用于汽车零部件加工的激光拼焊板技术始于上世纪八十年代,而蒂森克虏伯拼焊板(ThyssenKrupp Tailored Blanks)几乎成为这一高端制造工艺的代名词。与普通钢板相比,激光拼焊板能给汽车带来车身轻量化、驾驶安全度提高和生产总成本降低等诸多优点.激光拼焊是汽车板生产的先进技术,于1985年正式应用,已在欧、美、日各大汽车厂的整车制造中得到广泛使用。中国的激光拼焊板技术应用起步较晚,直到2002年10月25日,我国第一条激光拼焊板专业化商业生产线才在武汉正式投入运行。 目前,国内激光拼焊板需求量迅速上升,国产高品质车型,如:帕萨特、别克、奥迪、雅阁等都开始采用激光拼焊板。基于这种情况,宝钢集团在2004年11月和12月相继在上海和长春成立了激光拼焊板生产公司。
激光拼焊技术的前身
激光拼焊板源于上世纪80年代,出现在汽车工业。当时主要是为了解决钢厂轧机轧出的钢板板宽不够的问题,通过拼焊技术从而满足汽车工业对宽板的需求,故以将相同厚度的钢板进行拼焊为主。随着汽车工业的发展,激光拼焊板向差厚板方向发展,即可将不同厚度的钢板实现拼焊,此时才真正实现了汽车钢板激光拼焊的目的。
目前激光拼焊技术是在汽车工业中广泛使用的在冲压成形前将两块或多块具有不同厚度的材料连接起来再成形的一项新技术。在汽车厂传统使用的工艺方案是将各种部件先冲压成零部件再采用点焊的方法连接成一个整体,而采用了激光拼焊新技术后,则改成先将不同强度和不同厚度的板材冲裁、用激光焊接的方法连接成整体毛坯,然后进行整体冲压成形。
激光拼焊技术带来的优势
利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势,根据国外学者的研究,其优点多达37条,主要体现在以下几方面:
(1)对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中,使用激光拼焊板,消除了使用多余加强件的需要,从而带来整体车身重量的降低。通过在一块钢板中,不同材料和厚度的组合可以大大简化整体车身的结构。
(2)减少汽车零部件的数量。轿车车体的结构精度可以得到大大提高,许多冲压设备和加工工序可以得到缩减。以门内板的应用为例,在车身设计中,该零件对于冲压成形性能要求较高。这就意味着需要采用软一点的和薄一点的材料。然而,在相同门内板的前部,在铰链与门相连接的部位又需要足够的强度来承受门的频繁使用。在传统工艺方法中,就需要使用加强板来增强门内板这一地方的强度。这件多余的部件在车间中则需要众多的工序来完成加工。而现在,通过使用激光拼焊技术,将一块大的、软一点、薄一点的材料与比较小的、硬一点、厚一点的材料通过激光焊接在冲压工序前就连接成一件门内板,再冲压成一件整体件,从而完全消除了使用加强件的必要性。
(3)原材料利用率大大提高,废料大大减少。通过在结构件的特定部位有选择性的使用高强、厚材料从而使材料的利用率大大提高。通过在落料工序中采用排料技术,将各种各样的钢板得到合理组合从而大大降低材料工程废料率。
(4)结构功能得到大大提高。通过使用激光拼焊技术,由于将材料的强度、厚度得到合理组合,使结构的刚度得到大大改善。结构的抗腐蚀性能也得到提高。使用拼焊技术更加重要的作用便是通过厚度与强度的组合,使结构件的抗碰撞性能得到大大提高。同时在有碰撞要求的部位,通过使用高强钢或厚板,而在要求低的部位,使用低强钢或薄板,从而大大提高了汽车零部件抗碰撞的能力。激光拼焊正是适应了在该要加强的部位进行加强的需要,通过厚板和薄板的连接或者高强钢与低强钢的连接,对汽车安全性提高的效果要大大优于钢板厚度或强度等级没有变化的情况。与传统点焊工艺相比,使用激光拼焊板的冲压件其尺寸和形状精度也大大提高。从而使车身的装配精度得到改善。这将带来汽车噪声的降低和更少的整体装配缺陷。
(5)为生产宽体车提供可能。由于受钢厂轧机宽度的限制,钢厂提供的板宽是有一定限度的,而随着汽车工业的发展,汽车对宽板的需求却日趋紧迫,采用激光拼焊不失为一种有效而经济的工艺方法。
ULSAB项目于1998年生产出样车,在这一超轻型车上运用的拼焊板零部件数量达到16件,约占车身重量的45%,由于通过采用拼焊板技术,使车身零件数量约减少25%、抗扭刚度提高了65%、振动特性改善35%,并且增强了弯曲刚度。
激光拼焊板是高新技术的产物,拼焊板工艺的出现解决了由传统的单一厚度材料所不能满足的超宽板及对材料不同部位具有不同性能要求的工艺问题。拼焊板是由不同型号、不同厚度和不同涂层的钢材采用激光技术焊接而成,其工艺主要为汽车行业进行配套服务。
与传统钢板相比,激光拼焊板具有多项优点,给汽车整车设计带来更广阔的创新空间。蒂森克虏伯拼焊板公司是戴姆斯-克莱斯勒、宝马、通用、大众、福特、标致-雪铁龙、雷诺、本田等世界著名汽车厂的原配供应商,总计开发了500多种激光拼焊零件产品。武汉工厂采用激光拼焊剪裁坯板技术制造和供应14种车身附件,包括前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A、B、C立柱、轮罩、尾门内板等。新技术使得汽车生产制造从整车制造商向材料供应商转移,是零部件制造及配送方式的一场革新。
激光拼焊剪裁坯板工艺流程为:卷料开平→落料及精剪切边→激光焊接(直线或非直线)→拼焊板产品→冲窝→堆垛包装。 激光拼焊板技术具有许多优越性,首先能提高部件制造标准化,减轻汽车重量,降低制造成本,由于零部件精简,大大简化复杂的运算进而提高零件加工和装配的尺寸精度;其次,零部件数量减少及随之而来的生产设备和制造工艺简化,生产效率提高,投资成本降低;第三,由于不再需要加强板,也没有接缝,大大提高了装配件的抗腐蚀性能,接缝数量减少也省去了传统密封措施的使用;第四,采用拼焊板技术制成的钢板与未经焊接的钢铁基板的成形性能很接近;第五,材料厚度的可变性及其可靠的质量能确保对某些重要部位的强化改进,通过对材料厚度及质量严格筛选,在材料强度和抗冲击性方面给零部件带来质量革新。
激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技,采用传统的冲压成形方法就需要另外设计加强板,而采用拼焊技术,可先将三块不同厚度的钢板拼焊成一块整板,即可冲压成形。激光焊接的高能密度、无填料、无搭接、深熔、速度快等特点,使得激光拼焊板技术具有以下特点:焊缝处的热应变值较低,热影响区小,通过激光束的聚焦给焊接边缘提供需要的高能量,聚焦点的直径可以达到零点几个毫米,保留良好的材料成形性能;焊缝较狭窄且平整,消除成形过程的不利影响,避免了破坏工具、模具的危险;焊接生产效率高,能够实现高度自动化。
激光质量检测分在线检测和焊后抽样检测两道工序。在线无损检测采用等离子监测系统,焊缝监测系统和孔隙监测系统;焊后抽样检测采用杯凸测试,剥离测试和检测员目测(焊缝表面,板面,现成物流监控)。所有拼焊板产品100%检测,给客户最好的品质保障。
由于与传统工艺方法相比,激光拼焊技术具有显著的优势,汽车生产厂对激光拼焊板在冲压过程中所表现的性能便更加关注。对激光拼焊板性能的研究目前已成为一个热点。激光拼焊板与母材相比,呈现出不同的性能特点。研究表明激光对接焊缝比母材具有更高的强度和硬度值。这是由于在小的焊接熔池中激光焊缝得到了快速冷却。在大多数的激光焊接接头中,热影响区组织是由细晶、等轴晶组成。大量实验结果表明使用仿真技术能够较好的预测激光拼焊板焊缝在冲压过程中的流动规律。
在汽车白车身结构件中,越来越多的典型结构件诸如纵梁、门内板、保险扛、加强板在冲压工序均使用激光拼焊板。据统计,在目前的新车身结构件设计中平均每辆车有2件或3件使用激光拼焊技术。尤其对于那些价格比较昂贵的轿车,在其车身设计中使用了更多的拼焊板。通过使用激光拼焊板,整车的抗碰撞性能得到大大提高。由于汽车设计师和汽车生产厂家已经意识到在汽车结构件中使用激光拼焊板可以大大简化生产工序、降低生产成本、提高整车的性能,从而在更多、更新的车身结构件中运用激光拼焊板。
我国对激光拼焊板生产的研究和应用,以宝钢对此反应最为积极。宝钢从1991年就开始对激光拼焊技术进行跟踪研究。1999年宝钢技术中心引进激光拼焊试验装置,对激光拼焊技术进行研究,已完成多家汽车厂部分零件的工艺研究,且进行了实冲试验,达到实际车身零件对激光拼焊板的要求。
由于对汽车生产厂家而言,激光拼焊板具有很多优势,目前在许多新的车型结构件上都使用激光拼焊板,对激光拼焊板的需求正在迅速增加。2004年11月9日,宝山钢铁股份有限公司与阿赛洛(Arcelor)公司联合投资成立了合资公司(上海宝钢阿赛洛激光拼焊板有限公司)正式投产,专门大规模生产激光拼焊板。该合资公司引进了先进的激光拼焊板生产线,专业生产激光拼焊板以满足国内汽车厂对于激光拼焊板的需求。在不久的将来,中国汽车工业对于激光拼焊板的需求必将逐渐取代从国外进口转而由国内生产厂来满足激光拼焊板的及时供应。
激光拼焊板是近年来在汽车工业出现的一项新技术,通过在汽车白车身结构件上使用激光拼焊板,可以使车身重量得到大大降低、安全性能得到大大提高。在汽车厂冲压过程中,材料也得到合理使用,车间的材料废品料可得到大大降低。
汽车工业对于激光拼焊板的大量运用是当今时代发展的必然趋势。
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