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每一克都意义重大——光纤激 光带你驶入汽车轻量化浪潮

每一克都意义重大——光纤激 光带你驶入汽车轻量化浪潮


京A  面向未来的轻量化

我们可以看到,汽车行 业轻量化理念的推广日益壮大。轻量化,是在保 证汽车强度和安全性的前提下,尽可能 地降低汽车整备质量,减少油耗,降低污 染的一种理念和方法。


除了节能环保,在驾驶体验方面,轻量化后汽车加速性能也得到提高,而且在碰撞时由于惯性小制动距离也减少。此外,车辆每减轻100公斤,二氧化 碳排放可减少约5克/公里。因此,汽车的 轻量化已经成为世界汽车工业发展的潮流。正如某 汽车品牌所提出的观点,“每一克,都意义重大”。

由于光 纤激光器在高度自动化、高度灵 活化的生产系统中的重要性逐步凸显,激光方 案覆盖了汽车制造行业所有应用领域。我们先 来看看下面这篇在以通 用汽车为代表的美国汽车工业中,铝车身 制造中的激光焊接应用介绍。

凯迪拉克


为了使 凯迪拉克重返世界顶级豪华品牌舞台,使其成 为同级别各品牌中最轻的轿车,通用汽车全力以赴,将13种材料 使用于轿车车身上。而且,就像一 位行业观察家所说,他们为了将铝、碳钢、镁和塑 料等不同材料一块块的拼接在一起,通用汽 车采用了汽车行业最复杂、最先进 的复合材料制造工艺,使用28个机器 人焊接汽车的内外部车架。


图1. 通用汽车2016款凯迪拉克CT6铝合金 车顶与车身采用激光器进行焊接图片来自:通用汽车

将光滑、轻量化 的车身连在一起所采用的包括热融自攻丝、自钻铆接、首次使 用的铝合金电阻点焊以及铝合金激光焊在内的工艺,也可能 是未来美国汽车工业的连接技术策略(图2)。通过这 种材料工艺组合,与采用 全钢结构的重量相比,通用汽 车成功地将凯迪拉克CT6的重量减少了198磅(89.81 kg)。

图2. 通用汽 车采用钢铝合金、锰钢等 多种材料和特有的铝合金电阻点焊和激光焊等多种工艺,将凯迪拉克CT6的重量减少了198磅(89.81kg) 图片来自:通用汽车

2015年1月在底 特律汉姆川克工厂投产的CT6,是迄今 为止最受瞩目的、加入轻 量化潮流的车型。轻量化 特别强调使用铝合金取代碳钢,并在很 大程度上受到要求更为严格的、到2025年要达到油耗为54.5公里/加仑的 联邦乘用车碰撞安全标准法规的影响。

除了铝 合金车顶采用了激光焊接,据通用 汽车先进技术与焊接工程部经理Elaine Garcia介绍,通用汽 车还使用激光焊接轿车车门与行李箱盖。“我们用 激光焊接铝合金车顶和行李箱盖是因为它能够实现产品设计中的某种外观,而且用 激光焊接铝合金车门是因为它允许更短的焊接法兰和更宽敞的车窗,”Garcia表示。阿帕小 奇找到的下面的这个视频,就展示 了凯迪拉克在美国底特律工厂中CT6铝合金 顶棚与车身连接及后备厢盖总成连接激光焊

就像许 多对于哪种工艺将被竞争者采用的争议一样,汽车制 造商用哪种焊接工艺来制造更轻巧结实的汽车也要经过再三考虑。这是工 业激光器所面临的要么捷足先登,要么被其他工艺,例如粘 接或者点焊取代的重要时机。


铝合金的使用——已经在路上

铝合金 的重量大概是碳钢的三分之一,然而它 们的强度却相似。据美国 铝业协会的铝运输部估计,用铝合 金替代碳钢每减重10%,车辆油耗最高可节省7%。

尽管现 在社会趋势特别强调轻量化,“在汽车 行业铝合金不算新材料”,位于密 歇根安阿伯的汽车研究中心总裁及CEO杰巴伦说到。他指出,1923年福特 推出了一辆铝合金轿车,在60年代,汽车厂 进行了复合材料实验。到了70年代中期,汽车上 铝合金部件的重量还低于100磅(45.36 kg)而到了2013年该重量增加到350磅(158.76kg)。据2014年位于 密歇根州特洛伊的德鲁克全球的一项研究,到2025年汽车 上的铝合金重量被期望达到500磅(226.8 kg)。在很多领域,美国汽 车工业刚刚开始赶上欧洲同行。

与以前不同的是,巴伦说,现在已 经加快使用铝合金替代碳钢了。这为激 光器提供了机遇。近2年来,例如IPG Photonics的 CEO Valentin Gapontsev在季度 电话会议中提到“汽车工 业采用高强钢和铝合金生产轻量化汽车的趋势推动了光纤激光器的应用。”

主要使 用光纤激光器焊接CT6车身铝 合金的通用汽车,2013年才开 始在车身铝合金上使用激光焊接。到现在,通用汽 车已经在多款车型,例如Cadillac Escalade(攀登者),Chevrolet Suburban(雪佛兰巨无霸),Tahoe(太浩),以及GMC Yukon(育空)也是用 激光焊接铝合金的,加西亚说到。


通常,汽车厂 激光焊接主要用于悬架结构,例如将 车门和后盖与白车身焊接在一起。凯迪拉克CT6的铝合 金顶棚与车身的连接以及后备厢盖总成的连接就是采用了激光焊接工艺。


利用激 光融化铝材质的钎料实现铝板之间的连接。其中后 备厢盖的铝激光焊接焊缝无需经过打磨等处理就能够进行后续的涂装作业,足见该 焊缝表面的平滑程度。而顶棚 与车身之间的铝合金焊缝也无需打磨,仅需在 涂装前涂上一层胶液并刮平即可保证后续漆面涂装质量。


此外,整车厂 最近开始采用激光器焊接内部构件,例如铝 合金滤清器和操舵杆,以及电 动汽车电池的铝合金外壳、铜极片等。

激光工艺 vs. 非激光工艺

有大量IPG Photonics的光纤 激光器用于车身线焊/钎焊应用。实际上,IPG在2015年5月投资者会议上阐述,他们相 信光纤激光器焊接的市场机遇远远大于切割市场的市场机遇。


IPGPhotonics对采用激光线焊机(LSS,一种集 成激光焊接和工件夹持的机器人焊接工具,可浏览下方视频)取代几 种汽车应用中的电阻点焊工艺充满信心。在某次 季度电话会议上,ValentinGapontsev表示LSS能用于 加工不同的材料,例如碳钢、铝合金、不锈钢,而且焊 点的强度是传统电阻点焊的两倍。”

当激光 器开始用来替代电阻点焊机的时候,“激光器 的使用并没有因铝合金使用量的波动而有大规模的波动”,林肯电 气全球汽车事业部经理蒂姆赫尔利表示。相反,“激光焊 接开始用于原可使用电阻点焊进行的碳钢部件的焊接。”他表示 铝合金的高导热率以及电阻点焊会产生的痕迹给了激光焊接很大的机遇。然而,有时激 光焊接的优势取决于被加工的合金,有一部 分合金容易产生裂纹并需要填丝。

凭借高速、低热输入和低变形率,以及应 用的整体灵活性,激光工 艺成为汽车工业过去二十年中的关键组装工艺,”里奇曼表示。“由于激 光焊接的卓越焊缝质量,它主要 用于对外观有严格要求的应用。”

当铆焊 成为铝合金部件焊接的热门工艺时,巴伦说 他期待整车厂大幅减少对这些机械固定件的依赖。例如通用汽车就在CT6上成功的少用了约1800个铆接点,通过焊 点强度更高的激光焊接减少了4磅(1.81 kg)的重量。

“铆焊会增加重量。激光焊不会增加重量,”巴伦说道。

巴伦补充到,对激光 焊接构成最大威胁的铝合金非激光焊接工艺,可能是越来越复杂、比点焊 更好的粘接工艺。然而,加西亚 说到通用汽车更加信赖激光焊接,这部分 减少或替代了粘接工艺或者线焊工艺。

艾瑞克斯泰尔斯,IPG Photonics中西部 应用经理说激光焊接还可以取代气体保护金属极弧焊。然而,这种工 艺的热输入对于焊接更薄的板材来说太高。激光焊 接的其他机遇还来自于整车厂采用没有法兰或者使用更小法兰的部件设计。

“激”(机)遇开放

有些车 厂在开发激光焊接的潜力,以降低或消除车门,发动机 罩和护甲板设计中的钣金焊接法兰。在这些应用中,激光焊 接被用于取代在薄板装配中内外侧板的传统成型缝焊。如果成功,这可能 会是未来激光焊接运用中有更多潜力的应用,”里奇曼说到。

汽车零部件,例如车门,通常在 对多层金属板通电焊接的点焊工艺中对焊接法兰加压。采用激光焊接,例如CT6的车窗法兰厚度为6 mm,而传统 的点焊车窗法兰厚度为10-15 mm。当全车 身焊接法兰都减小时,就会显 著降低车体的重量。加西亚 说激光焊接的线性焊缝允许更小的法兰,而点焊 的环形法兰却有5-7 mm大小 。

巨大的成本优势

铝合金 和激光器的成本影响了激光焊接在汽车工业中的应用。过去10年4 kW激光器的价格下降了66.7%,而碳钢 的价格却比铝合金便宜1/3。而且铝 合金价格下降没有激光器价格下降的多,从2006到2015年,铝合金 每吨的年度平均价格仅下降了12%。

巴伦说,随着汽 车业务模式趋向于采用更多技术,“激光器 注定会有更多机遇。”加西亚补充说,通用汽 车对激光器的使用率“取得增 长因为我们对这种技术更加自信。”考虑到 汽车及航空航天行业通常引领工艺趋势,激光器 厂商期待着制造商们加入轻量化技术的行列。而其他 像汽车和航空航天这两个对重量敏感的行业,许多企 业则可以从铝合金可带来的减重中获益。

“铝合金有许多优势,从轻量化到防腐蚀,所以当 汽车行业中铝合金的使用增加时,必然会 给其他工业带来机遇。”IPG Photonics的斯泰尔斯说到。

(IPGB基于James Schlett 撰写文章综合整理

关于IPG

IPG Photonics是全球 高功率光纤激光器和放大器的领导者。公司始创于1990年,它倡导 将基于有源光纤的激光器推广应用于材料加工、通讯、医疗、科研等多种先进领域。光纤激 光器的应用为激光领域带来了革命性的变革,具有卓越的性能、可靠性、综合使 用成本低等优势,为用户提高了生产率。2013年,IPG Photonics被评为福布斯100家增长最快公司的第8位。2014年10月,IPG被世界经济论坛评为”全球成长型公司“。


IPG总部设 在美国马萨诸塞州牛津市,并在全 球多个国家建有生产、销售及服务基地。阿帕奇(北京)光纤激 光技术有限公司是IPG光子公 司在中国的全资子公司,主要负责IPG光纤激 光产品在中国地区的市场开拓、应用研发、系统集成、产品销售、售后服务和技术支持。

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