激光技術在汽車工業(yè)中的應用

1、激光技術在汽車工業(yè)中的應用郎旭元，張元鐘（南華大學 機械工程學院，湖南衡陽421001激光技術是涉及到光、 機、電、材料及檢測等多學科的一門綜合技術，因具 有單色性、相干性、高能量和平行性等特點,激光適用于材料加工，而且激光的空 間控制性 和時間控制性很好，對加工對象的材質、 形狀、尺寸和加 工環(huán)境的自由 度很大,特別適用于自動化加工，40多年來，激光技術與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科 相結合形成多個應用技術領域。尤其是近年來，汽車工業(yè)已成為激光技術應用最多 的領域之一。下表列出了采用激光加工方法生產的部分汽車零部件。1激光切割激光切割是利用經聚焦的高功率密度的激光束照射工件，在超過閾值功率密度

2、的前提下，光束能量及活性氣體輔助切割過程附加的 化學反應熱能被材料吸收，引起照射點工件材料的溫度急劇上升。達到沸點后材料 開始汽化并形成孔洞。隨著光束與工件的相對移動，使材料形成切縫。激光切割 的特點：速度快，切口光滑平整，一般無需后續(xù)加工；切割熱影響區(qū)小、 板材變形小、 切縫窄（0. 1_0. 3m m 切口沒有機械 應力，無剪切毛刺加工精度高，重復性好，不損傷材料表面；數(shù)控編程,可以對幅面很大 的整板切割，無需開模具， 經濟省時。目前在許多國外汽車制造公司中，激光切割技術的 應用非常普遍。據(jù)有關資料 統(tǒng)計,歐美等工業(yè)發(fā)達國家50% 70%的汽車零部件都是采用激光加工來完成的。用三軸、五軸激

3、光切割機切割汽車車身、汽車頂殼和內裝飾 板等。在樣車研制和小批量生產中，使用三維以上的激光切割加工系統(tǒng)，切割各種板件。在生產線上，采 用激光切 割機器人對已經沖壓成型的部件進行在線立體切割。高效激光切割系統(tǒng)的應用，大幅度縮短了新車的研制時間 和汽車的生產準備周期，使生產實現(xiàn)了自動化 和柔性化，而且生產效率也得到了大幅度的提高。美國福特汽車公司工模具廠用激光切割模具，生產周期縮短為原來的1/5,滿足了汽車快速改型的需要1。2激光焊接由于激光焊接功率密度高、焊接速度快和熱影響區(qū)小,加上不需搭邊和焊縫成形好，不僅生產效率高，而且焊接質量好，焊縫強度等 于或超過母材。激光焊接與只能摘要:通過國外汽車公

4、司的一些實例，介紹了汽車工業(yè)應用的激光技術，對激光 切割、激光焊接、激光表面處理、激光檢測等技術的原理、特點、應用范圍作了 較為詳細的分析，同時對激光技術在國內汽車工業(yè)的應用也進行了闡述。指出激光技術能夠保證汽車的加工質量，提高生產效率，降低制造成本，適合于在汽車工業(yè)推廣 使用。最后，對激光技術的研究趨勢進行了討論。關鍵詞:汽車工業(yè)；激光切割；激光焊接；激光表面處理；激光檢測中圖分類號:TG 456. 7;TG 485;U 463文獻標識碼:A文章編號：1002-2333(2006 06-0020-04A ppi i cat i on of L aser T ech nol ogy t o A

5、 ut om obi l e In dust ryL A N G X u-yuan , Z H A N G Y uan-zho ng(SchoolofM echa ni calE ngi n eer i ng,N an hua U ni ver s i t y,H en gya ng 421001, Chi naA bst ract :The l aser t ech nol ogy t o aut om obi l e i n dust r y i s i nt r oduced wi t h som e i nst an ces of f or ei gn aut om obi l e w

6、or ks andt he pr i nci pl es,t he char act er i st i cs and t he appl i cat i on ar eas of l aser cut t i n g,l aser wel di n g,l aser sur f ace t r eat m ent and l aser det ect i ng ar e anal yzed i n det ai l . The appl i cat i on of t he l aser t ech nol ogy t o dom est i c aut om obi l e i n dus

7、t r y i s al so el abor at ed and i t i s expr essed t hat wi t h t he adva nt ages of assur i ng pr ocessi ng qual i t y, i ncr easi ng pr oduct i on ef f i ci ency and r educi ng m anuf act ur e cost t he l aser t ech nol ogy i s f i t f or spr eadi ng i n aut om obi l e i n dust r y. A t l ast ,

8、som et hi ng t hat shoul d be st udi ed n extaboutt he l aser t ech nol ogy i s expl or ed.K ey w ords :autom obi l e i n dust r y;l aser cut t i n g;l aser wel di n g;l aser sur f ace t r eat m ent ;l aser det ect i ng序號 12345加工方法切割焊接拼焊表面處理打標加工部件名稱車身覆蓋件、動力操縱組件車身、離合器、變速箱拼焊板凸輪軸、齒輪、曲軸內部組件備注材料邊緣密封焊，多層切

9、割同時 進行，切割質量保持一致。無切 割毛刺，變形小， 熱影響區(qū)小。對車頂和立柱等所有部件均能進行焊接速度快、強度高、 變形小,焊接相容性好，材料消耗少，焊接質量好。滿足汽車對不同鋼種、厚度、耐腐蝕性能和強度性能的要求，并且在焊接以后進行成形。局部熱處理，變形小，無需矯正。20機械工程師2006年第6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c汽車工業(yè)中采用激光技術加工的部分零件表進行單調焊接的點焊相比幾乎是無所不能，實際上激光可以在計算機控制下沿 任意軌跡進行焊接。所以被廣泛應用于汽車門板、擋板、儀表板、動力傳動齒輪 等零部件的制造，也被用于車頂和側圍、

10、發(fā)動機架、散熱器架等部件的裝配。梅 賽德斯-奔馳公司用激光焊接車頂和邊窗，每小時可完成45件?？ǖ侠斯驹谏?產豪華 車中用2. 4kW連續(xù)N d : 丫 A G激光焊車體鍍鋅部件,焊接的聚焦 機構和 壓輪組合在一起，焊接時壓輪壓在工件上，使車頂與夾具緊密吻合，可以達到完美加 工,完全能滿足生產 率、經濟性、防腐能力和強度的要求2。用激光焊接代替 電 子束焊進行齒輪及傳動部件的焊接，減少了變形，且提高了生產率。另外,激光拼焊技術在汽車工業(yè)中也具有很大的應 用前景3。拼焊板（國外稱 之為Tai l or W el ded B I anks是汽車車身設計中出現(xiàn)的一個嶄新的概念,可將經不 同表面處

11、理、不同鋼種、不同厚度的鋼板采用激光焊的方法，使之成為一個組 件。這種板材的自由組合具有以下優(yōu)點：減少零件數(shù)量；減輕構件重量;提高構件結 構質量和可靠性;為生產寬體車提供可能；可提高鋼材利用率和降低生產成本等。拼焊板的這些優(yōu)點在生產中體現(xiàn)為產品質量和生產效率高,且生產成本低，因此受到汽車工業(yè)界的極大關 注。德國梯森公司的N ot hel f er公司從1985年開始 生產拼焊板，1986年首次將拼焊的汽車底板應用于A udi , 1987年將其推 入美國市場。目前該公司向歐洲各汽車廠，包括大眾、奔馳、菲亞特等提 供各種規(guī)格的拼焊鋼板，占有歐洲50%的市場份額。我國一汽A udi 100所采用的

12、 底板均系該公司產品。日本豐田汽車公司生產雷克薩斯和可羅娜轎車采用5種不同厚度和3種不同表面鍍層的 拼焊側框件，將模具數(shù)量由29副減少到4副，材料利 用率由40%增加到65%。過去內門板用0. 8m m的鋼板沖壓 而成，為了鉸接和安裝 反光鏡的需要，必須焊上加強件。 現(xiàn)采用2m m坯板和0. 8m m的坯板激光焊在一 起,然后一次沖壓成型，每扇門重可減少1. 35kg。圖1為轎車中采用激光拼焊板的 部件。3激光表面處理3. 1激光相變硬化激光相變硬化是利用激光將材料表面加熱到相變點以上，隨材料自身冷卻，奧氏體轉變成馬氏體，從而硬化材 料表面。其特點是以激光為熱源，局部加熱，一旦停止照 射，加熱

13、區(qū)的熱量就迅速傳出，急冷并硬化。福特、豐田、三菱等汽車公司均采用 激光相變硬化技術對汽車零部件進行處理,取得良好效果，并已成功地用于齒輪箱、 氣缸、活塞環(huán)槽、氣門座圈、氣門導管等零件的表面硬化處理。3. 2激光熔覆與合金化激光熔覆與合金化都是利用高能密度的激光所產生的快速熔凝過程,在基體表面形成與基體互相熔合的、且具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者差異僅在于:激光熔覆中覆層材料完全熔化，而基材熔化層極薄，因而對覆層的成分影響極 小;而激光合金化則是在基材的表面熔融層內加入合金元素，從而形成以基材為基 礎的新的合金層。激光熔覆適用于局部易磨損、易磨蝕和受沖擊的零件。熔覆時通常選用硬度高、耐磨

14、、抗疲勞、耐蝕等材料放在工件表面，然后用大功率激光來掃描，將熔覆 材料熔化 到基體表面，形成母材成分不同的組織而母材表面只有 微量熔融,二者不 發(fā)生合金化過程。熔化的添加材料在基體表面上形成牢固結合的熔覆層，可以極大 提高零件表面的硬度、耐磨、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能。激光表面合金化是把成分不同于母材的添加材料加到母材表面上而形成的混合成分,其性能及組織不同于 母材。激光表面合金化的處理過程具有效率高、耗能少、變形小等特點，可對汽車工業(yè)中的汽缸、 襯套、活塞環(huán)、凸輪、心軸、閥和 閥座、傳動機件等進行改性處理。美國 A V C O汽車公司在A I SI 4815鋼制零件 表面涂上C和C r細粉

15、后用10kW的C O 2激光以48m m /s的速度 掃描,可獲得1. 3m m厚的合金化層。其含鉻量高達 20%,且分布均勻，其表面硬度可提高到 H R C 55,而基材硬度只有H R C 33并且內部能保持相當好的韌性4。4激光檢測在當今汽車工業(yè)中，對零部件和車身的要求越來越高，各種設備也不斷朝著精密 化、自動化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的方法已不能完全滿足檢測工作的要求。而激光檢測具 有精度高、適用性強、可靠性高等優(yōu)點，得以迅速發(fā)展。激光技術在汽車工業(yè)檢 測中的應用，項目繁多。激光可以用 來測量尺寸,用激光對汽車的曲軸、凸輪軸、閥座等零件的直線度、長度、垂直度、密度等測量，所有尺寸的分辨率可達 1卩

16、m重復精度0. 2卩m激光也可用來檢查零件，美國通用汽車公司已在全自動的 發(fā)動機生產線上采用激光 裝置檢查汽車零件產品質量，公差為. 001英寸。另外， 用激光還可以檢測零件的密封性能5。圖2為激光檢測系統(tǒng)原理結構圖。將被測物中等壓等容導入測試氣體并密封處理后放入檢測單元，CO2激光器發(fā)出的激光光束進入檢測單元。21機械工程師2006年第6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i當被測物有泄漏產生時，檢測單元內檢測氣體的濃度將逐漸升 高。在激光入射方向以外，散射光的強度、頻移及其角度依賴性都與檢測 氣體的濃度有關。借助檢測散射光強度、頻移及散射角度等表征參

17、數(shù)，將其轉換成 電信號并在微型控制器內進行計算，即可確定檢測單元內泄漏氣體的濃度，從而計 算出泄漏率并確定密封性能合格與否。激光檢測還可以用來測量振動、測量發(fā)動 機性能、測量尾氣、檢測輪胎 等。5其它激光技術5. 1激光打標激光打標是激光領域中最廣泛的技術之一。高速激 光打標機利用高能量密度 的激光束和高速掃描振鏡，把激光束聚焦到工件表面，使材料迅速汽化，形成凹坑。 利用專用軟件設計待掃描圖案，控制掃描時間和掃描深度 等,可廣泛用于金屬及多 種非金屬材料的汽車配件。5. 2激光快速成型激光快速成型技術是在1990年代隨著計算機、激光、高分子材 料、C A D /C A M、精密機械等技術迅速發(fā)

18、展下 應運而生的，并在汽車工業(yè)中很 快得到應用，激光快速成型技術用于樣車模型制作和模具開發(fā)，可大大縮短新產品 的試制周期，降低試制成本，提高新產品的市場競爭能 力。而且還可在零件級和部件 級水平上，用于加工工藝性 能、裝配性能、有關工裝模具的校驗與分析，以及運動 特性測試、風洞試驗、有限元分析結果的實體表達等7。6激光技術在我國汽 車工業(yè)中的應用我國六五”、七五”、八五”期間屈 家都把激光技術列為攻關項目。1980年代，由中國科學院發(fā) 展局和中汽投資公司共同在上海組織了來自研究院、所和大專院 校，含一汽、二 汽、大眾在內的主要汽車廠的專家對激光技術在我國汽車工業(yè)中的應用進行了探 討,并達成了一

19、些合作項目和意向。1990年代初,南昌齒輪廠建成齒輪激光焊接生產線柳州微型車廠引進 大型激光切割機床；國內較先進的 兩條激光處理生產線（西安內燃機配件廠缸套激光 處理生產線和北京吉普汽車公司發(fā)動機缸體激光處理生產線也相繼 建成。同時，該技術迅速被國內汽車修理行業(yè) 所接受。使得激光加工應用領域逐步 擴展。20世紀末，以一汽大眾A udi A 6和上海大眾帕薩特B 5轎車頂蓋激光 焊接 線為代表,激光技術在國內汽車工業(yè)中占據(jù)了不可 替代的地位,并作為先進制造技術 被業(yè)內人士接受。以一汽集團公司為例，除承擔國家重點科技攻關項目發(fā)動機缸體激光熱處理研究”項目外，還先后開展了 C A 488發(fā)動機曲軸和

20、凸輪 軸、C A 141傳動器滑動叉及剎車蹄片、C A 6102搖臂及搖臂軸等的 激光淬火和熔凝強化處理、C A 6102進排氣門和模具的激光熔覆、C A 6102發(fā)動機鋁活塞一道環(huán)槽的激光合金化、變速器齒輪激光焊接、捷達轎車水泵帶輪激光焊接、車身鋼板及輕型車儀表板的激光切割等汽車零部件激光加工技術的研究開發(fā)工作。同時，也對刀具、鑄造模具等進行了系列強化試驗，為一汽創(chuàng) 造了近百萬元的經濟效益8。目前，一汽集團已有近10臺激光加工機從事生產和 研發(fā)工作,其中有4項激光 技術實現(xiàn)了在線生產。北內集團、北京吉普車有限公司、 大連機車車輛廠、首都汽車公司等都相繼建立了激光熱處理生產線，以提高發(fā)動機性能

21、。南昌齒輪廠 與中國大恒公司、上海光機所等單位合作建立的汽車多聯(lián)齒輪激光焊接生產線，產 品成功地應用于依維柯汽車、五十鈴卡車等9。寶山鋼鐵聯(lián)手歐洲鋼鐵巨頭阿 賽洛（A r cel or在上海 建成的合資公司（上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司 專業(yè) 生產激光拼焊板，填補了國內空白，也改變了國內汽車公司只能從國外進口激光 拼 焊板的狀況。雖然我國的激光技術取得了長足的發(fā)展，但由于我國汽車生產與國外尚存在較 大差距,汽車生產設備及工 藝還較落后，給激光這一高新技術應用推廣帶來了很大 困難,造成了激光產業(yè)化水平很低。因此，擴大與提高激光技術的工業(yè)應用及產業(yè)化 水平,仍然是一項十分艱巨的任務。隨著國家的重

22、點扶持與汽車制造部門、研究 機構及相關單位的努力，激光技術必將獲得普遍的應用，這對促進我國汽車工業(yè)的技 術進步和長遠發(fā)展具有重要的戰(zhàn) 略意義。7激光技術的研究趨勢當前,仍存在一些問題阻礙了激光技術在汽車工業(yè)的大規(guī)模推廣使用，為了解 決這些問題可從下列幾個方面入手：（1由于激光加工是激光束與材料相互作用的科學，為了達到工業(yè)上的廣泛應用， 首先必須開展大量研究工作，進一步研究和完善激光加工機理和工藝方法，建立較符合實際的理論加工模型，以便用計算機來分析處理和 預測加工效果。此外要進行大 量的試驗研究，獲得應用于 實際加工的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)，利用神經 網(wǎng)絡理論把影響激光加工的主要因素和

23、衡量指標作為網(wǎng)絡的輸入、輸出特征，更好地認識其變化規(guī)律性，從而確 定激光加工的最佳工藝參數(shù)，降低生產成本。(2研究激光加工過程中的 快速無損檢 測手段和控制手段,開發(fā)出可在生產線 上同時監(jiān)測激光器的工作情況和零件加工質量的實時非破壞性監(jiān)測系統(tǒng)，保證獲得 高質量的激光加工零件。(3汽車界比較關心的問題 就是激光加 工設備一次性投入較大，單位時間加工 成本高，導致了設備投入回收期比較長。因此，要積極進行激光加工設備、激光加工 系統(tǒng)及激光加工方法的研制和開發(fā)，使激光技術向著快捷、高效、高質量和高度柔 性方向發(fā)展，最終使激光加工過程 簡化、費用低，設備操作和維修方便10一 11。8結語激光是一種清潔的

24、綠色能源，生產效率高，加工質量CO 2激光器檢測單元微型控制器圖2激光檢測系統(tǒng)原理結構圖22機械工程師2006年第6期專題論壇 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c穩(wěn)定可靠，經濟效益和社會效益好。激光技術所帶來的優(yōu)越性正在被越來越多的人所認識。當前汽車工業(yè)正在步入按用戶要求進行柔性加工的精益生產階段，汽車工業(yè)界出現(xiàn)了柔性模塊式生產方式。傳統(tǒng)的加工工藝已不能滿足新生產方式的要求，這給激光技術的發(fā)展提供了機遇,汽車工業(yè)將比其它工業(yè)更大地推動激光技術的完善和發(fā)展,激光技術的應用前景也將越來越廣闊。參考文獻1 榮烈潤激光在汽車工業(yè)中的應用J .機電一體化,2004(5

25、 :6-9.2 彭毅,鄭大春.激光加工在汽車工業(yè)生產中的應用J .新技術 新工藝，2000(7 :15-17.3 曹能，馮梅.激光加工技術在汽車工業(yè)中的應用J .寶鋼技術，1998(3 :50-53.4李捷輝,袁銀南.激光表面處理技術在汽車工業(yè)中的應用及前景J .江蘇理工大學學報(自然科學版,1999, 7(4 :36-40.4 丁晨旭，閆愛淑，等.汽車零件的密封檢測技術J .汽車工藝與 材料，2001(7 :37-39.白寶俊,王占華，等.激光全息相位剪切照相輪胎無損檢測系統(tǒng) 在汽車輪胎 檢測中的應用J .輪胎工業(yè),2003, 23(2 :104-107. 7李春青，馮樹強.汽車工業(yè) 中 激

26、光技術的應用J .廣西工學院學報,2001, 12(2 :65.8姚遠.激光加工技術在汽車工業(yè)中的應用J .汽車工藝與材 料,2004(2 :19-21.9 管延錦.激光加工技術及在汽車工業(yè)中的應用J .重型汽車，1999(1 :34-35.10 宋威廉.激光加工在汽車工業(yè)中發(fā)揮重要作用J .激光與紅夕卜，1996, 26（3 :178-181.11 周建忠，張永康激光加工技術在汽車車身制造中的應用J .電加工與模具，2000（4 :32-36.（編輯畢勝作者簡介:朗旭元（1981-，男 ,碩士研究生，研究方向為激光加工技術。張元鐘（1957-,男，博士學位,副教授,碩士生導師。收稿日期:20

27、05-12-20!基金項目:973國家重大基礎研究計劃項目 （2003CB716204!三維微細電火花加工運動平臺的誤差模型建立楊國哲，王立平，郁鼎文，崔?。ㄇ迦A大學精密儀器與機械學系，北京1000841前言隨著科學技術的發(fā)展，人類在制造領域中采用的尺 度已由微米邁向納 米。精密和超精密加工技術的發(fā)展和推廣，提高了整個機械制造業(yè)的加工精度和技 術水平以 及機械產品的質量、 性能和競爭力。超精密加工已達到了 納米級，甚至 是亞納米級（原子級過去,精密制造主要通過提高機床零部件的加工精 度、改變系統(tǒng)的結構配置以 減少誤差源，達到提高機床加工精度的目的。由于加工環(huán)境的非線性、時變性和復雜 性，機床幾

28、何誤差、機 床運動誤差、熱變形和切削力變形這一類誤差的存在，成為制約機床加工精度進一 步提高的瓶頸。純粹靠提高組件的精度來保證機床的總精度即使在 技術上是可能的，在經濟上 也要付出巨大的代價。 隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，誤差補償技術以其性價比 高、可靠性好等優(yōu)點日益受到重視。誤差補償技術可通過分析、檢測和建模，獲得機床的誤差估算，然后利用不 同的23機械工程師2006年第6期摘要:隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，誤差補償技術其性價比高、可靠性好等優(yōu)點日益受到重視，通 過合理的補償，可使被加工零件的精度得到甚至超過數(shù)控加工機床本身的精度。文 中介紹在國內外機床誤差建模研究的基礎上，根據(jù)三維大行

29、程運動平臺的幾何特性, 運用齊次矩陣變換，提出了基于切點”誤差的運動學綜合空間誤差數(shù)學模型，并在此 基礎上完成了三維微細電火花加工運動平臺的誤差補償理論分析。關鍵詞:超精密；運動平臺；運動控制；微細電火花 中圖分類號:TP391. 7, TH 122文獻標識碼:A文章編號：1002-2333(2006 06-0023-03R esearch on t he E rror M odelof 3D M i nut en ess E l ect ri c Spark Form i ng StageY A N G G uo-zhe , W A N G L i -pi n g , Y U D i ng-w en , C U I W ei(D epar t m en tofPr eci s i on I ns t r um ent s a