件,需要用到三維五軸激光切割設備。

                

               

              圖2 汽車熱成形板應用結構說明

                汽車上用于熱成形加工的結構如圖2所示,包括橫向支撐梁、懸置固定架、門板加強筋、車頂側梁、車窗加強筋、后保險杠、中立柱(B柱)、門檻、前立柱(A柱)、縱向承載梁、前保險杠以及地板通道等。

                熱成形工藝后,板材的強度顯著提高,采用普通沖壓工藝,難以達到傳統沖壓工藝的效果。通過三維切割,能夠實現結構件外輪廓和內部孔的切割,非接觸式加工,效率高、精度好、切面光滑且切割工藝穩定。熱成形和配套的激光切割工藝,是一種只需改變材料工藝,就能達到減重的解決方案。

                

               

              三維激光切割機切割B柱系統

                法利萊解決B柱熱成形件切割的方案如圖3所示,一套完整的B柱切割,包括外輪廓和內部孔洞,50s內完成,精度可以控制在0.01mm。

                2. 激光拼板焊

                激光拼板焊(見圖4)能夠將不同強度等級、不同厚度、不同鍍層的材料拼焊在一起(見表2),并進行整體沖壓成形,可以優化選材,減少零件及模具,節約制造成本,同時還能提高零件整體剛度,提供更好的安全性能,是當前汽車輕量化的主要技術之一。

                

               

              B柱激光拼焊系統

                

               

              表2 激光拼焊汽車用鋼的材料組合

                激光拼焊板的特點(見圖5)是焊接熱輸入高、無填料、無搭接、速度快、熔深大、變形小、熱影響區小以及焊縫熱影響區晶粒細化等。

                

               

              圖5 轎車前縱梁激光拼板改進說明

                1)焊縫區的體積降低,不增加焊縫高度、接縫平整、幾何形狀熱應力集中小。

                2)焊縫熱影響區狹窄,晶粒細小、焊縫強度高、對沖壓成形特性影響較小。3)焊接自動化,生產率高、生產工件整齊、質量一致。4)采用在線檢測,可保證焊縫的質量和幾何尺寸的精確性,對每一片拼焊板可精確進行跟蹤控制。

                影響激光拼焊板質量的因素,主要包括對接間隙、激光光斑模式、激光功率、焊接速度以及氣體保護等。

                由于激光光斑直徑一般小于0.5mm,如果對接間隙過大,則激光會直接穿透,不能對板料進行有效加熱而導致焊接失敗;同時,由于工裝、夾具的影響,兩片板料對接時會存在間隙。

                以板厚t為參考,通過對DP600雙相鋼的等厚拼焊研究表明,當對接間隙<0.18t時,得到的焊縫無明顯缺陷,當對接間隙<0.16t時,焊縫強度高于母材。在工程應用中,當t為0.5~3mm時,對接間隙應低于0.1t;當t為3~10mm時,對接間隙應低于0.05t。對于2mm厚的低碳鋼,對接間隙應低于0.12mm。

                3. 車門激光焊應用

                車門激光焊結構如圖6a所示,為窗框和內板的焊接,焊縫為紅色線段示意,實物如右圖6b所示。

                

               

              6a 車門激光焊結構

                

               

              6b 車門激光焊實物

                圖6c點焊和激光焊關于翻邊結構對應的翻邊結構寬度要求,激光焊翻邊尺寸要求為6~8mm,點焊翻邊尺寸要求為15~18mm。

                

               

               

               

              圖6 車門結構翻邊尺寸設計對比(點焊與激光焊) c)翻邊結構寬度要求

                采用激光焊代替點焊,就翻邊尺寸,可以減少8~10mm,按車門,側圍總長度計算如下。

                

               

               

              圖7 側圍翻邊尺寸的計算

                單就計算側圍翻邊尺寸縮短疊焊金屬板焊接對輕量化的影響效果。計算結果:左右前后14 200mm 翻邊長度×6mm 翻邊減少量×2mm板厚,即總質量減少1.86kg,約減重4%。

                

               

               

               

              圖8 車門激光焊縫結構翻邊對比(搭接和疊焊,結構和實物)

                如圖8所示,入口增大,以A柱為例,若由搭接改成疊焊,估算翻邊尺寸減少12 mm 寬度和高度,最終減重約8%。

                4. 鋁合金激光焊

                鋁合金是目前輕量化的熱門材料。研究表明,采用鋁合金材料適當減輕汽車的質量可以把油耗降低37%,懸掛裝置的負荷降低18%,振動強度降低5%。

                以下分別比較凱迪拉克CT6、奧迪A8、捷豹XFL、蔚來ES8及特斯拉Model S等車型材料占比、白車身質量以及相應車身連接工藝。

                

               

              圖9 凱迪拉克CT6車身結構

                

               

              圖10 奧迪A8車身材料應用情況

                

               

               

              圖11 特斯拉Model S鋼車身和鋁車身質量對比

                另外,就特斯拉Model S鋁合金占比達61%提升到90%時,車身質量由原來的450kg下降到338kg,減重112kg,減重比例達到25%。

                德國大眾全鋁結構Audi A2轎車上,激光焊縫的長度30m;其多功能轎車車身上更是大量使用激光焊接技術,總長度達到41m。

                車身結構采用鋁合金激光焊,主要集中在頂蓋與側圍,后蓋外板上下板之間的連接,另外也包括一些車門內板和加強筋,側圍內外板等。

                主要應用的材料為鋁合金5系(即5000,簡稱“5系”,下同)、6系,其力學性能優,焊接性能好;鋁合金激光焊容易出現的缺陷,主要為氣孔和裂紋,對于5系和6系,不填絲時采用擺動激光焊,填絲焊采用穩定光絲配合的激光頭,并填充4系的絲能很好的解決焊縫成形和缺陷問題。

                鋼鋁混合是一種可行的解決方案,鋼鋁的連接性,在輕量化推進過程中,也將越來越多地被應用到實際車身結構中。

                

               

              表3 幾種典型輕量化車型鋁合金應用對比和連接工藝說明

                

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