Как несущая конструкция других частей автомобиля, технология изготовления кузова напрямую определяет общее качество его производства. В процессе изготовления кузова автомобиля сварка является важным производственным процессом. В настоящее время для сварки кузовов автомобилей используются следующие основные технологии: контактная точечная сварка, сварка в среде инертного газа (MIG-сварка) и дуговая сварка в среде активного газа (MAG-сварка), а также лазерная сварка.
Лазерная сварка, как передовая технология сварки с оптико-механической интеграцией, обладает преимуществами высокой плотности энергии, высокой скорости сварки, низкого сварочного напряжения и деформации, а также хорошей гибкости по сравнению с традиционной технологией сварки кузовов автомобилей.
Конструкция кузова автомобиля сложна, а его детали в основном представляют собой тонкостенные и изогнутые элементы. Сварка автомобильных кузовов сопряжена с трудностями, такими как вариативность материалов кузова, различная толщина деталей, разнообразные траектории сварки и формы соединений. Кроме того, к сварке автомобильных кузовов предъявляются высокие требования к качеству и эффективности сварки.
При правильном выборе параметров процесса сварки лазерная сварка обеспечивает высокую усталостную прочность и ударную вязкость ключевых деталей кузова автомобиля, гарантируя тем самым качество и срок службы сварных швов. Технология лазерной сварки позволяет адаптироваться к сварке деталей кузова с различными формами соединений, различной толщиной и типами материалов, удовлетворяя потребность в гибкости в производстве кузовов автомобилей. Таким образом, технология лазерной сварки является важным техническим средством для достижения высококачественного развития автомобильной промышленности.
Процесс лазерной сварки автомобильных кузовов
Принцип процесса лазерной глубокой сварки: Когда плотность мощности лазера достигает определенного уровня, поверхность материала испаряется, образуя сквозное отверстие. Когда давление паров металла внутри отверстия достигает динамического равновесия со статическим давлением и поверхностным натяжением окружающей жидкости, лазер может облучать сквозное отверстие до его дна, и благодаря движению лазерного луча образуется сплошной сварной шов. В процессе лазерной глубокой сварки нет необходимости добавлять вспомогательный флюс или присадочный материал для сварки самого материала заготовки в единое целое.
Шов, полученный методом лазерной глубокой сварки, как правило, гладкий и прямой, с небольшими деформациями, что способствует повышению точности изготовления кузова автомобиля. Прочность сварного шва высока, что обеспечивает высокое качество сварки кузова. Скорость сварки высока, что способствует повышению эффективности сварочных работ.
В процессе сварки кузовов автомобилей использование лазерной глубокой сварки позволяет значительно сократить количество деталей, пресс-форм и сварочного инструмента, тем самым уменьшая собственный вес кузова и производственные затраты. Однако лазерная глубокая сварка менее требовательна к зазору между свариваемыми деталями, и этот зазор необходимо контролировать в пределах от 0,05 до 2 мм. Если зазор слишком велик, могут возникнуть дефекты сварки, такие как пористость.
Современные исследования показывают, что при сварке кузовов автомобилей из одного и того же материала путем оптимизации параметров процесса лазерной глубокой сварки можно получить сварной шов с хорошей структурой поверхности, меньшим количеством внутренних дефектов и превосходными механическими свойствами. Превосходные механические свойства сварного шва соответствуют требованиям эксплуатации свариваемых компонентов кузова автомобиля. Однако в сварке кузовов автомобилей процесс лазерной глубокой сварки гетерогенных металлов на основе алюминиевого сплава и стали, как представителя этого процесса, еще не отработан. Хотя добавление переходного слоя позволяет получить превосходные характеристики сварного шва, механизм влияния различных материалов переходного слоя на слой интерметаллических соединений и его воздействие на микроструктуру сварного шва не до конца изучены и требуют дальнейшего углубленного исследования.
Процесс лазерной сварки с заполнением проволокой кузова автомобиля
Процесс лазерной присадочной сварки основан на следующем принципе: сварное соединение формируется путем предварительного заполнения шва определенной проволокой или путем одновременной подачи проволоки в процессе лазерной сварки. Это эквивалентно подаче приблизительно однородного количества проволоки в сварочную ванну при лазерной глубокой сварке. На приведенной ниже схеме показан процесс лазерной присадочной сварки.
По сравнению с лазерной сваркой глубоким плавлением, лазерная сварка присадочным материалом имеет два преимущества при сварке кузовов автомобилей: во-первых, она позволяет значительно улучшить точность зазоров между свариваемыми деталями кузова и решить проблему высоких требований к зазорам при лазерной сварке глубоким плавлением; во-вторых, она позволяет улучшить распределение материала в зоне сварки за счет использования проволоки с различным составом, что, в свою очередь, регулирует качество сварки.
В процессе производства кузовов автомобилей лазерная сварка в основном используется для сварки деталей из алюминиевых сплавов и стали. Особенно при сварке деталей из алюминиевых сплавов в кузове автомобиля поверхностное натяжение расплавленной ванны невелико, что легко может привести к ее разрушению. В то же время, лазерная сварка позволяет лучше решить проблему разрушения расплавленной ванны за счет плавления проволоки, характерной для лазерной сварки.
Процесс лазерной пайки кузова автомобиля
Процесс лазерной пайки основан на следующем принципе: используя лазер в качестве источника тепла, лазерный луч фокусируется и направляется на поверхность проволоки, проволока плавится, расплавленная проволока стекает вниз и заполняет свариваемую деталь, и между припоем и деталью происходят металлургические эффекты, такие как плавление и диффузия, тем самым соединяя деталь. В отличие от лазерной сварки присадочным материалом, лазерная пайка расплавляет только проволоку, а не свариваемую деталь. Лазерная пайка обладает хорошей стабильностью сварного шва, но прочность на растяжение полученного сварного шва низкая. На рисунке 3 показано применение процесса лазерной пайки при сварке крышки багажного отделения автомобиля.
В процессе сварки кузова автомобиля лазерная пайка в основном используется для сварки деталей кузова, не требующих высокой прочности соединения, таких как сварка верхней крышки и боковых панелей, сварка верхней и нижней частей крышки багажного отделения и т. д. Для сварки верхних крышек автомобилей VW, Audi и других моделей среднего и высокого класса используется лазерная пайка.
К основным дефектам лазерной пайки автомобильных кузовов относятся заедание кромок, пористость, деформация сварного шва и т. д., и эти дефекты можно значительно уменьшить, регулируя параметры процесса и используя многофокусную лазерную пайку.
Процесс лазерно-дуговой сварки композитных материалов кузова автомобиля
Принцип лазерно-дуговой сварки композитных материалов заключается в следующем: два источника тепла, лазер и дуга, одновременно воздействуют на поверхность свариваемой детали, в результате чего деталь расплавляется и затвердевает, образуя сварной шов. На приведенной ниже схеме показан процесс лазерно-дуговой сварки.
Лазерно-дуговая сварка композитных материалов сочетает в себе преимущества лазерной и дуговой сварки: во-первых, благодаря действию двух источников тепла скорость сварки может быть увеличена, подвод тепла уменьшается, деформация сварного шва невелика, сохраняя при этом характеристики лазерной сварки; во-вторых, обеспечивается лучшая способность к перекрытию швов, повышается допустимый зазор при сварке; в-третьих, скорость затвердевания расплавленной ванны замедляется, что способствует устранению пор, трещин и других дефектов сварки, улучшает структуру и характеристики зоны термического воздействия; в-четвертых, благодаря дуге, она позволяет сваривать материалы с высокой отражательной способностью и высокой теплопроводностью, что расширяет спектр применяемых материалов.
В процессе изготовления кузовов автомобилей лазерно-дуговая комбинированная сварка в основном используется для сварки компонентов кузова из алюминиевых сплавов и разнородных металлов — алюминиевых сплавов и стали. Зазоры при сварке крупных деталей, таких как дверные панели автомобилей, способствуют созданию перемычек при лазерно-дуговой комбинированной сварке. Кроме того, технология лазерно-дуговой MIG-сварки также применяется для сварки боковых балок крыши кузова Audi.
В процессе сварки кузовов автомобилей лазерно-дуговая сварка композитных материалов имеет преимущество в виде большого допуска по зазорам по сравнению с однолазерной сваркой. Однако лазерно-дуговая сварка композитных материалов требует всестороннего учета относительного положения лазера и дуги, параметров лазерной сварки, параметров дуги и других факторов. Поведение тепло- и массопереноса в процессе лазерно-дуговой сварки является сложным, особенно регулирование энергии при сварке гетерогенных материалов, а также механизм толщины интерметаллических соединений и регулирования структуры ткани остаются неясными и требуют дальнейшего изучения.
Другие процессы лазерной сварки автомобильных кузовов
Лазерная глубокая сварка плавлением, лазерная сварка присадочными материалами, лазерная пайка и лазерно-дуговая сварка композитных материалов, а также другие сварочные процессы имеют более развитую теорию и широкий спектр практического применения. По мере роста требований автомобильной промышленности к эффективности сварки кузовов и увеличения спроса на сварку разнородных материалов в легковесном производстве, все большее внимание привлекают лазерная точечная сварка, лазерная колебательная сварка, многолучевая лазерная сварка и лазерная сварка в полете.
Процесс лазерной точечной сварки
Лазерная точечная сварка — это передовая технология лазерной сварки, обладающая выдающимися преимуществами высокой скорости и точности сварки. Основной принцип лазерной точечной сварки заключается в фокусировке лазерного луча на точке свариваемой детали, в результате чего металл в этой точке мгновенно плавится. Путем регулирования интенсивности лазерного луча достигается эффект термокондуктивной сварки или глубокой сварки плавлением. После прекращения работы лазерного луча жидкий металл рефлюксирует, затвердевает и образует соединение.
Существует два основных вида лазерной точечной сварки: импульсная лазерная точечная сварка и непрерывная лазерная точечная сварка. Лазерный луч при импульсной лазерной точечной сварке имеет высокую пиковую энергию, но короткое время воздействия, и обычно используется для сварки легких металлов, таких как магниевые и алюминиевые сплавы. При непрерывной лазерной точечной сварке лазерный луч имеет высокую среднюю мощность и длительное время воздействия, и в основном используется для сварки стали.
В сварке кузовов автомобилей, по сравнению с контактной точечной сваркой, лазерная точечная сварка обладает преимуществами бесконтактного процесса и возможности самостоятельного проектирования траектории точечного сварки, что позволяет обеспечить высокое качество сварки при различных зазорах между материалами кузова.
Процесс лазерной колебательной сварки
Лазерная осцилляторная сварка — это новая технология лазерной сварки, предложенная в последние годы и получившая широкое распространение. Принцип этой технологии заключается в достижении быстрой, упорядоченной и малой осцилляции лазерного луча путем интеграции осциллирующего зеркала в сварочную головку, что позволяет добиться эффекта перемешивания луча при его перемещении в процессе лазерной сварки.
Основные траектории колебаний в процессе лазерной осцилляторной сварки включают: поперечные колебания, продольные колебания, круговые колебания и бесконечные колебания. Лазерная осцилляторная сварка имеет значительные преимущества при сварке кузовов автомобилей, поскольку колебание лазерного луча существенно изменяет текучесть расплавленной ванны, что позволяет устранить дефекты непроплавления, добиться измельчения зерен и подавления пористости при сварке одинаковых материалов кузова, а также решить проблемы недостаточного смешивания различных материалов и плохих механических свойств сварного шва при сварке разнородных материалов кузова.
Процесс многолучевой лазерной сварки
В настоящее время волоконные лазеры позволяют разделить один лазерный луч на несколько с помощью модуля разделения луча, установленного в сварочной головке. Многолучевая сварка эквивалентна применению нескольких источников тепла в процессе сварки. Путем регулирования распределения энергии луча различные лучи могут выполнять разные функции, например: луч с более высокой плотностью энергии является основным лучом, отвечающим за глубокую сварку расплава; вспомогательный луч с более низкой плотностью энергии может очищать и предварительно нагревать поверхность материала и увеличивать поглощение энергии лазерного луча материалом.
Многолучевая лазерная сварка позволяет улучшить испарение паров цинка и динамическое поведение расплавленной ванны при сварке оцинкованных стальных листов, уменьшить разбрызгивание и повысить прочность сварного шва на растяжение.
Процесс лазерной сварки в полете
Технология лазерной сварки в полете — это новая технология лазерной сварки, отличающаяся высокой эффективностью и автономным проектированием траектории сварки. Основной принцип лазерной сварки в полете заключается в том, что при попадании лазерного луча на X и Y зеркала сканирующего зеркала угол наклона зеркала контролируется с помощью автономного программирования для достижения отклонения лазерного луча под любым углом.
Традиционно лазерная сварка кузовов автомобилей в основном основана на использовании сварочного робота для синхронного перемещения сварочной головки и достижения эффекта сварки. Однако повторяющиеся возвратно-поступательные движения сварочного робота существенно ограничивают эффективность сварки кузовов автомобилей из-за большого количества сварных швов и их большой длины. В отличие от этого, лазерная сварка с помощью отражателя позволяет достичь определенного диапазона параметров сварки путем простой регулировки угла отражателя. Поэтому технология лазерной сварки с помощью отражателя может значительно повысить эффективность сварки и имеет широкие перспективы применения.
Краткое содержание
С развитием автомобильной промышленности будущее технологии сварки кузовов будет продолжать развиваться как в плане самого процесса сварки, так и в плане интеллектуальных технологий.
Кузова автомобилей, особенно кузова электромобилей, развиваются в направлении снижения веса. Легкие сплавы, композитные материалы и гетерогенные материалы будут все шире использоваться в производстве кузовов, а традиционный процесс лазерной сварки с трудом справляется с требуемыми параметрами, поэтому высококачественная и эффективная сварка станет будущим трендом развития.
В последние годы такие новые процессы лазерной сварки, как лазерная сварка с качанием луча, многолучевая лазерная сварка, лазерная сварка в полете и т. д., находятся на стадии первоначальных теоретических исследований и изучения процесса повышения качества и эффективности сварки. В будущем необходимо провести углубленные исследования новых процессов лазерной сварки, а также сценариев сварки легких материалов для автомобильных кузовов, сварки гетерогенных материалов и других аспектов, включая проектирование траектории качания лазерного луча, механизм действия энергии многолучевого лазера, повышение эффективности сварки в полете и другие аспекты, чтобы разработать зрелый процесс сварки легких автомобильных кузовов.
Технология лазерной сварки кузовов автомобилей все шире интегрируется с интеллектуальными технологиями, и мониторинг состояния лазерной сварки в реальном времени и обратная связь по управлению параметрами процесса играют решающую роль в качестве сварки. Современные интеллектуальные технологии лазерной сварки в основном используются для планирования и отслеживания траектории сварки перед началом процесса, а также для контроля качества после сварки. Исследования в области обнаружения дефектов сварки и адаптивного регулирования параметров все еще находятся на начальной стадии, и технология адаптивного управления параметрами процесса лазерной сварки еще не применяется в автомобилестроении.
Таким образом, для применения технологии лазерной сварки в процессе сварки кузовов автомобилей в будущем необходимо разработать передовую многосенсорную интеллектуальную систему управления лазерной сваркой и высокоскоростную высокоточную систему управления сварочным роботом, чтобы обеспечить точность и оперативность каждого этапа интеллектуальной лазерной сварки посредством системы «планирование траектории перед сваркой – адаптивное управление параметрами сварки – онлайн-контроль качества после сварки», гарантируя высокое качество и эффективность обработки.
Компания Maven Laser Automation специализируется на лазерной промышленности уже 14 лет, в частности, на лазерной сварке. Мы предлагаем роботизированные сварочные аппараты с лазерной рукой, автоматические настольные лазерные сварочные аппараты, ручные лазерные сварочные аппараты, а также лазерные сварочные аппараты, лазерные станки для резки и лазерные маркировочные гравировальные станки. У нас большой опыт реализации проектов по лазерной сварке. Если вас заинтересовала наша продукция, вы всегда можете связаться с нами.
Дата публикации: 09.12.2022
