浅析激光技术在汽车轻量化中的应用和展望论文

浅析激光技术在汽车轻量化中的应用和展望论文

　　汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整车重量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%;汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3至0.6升;汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，汽车轻量化是实现节能减排目标最现实、最有效的途径之一，也是世界汽车发展的潮流。

　　汽车轻量化主要使用高强轻质的新型材料以及采用先进的现代制造技术。而激光技术就是一种目前应用很普遍的现代制造技术，遍及了科技、经济、军事和社会的许多领域。汽车工业是激光技术重要的应用领域，占激光加工15%的份额。本文主要就实现汽车轻量化的先进现代制造技术，即激光技术的应用进行了总结探索并提出了展望。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接、汽车变速器齿轮激光焊接以及应用于汽车的激光三维切割技术等。

　　1 激光焊接技术在汽车车身中的应用

　　激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。与传统的点焊工艺不同，激光焊接可以达到两块钢板之间的分子结合;另一方面，可以大大减少搭接宽度和一些加强部件，以压缩车身结构件本身的体积，从而减少车身重量，达到汽车轻量化的目标。

　　应用于实现汽车车身轻量化的激光技术主要是激光拼焊，即根据车身不同的设计和性能要求，将不同厚度、不同材质、不同或相同性能的板材通过激光裁剪和拼焊技术连接成一整体，再经冲压成形为车身某一部件。由于汽车车身在某一连接部位对强度和刚度的要求可能不尽相同;如车身下半部分和上半部分对于车上人员安全以及汽车本身主动和被动安全性的作用不同，为了实现汽车轻量化，这时可能就需要将不同厚度、材质、强度的材料连接起来。因此，采用激光拼焊技术，可以减少汽车上零件和模具数量、优化材料用量、减轻构件重量、节省工序和装配工作量、降低成本和提高车身尺寸精度。以实现汽车的轻量化目标，目前这一技术已经被许多大型汽车制造商和配件供应商采用。

　　此外，汽车车身总成与分总成的激光焊接在汽车轻量化目标实现中也得到了广泛的应用。应用于车身总成与分总成的激光熔焊技术，能大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性以及降低车身重量。它推动了汽车在不降低刚度和强度的前提下，向轻量化设计方向发展。激光焊接在汽车工业中，特别是中高档车的生产中已成为标准工艺。这为实现汽车轻量化目标又提供了一项新的技术支持及保障。目前，国内外大型汽车制造商都已大量引入激光焊接技术。如一汽大众迈腾车身激光焊缝总长度达42m，激光焊接使车身的前撞、后撞、侧撞都能做到吸收能量。

　　2 激光焊接技术在汽车变速器齿轮中的应用

　　我国目前微型汽车变速器的结合齿圈和齿轮的联结几乎都采用整体精锻结合齿、花键联结或光孔过盈联接。但是由于花键结构存在加工工序复杂、生产周期长以及光孔过盈联结加工要求高、易产生过盈松动的缺点，传统的加工和连接方法制约了汽车轻量化的发展进程，也已经不能满足对汽车安全、经济等各方面日益增长的要求。因此，必须对工艺技术进行改进。激光焊接的提出就是解决这一问题的关键所在;汽车零部件焊接采用激光焊代替传统焊接，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。目前激光焊接广泛用到变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链、传动轴、转向轴、发动机排气管、离合器、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造中，成为汽车零部件制造的标准工艺。

　　齿轮是传动机械不可缺少的零部件之一，为了减少重量和体积，降低加工难度，节省原材料，发达国家已将整体加工的齿轮组或齿轮轴改为了分体加工，由焊接组成整体。但是要求焊接后变形小，不破坏原材料性能，焊接强度高，因此用常规焊接工艺难以达到上述要求，而采用激光焊接则可解决这一难题。1985 年，美国克莱斯勒公司将激光焊接用于一种新型四速。

　　变速箱齿轮的焊接，这是首次应用激光焊接汽车齿轮，也是激光焊接第一次用于汽车工业。近年来，越来越多的汽车制造商将激光焊接技术用于汽车变速器齿轮加工上，以改善传统齿轮存在的连接可靠性不足、加工复杂、传动系统过于笨重导致传动效率不佳的缺点。在对汽车轻量化要求越来越严格的今天，激光焊接技术对其的重要性当然也越来越受到重视。

　　3 三维激光切割技术在汽车上的应用

　　三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能，机器人装载的光纤激光切割头对不规则工件进行三维切割。光纤激光切割头上配备随动装置和光路传输装置，利用光纤将激光传输到切割头上，再利用聚焦系统进行聚焦，针对不同厚度的板材开发出多套聚焦系统对多种三维金属板材进行多方位的切割。由于汽车的许多零部件的形成并非是一次成型，零部件相互连接接口处形貌及尺寸也并非是规则的。因此，利用传统的加工方法无法到达或者需要多部工序才能加工出所需要的零部件结构。而三维激光切割技术可以在立体的加工对象上，进行各种工艺所需的加工，可以在任意一个面上进行工作，无需人工调整角度。

　　近年来，三维激光切割技术飞速发展，在工业中的应用越来越广泛，尤其在汽车、模具和航空制造业的应用最为突出。在汽车工业中，三维激光切割技术用于切割车身覆盖件，可以取代传统制造工艺的修边模和冲孔模，其工艺步骤简单、制造周期短、切割速度快、切缝宽度小、加工质量高，还可以大幅度降低成本，缩短新车型的研发周期，具有良好的经济价值和应用前景。

　　目前在许多国外汽车制造公司中，激光切割技术的应用也非常普遍，主要用来开发新车型以及变形车生产中;例如切割样车零件、车身覆盖件的切孔、修边;切割方向盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、安全气囊部件、液压成型部件、底盘件的元宝梁、控制臂、后桥等。世界轻质钢制车身协会(ULSAB)的最新研究结果表明：当今最新的钢制车身结构中，50%采用了激光切割和拼焊技术。

　　4 结论和展望

　　激光技术在实现汽车轻量化目标的应用中可以说是非常广泛，已经渗透到汽车大部分零部件制造中。其中有50%至70%的汽车零部件是用激光加工来完成的，又主要以激光焊接和激光切割为主，激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺。

　　21世纪汽车工业正在步入能按照用户要求进行柔性模块式生产的方式，而传统加工工艺已经不能满足新生产方式的需要，这给激光焊接技术的大规模应用提供了一个机遇，激光焊接技术及其他激光加工技术在汽车领域中一定会有更大的发展，成为汽车工业中重要的加工方法。激光焊接技术在焊接铝材，用焊接件代替铸件以及全车身构架结构焊接的应用前途最大。激光技术必将在汽车工业中占据越来越重要的地位，应用也必将越来越广泛。

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