激光技术在汽车工业中的应用

1、激光技术在汽车工业中的应用郎旭元，张元钟（南华大学 机械工程学院，湖南衡阳421001激光技术是涉及到光、 机、电、材料及检测等多学科的一门综合技术，因具 有单色性、相干性、高能量和平行性等特点,激光适用于材料加工，而且激光的空 间控制性 和时间控制性很好，对加工对象的材质、 形状、尺寸和加 工环境的自由 度很大,特别适用于自动化加工，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科 相结合形成多个应用技术领域。尤其是近年来，汽车工业已成为激光技术应用最多 的领域之一。下表列出了采用激光加工方法生产的部分汽车零部件。1激光切割激光切割是利用经聚焦的高功率密度的激光束照射工件，在超过阈值功率密度

2、的前提下，光束能量及活性气体辅助切割过程附加的 化学反应热能被材料吸收，引起照射点工件材料的温度急剧上升。达到沸点后材料 开始汽化并形成孔洞。随着光束与工件的相对移动，使材料形成切缝。激光切割 的特点：速度快，切口光滑平整，一般无需后续加工；切割热影响区小、 板材变形小、 切缝窄（0. 1_0. 3m m 切口没有机械 应力，无剪切毛刺加工精度高，重复性好，不损伤材料表面；数控编程,可以对幅面很大 的整板切割，无需开模具， 经济省时。目前在许多国外汽车制造公司中，激光切割技术的 应用非常普遍。据有关资料 统计,欧美等工业发达国家50% 70%的汽车零部件都是采用激光加工来完成的。用三轴、五轴激

3、光切割机切割汽车车身、汽车顶壳和内装饰 板等。在样车研制和小批量生产中，使用三维以上的激光切割加工系统，切割各种板件。在生产线上，采 用激光切 割机器人对已经冲压成型的部件进行在线立体切割。高效激光切割系统的应用，大幅度缩短了新车的研制时间 和汽车的生产准备周期，使生产实现了自动化 和柔性化，而且生产效率也得到了大幅度的提高。美国福特汽车公司工模具厂用激光切割模具，生产周期缩短为原来的1/5,满足了汽车快速改型的需要1。2激光焊接由于激光焊接功率密度高、焊接速度快和热影响区小,加上不需搭边和焊缝成形好，不仅生产效率高，而且焊接质量好，焊缝强度等 于或超过母材。激光焊接与只能摘要:通过国外汽车公

4、司的一些实例，介绍了汽车工业应用的激光技术，对激光 切割、激光焊接、激光表面处理、激光检测等技术的原理、特点、应用范围作了 较为详细的分析，同时对激光技术在国内汽车工业的应用也进行了阐述。指出激光技术能够保证汽车的加工质量，提高生产效率，降低制造成本，适合于在汽车工业推广 使用。最后，对激光技术的研究趋势进行了讨论。关键词:汽车工业；激光切割；激光焊接；激光表面处理；激光检测中图分类号:TG 456. 7;TG 485;U 463文献标识码:A文章编号：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序号 12345加工方法切割焊接拼焊表面处理打标加工部件名称车身覆盖件、动力操纵组件车身、离合器、变速箱拼焊板凸轮轴、齿轮、曲轴内部组件备注材料边缘密封焊，多层切

9、割同时 进行，切割质量保持一致。无切 割毛刺，变形小， 热影响区小。对车顶和立柱等所有部件均能进行焊接速度快、强度高、 变形小,焊接相容性好，材料消耗少，焊接质量好。满足汽车对不同钢种、厚度、耐腐蚀性能和强度性能的要求，并且在焊接以后进行成形。局部热处理，变形小，无需矫正。20机械工程师2006年第6期专题论坛 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c汽车工业中采用激光技术加工的部分零件表进行单调焊接的点焊相比几乎是无所不能，实际上激光可以在计算机控制下沿 任意轨迹进行焊接。所以被广泛应用于汽车门板、挡板、仪表板、动力传动齿轮 等零部件的制造，也被用于车顶和侧围、

10、发动机架、散热器架等部件的装配。梅 赛德斯-奔驰公司用激光焊接车顶和边窗，每小时可完成45件。卡迪拉克公司在生 产豪华 车中用2. 4kW连续N d : 丫 A G激光焊车体镀锌部件,焊接的聚焦 机构和 压轮组合在一起，焊接时压轮压在工件上，使车顶与夹具紧密吻合，可以达到完美加 工,完全能满足生产 率、经济性、防腐能力和强度的要求2。用激光焊接代替 电 子束焊进行齿轮及传动部件的焊接，减少了变形，且提高了生产率。另外,激光拼焊技术在汽车工业中也具有很大的应 用前景3。拼焊板（国外称 之为Tai l or W el ded B I anks是汽车车身设计中出现的一个崭新的概念,可将经不 同表面处

11、理、不同钢种、不同厚度的钢板采用激光焊的方法，使之成为一个组 件。这种板材的自由组合具有以下优点：减少零件数量；减轻构件重量;提高构件结 构质量和可靠性;为生产宽体车提供可能；可提高钢材利用率和降低生产成本等。拼焊板的这些优点在生产中体现为产品质量和生产效率高,且生产成本低，因此受到汽车工业界的极大关 注。德国梯森公司的N ot hel f er公司从1985年开始 生产拼焊板，1986年首次将拼焊的汽车底板应用于A udi , 1987年将其推 入美国市场。目前该公司向欧洲各汽车厂，包括大众、奔驰、菲亚特等提 供各种规格的拼焊钢板，占有欧洲50%的市场份额。我国一汽A udi 100所采用的

12、 底板均系该公司产品。日本丰田汽车公司生产雷克萨斯和可罗娜轿车采用5种不同厚度和3种不同表面镀层的 拼焊侧框件，将模具数量由29副减少到4副，材料利 用率由40%增加到65%。过去内门板用0. 8m m的钢板冲压 而成，为了铰接和安装 反光镜的需要，必须焊上加强件。 现采用2m m坯板和0. 8m m的坯板激光焊在一 起,然后一次冲压成型，每扇门重可减少1. 35kg。图1为轿车中采用激光拼焊板的 部件。3激光表面处理3. 1激光相变硬化激光相变硬化是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随材料自身冷却，奥氏体转变成马氏体，从而硬化材 料表面。其特点是以激光为热源，局部加热，一旦停止照 射，加热

13、区的热量就迅速传出，急冷并硬化。福特、丰田、三菱等汽车公司均采用 激光相变硬化技术对汽车零部件进行处理,取得良好效果，并已成功地用于齿轮箱、 气缸、活塞环槽、气门座圈、气门导管等零件的表面硬化处理。3. 2激光熔覆与合金化激光熔覆与合金化都是利用高能密度的激光所产生的快速熔凝过程,在基体表面形成与基体互相熔合的、且具有完全不同成分与性能的合金覆层。两者差异仅在于:激光熔覆中覆层材料完全熔化，而基材熔化层极薄，因而对覆层的成分影响极 小;而激光合金化则是在基材的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基 础的新的合金层。激光熔覆适用于局部易磨损、易磨蚀和受冲击的零件。熔覆时通常选用硬度高、耐磨

14、、抗疲劳、耐蚀等材料放在工件表面，然后用大功率激光来扫描，将熔覆 材料熔化 到基体表面，形成母材成分不同的组织而母材表面只有 微量熔融,二者不 发生合金化过程。熔化的添加材料在基体表面上形成牢固结合的熔覆层，可以极大 提高零件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能。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,其性能及组织不同于 母材。激光表面合金化的处理过程具有效率高、耗能少、变形小等特点，可对汽车工业中的汽缸、 衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀和 阀座、传动机件等进行改性处理。美国 A V C O汽车公司在A I SI 4815钢制零件 表面涂上C和C r细粉

15、后用10kW的C O 2激光以48m m /s的速度 扫描,可获得1. 3m m厚的合金化层。其含铬量高达 20%,且分布均匀，其表面硬度可提高到 H R C 55,而基材硬度只有H R C 33并且内部能保持相当好的韧性4。4激光检测在当今汽车工业中，对零部件和车身的要求越来越高，各种设备也不断朝着精密 化、自动化方向发展，传统的方法已不能完全满足检测工作的要求。而激光检测具 有精度高、适用性强、可靠性高等优点，得以迅速发展。激光技术在汽车工业检 测中的应用，项目繁多。激光可以用 来测量尺寸,用激光对汽车的曲轴、凸轮轴、阀座等零件的直线度、长度、垂直度、密度等测量，所有尺寸的分辨率可达 1卩

16、m重复精度0. 2卩m激光也可用来检查零件，美国通用汽车公司已在全自动的 发动机生产线上采用激光 装置检查汽车零件产品质量，公差为. 001英寸。另外， 用激光还可以检测零件的密封性能5。图2为激光检测系统原理结构图。将被测物中等压等容导入测试气体并密封处理后放入检测单元，CO2激光器发出的激光光束进入检测单元。21机械工程师2006年第6期专题论坛 F o ru m o n S p e ci a l T o p i当被测物有泄漏产生时，检测单元内检测气体的浓度将逐渐升 高。在激光入射方向以外，散射光的强度、频移及其角度依赖性都与检测 气体的浓度有关。借助检测散射光强度、频移及散射角度等表征参

17、数，将其转换成 电信号并在微型控制器内进行计算，即可确定检测单元内泄漏气体的浓度，从而计 算出泄漏率并确定密封性能合格与否。激光检测还可以用来测量振动、测量发动 机性能、测量尾气、检测轮胎 等。5其它激光技术5. 1激光打标激光打标是激光领域中最广泛的技术之一。高速激 光打标机利用高能量密度 的激光束和高速扫描振镜，把激光束聚焦到工件表面，使材料迅速汽化，形成凹坑。 利用专用软件设计待扫描图案，控制扫描时间和扫描深度 等,可广泛用于金属及多 种非金属材料的汽车配件。5. 2激光快速成型激光快速成型技术是在1990年代随着计算机、激光、高分子材 料、C A D /C A M、精密机械等技术迅速发

18、展下 应运而生的，并在汽车工业中很 快得到应用，激光快速成型技术用于样车模型制作和模具开发，可大大缩短新产品 的试制周期，降低试制成本，提高新产品的市场竞争能 力。而且还可在零件级和部件 级水平上，用于加工工艺性 能、装配性能、有关工装模具的校验与分析，以及运动 特性测试、风洞试验、有限元分析结果的实体表达等7。6激光技术在我国汽 车工业中的应用我国六五”、七五”、八五”期间屈 家都把激光技术列为攻关项目。1980年代，由中国科学院发 展局和中汽投资公司共同在上海组织了来自研究院、所和大专院 校，含一汽、二 汽、大众在内的主要汽车厂的专家对激光技术在我国汽车工业中的应用进行了探 讨,并达成了一

19、些合作项目和意向。1990年代初,南昌齿轮厂建成齿轮激光焊接生产线柳州微型车厂引进 大型激光切割机床；国内较先进的 两条激光处理生产线（西安内燃机配件厂缸套激光 处理生产线和北京吉普汽车公司发动机缸体激光处理生产线也相继 建成。同时，该技术迅速被国内汽车修理行业 所接受。使得激光加工应用领域逐步 扩展。20世纪末，以一汽大众A udi A 6和上海大众帕萨特B 5轿车顶盖激光 焊接 线为代表,激光技术在国内汽车工业中占据了不可 替代的地位,并作为先进制造技术 被业内人士接受。以一汽集团公司为例，除承担国家重点科技攻关项目发动机缸体激光热处理研究”项目外，还先后开展了 C A 488发动机曲轴和

20、凸轮 轴、C A 141传动器滑动叉及刹车蹄片、C A 6102摇臂及摇臂轴等的 激光淬火和熔凝强化处理、C A 6102进排气门和模具的激光熔覆、C A 6102发动机铝活塞一道环槽的激光合金化、变速器齿轮激光焊接、捷达轿车水泵带轮激光焊接、车身钢板及轻型车仪表板的激光切割等汽车零部件激光加工技术的研究开发工作。同时，也对刀具、铸造模具等进行了系列强化试验，为一汽创 造了近百万元的经济效益8。目前，一汽集团已有近10台激光加工机从事生产和 研发工作,其中有4项激光 技术实现了在线生产。北内集团、北京吉普车有限公司、 大连机车车辆厂、首都汽车公司等都相继建立了激光热处理生产线，以提高发动机性能

21、。南昌齿轮厂 与中国大恒公司、上海光机所等单位合作建立的汽车多联齿轮激光焊接生产线，产 品成功地应用于依维柯汽车、五十铃卡车等9。宝山钢铁联手欧洲钢铁巨头阿 赛洛（A r cel or在上海 建成的合资公司（上海宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司 专业 生产激光拼焊板，填补了国内空白，也改变了国内汽车公司只能从国外进口激光 拼 焊板的状况。虽然我国的激光技术取得了长足的发展，但由于我国汽车生产与国外尚存在较 大差距,汽车生产设备及工 艺还较落后，给激光这一高新技术应用推广带来了很大 困难,造成了激光产业化水平很低。因此，扩大与提高激光技术的工业应用及产业化 水平,仍然是一项十分艰巨的任务。随着国家的重

22、点扶持与汽车制造部门、研究 机构及相关单位的努力，激光技术必将获得普遍的应用，这对促进我国汽车工业的技 术进步和长远发展具有重要的战 略意义。7激光技术的研究趋势当前,仍存在一些问题阻碍了激光技术在汽车工业的大规模推广使用，为了解 决这些问题可从下列几个方面入手：（1由于激光加工是激光束与材料相互作用的科学，为了达到工业上的广泛应用， 首先必须开展大量研究工作，进一步研究和完善激光加工机理和工艺方法，建立较符合实际的理论加工模型，以便用计算机来分析处理和 预测加工效果。此外要进行大 量的试验研究，获得应用于 实际加工的优化数据库，根据大量的试验数据，利用神经 网络理论把影响激光加工的主要因素和

23、衡量指标作为网络的输入、输出特征，更好地认识其变化规律性，从而确 定激光加工的最佳工艺参数，降低生产成本。(2研究激光加工过程中的 快速无损检 测手段和控制手段,开发出可在生产线 上同时监测激光器的工作情况和零件加工质量的实时非破坏性监测系统，保证获得 高质量的激光加工零件。(3汽车界比较关心的问题 就是激光加 工设备一次性投入较大，单位时间加工 成本高，导致了设备投入回收期比较长。因此，要积极进行激光加工设备、激光加工 系统及激光加工方法的研制和开发，使激光技术向着快捷、高效、高质量和高度柔 性方向发展，最终使激光加工过程 简化、费用低，设备操作和维修方便10一 11。8结语激光是一种清洁的

24、绿色能源，生产效率高，加工质量CO 2激光器检测单元微型控制器图2激光检测系统原理结构图22机械工程师2006年第6期专题论坛 F o ru m o n S p e ci a l T o p i c稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光技术所带来的优越性正在被越来越多的人所认识。当前汽车工业正在步入按用户要求进行柔性加工的精益生产阶段，汽车工业界出现了柔性模块式生产方式。传统的加工工艺已不能满足新生产方式的要求，这给激光技术的发展提供了机遇,汽车工业将比其它工业更大地推动激光技术的完善和发展,激光技术的应用前景也将越来越广阔。参考文献1 荣烈润激光在汽车工业中的应用J .机电一体化,2004(5

25、 :6-9.2 彭毅,郑大春.激光加工在汽车工业生产中的应用J .新技术 新工艺，2000(7 :15-17.3 曹能，冯梅.激光加工技术在汽车工业中的应用J .宝钢技术，1998(3 :50-53.4李捷辉,袁银南.激光表面处理技术在汽车工业中的应用及前景J .江苏理工大学学报(自然科学版,1999, 7(4 :36-40.4 丁晨旭，闫爱淑，等.汽车零件的密封检测技术J .汽车工艺与 材料，2001(7 :37-39.白宝俊,王占华，等.激光全息相位剪切照相轮胎无损检测系统 在汽车轮胎 检测中的应用J .轮胎工业,2003, 23(2 :104-107. 7李春青，冯树强.汽车工业 中 激

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27、05-12-20!基金项目:973国家重大基础研究计划项目 （2003CB716204!三维微细电火花加工运动平台的误差模型建立杨国哲，王立平，郁鼎文，崔巍（清华大学精密仪器与机械学系，北京1000841前言随着科学技术的发展，人类在制造领域中采用的尺 度已由微米迈向纳 米。精密和超精密加工技术的发展和推广，提高了整个机械制造业的加工精度和技 术水平以 及机械产品的质量、 性能和竞争力。超精密加工已达到了 纳米级，甚至 是亚纳米级（原子级过去,精密制造主要通过提高机床零部件的加工精 度、改变系统的结构配置以 减少误差源，达到提高机床加工精度的目的。由于加工环境的非线性、时变性和复杂 性，机床几

28、何误差、机 床运动误差、热变形和切削力变形这一类误差的存在，成为制约机床加工精度进一 步提高的瓶颈。纯粹靠提高组件的精度来保证机床的总精度即使在 技术上是可能的，在经济上 也要付出巨大的代价。 随着计算机软、硬件技术的发展，误差补偿技术以其性价比 高、可靠性好等优点日益受到重视。误差补偿技术可通过分析、检测和建模，获得机床的误差估算，然后利用不 同的23机械工程师2006年第6期摘要:随着计算机软、硬件技术的发展，误差补偿技术其性价比高、可靠性好等优点日益受到重视，通 过合理的补偿，可使被加工零件的精度得到甚至超过数控加工机床本身的精度。文 中介绍在国内外机床误差建模研究的基础上，根据三维大行

29、程运动平台的几何特性, 运用齐次矩阵变换，提出了基于切点”误差的运动学综合空间误差数学模型，并在此 基础上完成了三维微细电火花加工运动平台的误差补偿理论分析。关键词:超精密；运动平台；运动控制；微细电火花 中图分类号:TP391. 7, TH 122文献标识码:A文章编号：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