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汽車制造中的鐳射加工應(yīng)用近況
汽車工業(yè)是鐳射材料加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一，在疫情造成破壞之前，麥肯錫未來(lái)移動(dòng)中心便已經(jīng)提示汽車行業(yè)是“歐洲經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)引擎”，2019 年約占有歐盟 GDP 的 7%[1]。??
汽車生產(chǎn)尚未恢復(fù)到疫情前的水平，—部分原因是持續(xù)的供應(yīng)鏈限制。然而，歐洲汽車行業(yè)的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。例如，2022年前9個(gè)月，歐盟生產(chǎn)了近800萬(wàn)輛乘用車。
與2021年同期相比，單位數(shù)量增長(zhǎng)了5.8%[2]。?
長(zhǎng)期以來(lái)，鐳射在優(yōu)化汽車制造方面發(fā)揮著重要作用，從而促進(jìn)了該行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于大多數(shù)車輛來(lái)說(shuō)，幾乎每個(gè)區(qū)域，無(wú)論是內(nèi)部還是外部，都會(huì)包含經(jīng)過鐳射加工的零件。這是由于它們具有出色的多功能性和可重復(fù)性，一臺(tái)鐳射設(shè)備能夠以極高的精度和速度加工各種汽車部件。它們是自動(dòng)化程度極高、經(jīng)濟(jì)高效且維護(hù)成本低的工具，可部署在高輸送量汽車生產(chǎn)線上，適用于需要切割、焊接、釬焊、打標(biāo)、表面處理、鉆孔、3D 打印和熔覆等應(yīng)用。鐳射可用于加工由金屬、塑膠、玻璃、橡膠和紡織品等材料制成的各種復(fù)雜的 2D/3D 汽車零件。
應(yīng)用鐳射的汽車生產(chǎn)的主要階段之一，特別是用于切割、焊接和釬焊，被稱為白車身 （BIW） 制造。在這個(gè)階段，構(gòu)成道路車輛基本結(jié)構(gòu)的鋼架部件被切割并連接在一起。
車身、車門和車架部件通常由各種等級(jí)的熱成形鋼制成，例如不銹鋼、低碳鋼、高強(qiáng)度鋼、高碳/低碳鋼或鍍鋅鋼。鋁也可用于某些部件，由于其重量較輕，有助于提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。大多數(shù)鋼制車身面板的厚度約為0.6-0.8毫米，而鋁制車身面板的厚度一般為0.8-1.8毫米。
鐳射焊接在白車身制造中已經(jīng)使用了幾十年，Volvo于1991年成為第一家將其引入車身車間主線的歐洲汽車制造商。大約在同一時(shí)間，BMW也采用了該技術(shù)，將其用于其子裝配線上的車頂部件。
鐳射用于白車身制造中的切割、焊接、釬焊和穿孔應(yīng)用，圖示為道路用車輛的車架組裝（圖片：Gorodenkoff/Shutterstock）。
白車身部件也可以使用雷射進(jìn)行釬焊，不同之處在于焊接涉及熔化兩個(gè)連接伙伴的基材，因?yàn)樗鼈児潭ㄔ谝黄?，而釬焊涉及填充金屬在連接伙伴之間流動(dòng)以形成粘合。鐳射釬焊通常用于車輛車門和車頂線的接縫，形成無(wú)縫、高強(qiáng)度的粘合，可以很容易地涂漆。
白車身制造中的大多數(shù)雷射焊接/釬焊任務(wù)都可以由光纖激光器完成，光纖激光器因其低運(yùn)營(yíng)成本而受到青睞。它們可用于在相似和不同材料之間形成高質(zhì)量的焊接，例如在將鋼焊接到鋁時(shí)，同時(shí)避免冷裂紋、氣孔和飛濺。此外，光纖激光器可以很容易地集成到汽車生產(chǎn)線的機(jī)器人中，因?yàn)樗鼈兊墓馐梢酝ㄟ^柔性光纖沿著機(jī)械臂向下傳輸?shù)郊庸ゎ^。
長(zhǎng)期以來(lái)，鐳射切割、修整和穿孔也一直是白車身制造的一部分，Austin Rover 安裝了五軸系統(tǒng)，用于將預(yù)生產(chǎn)的車身面板修剪一直到 1983年. 此外，柱子、框架、天線孔、襯套和用于固定外部零件的孔都是可以用鐳射切割或穿孔的實(shí)例零件。光纖激光器通常也是此類應(yīng)用的首選工具。
鐳射同樣用于生產(chǎn)汽車制造中的各種子元件和內(nèi)飾部件。例如，鐳射焊接可用于生產(chǎn)金屬部件，如齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、制動(dòng)卡鉗、輪胎輪輞、座椅框架、交流發(fā)電機(jī)、噴油器、濾清器、搭扣、排氣管、消聲器、波登壓力管、安全氣囊啟動(dòng)器、電機(jī)線圈繞組和各種附加發(fā)動(dòng)機(jī)零件。同樣，這些通常都使用光纖激光器進(jìn)行焊接。雖然這些零件中的大多數(shù)由某種形式的鋼或鋁制成，但在運(yùn)動(dòng)和豪華車市場(chǎng)中，鈦有時(shí)因其密度低、強(qiáng)度高和耐腐蝕/耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。光纖激光器還可用于加工由碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮 （CFR-PEEK） 制成的零件，CFRPEEK通常用于制造制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和氣候管理系統(tǒng)、離合器、傳感器和行走裝置。
如圖所示，CO2?激光器在汽車制造中有許多應(yīng)用。圖片來(lái)源：Luxinar.
在汽車內(nèi)飾織物的切割中，光纖激光器被更傳統(tǒng)的CO2激光器所超越。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)（約10μm）的CO2激光器可以更好地被紡織品、塑膠、皮革和丙烯酸樹脂等非金屬材料吸收。例如，它們用于修剪織物覆蓋的儀表板和內(nèi)飾柱上的多余材料。其他基于紡織品的鐳射應(yīng)用包括切割用于安全帶的織帶和安全氣囊的織物，以及用于座椅和裝飾的真皮和合成皮革的切割和紋理化，以及地毯和墊子的切割。就安全氣囊而言，它們的材料通常涂有硅膠，以幫助其在充氣時(shí)保持空氣，并且這種材料可以在縫合在一起之前進(jìn)行雷射切割。由于鐳射切割是一種非接觸式工藝，因此只需對(duì)織物進(jìn)行最少的處理，這減少了涂層損壞造成安全氣囊性能產(chǎn)生不良的可能性。
CO2激光器還可用于汽車制造中切割和修整塑膠部件，例如內(nèi)部和儀表板、支柱、保險(xiǎn)杠、車牌、裝飾件和電子/燈外殼這些塑膠制成的部件，包括 ABS、丙烯酸、HDPE、聚碳酸酯和聚丙烯。例如，聚碳酸酯燈配件和塑膠前照燈透鏡可以用CO2雷射進(jìn)行修整，以去除注塑成型后的任何廢塑料。
此外，在輪胎上打標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣碼以實(shí)現(xiàn)可追溯性也是CO2激光器的一個(gè)相對(duì)較新的應(yīng)用。雷射也開始用于輪胎原型制作，將胎面和胎側(cè)輪廓加工成輪胎。這可以取代使用熱刀手動(dòng)雕刻輪胎的需要，這是一個(gè)既耗時(shí)又成本密集型的過程，并且存在技術(shù)限制。
電動(dòng)汽車用電池和電機(jī)生產(chǎn)
近年來(lái)，汽車制造業(yè)的一個(gè)更重要的發(fā)展是向電動(dòng)汽車 （EV） 的持續(xù)轉(zhuǎn)變。
根據(jù)電動(dòng)汽車銷量，2022年共交付了1050萬(wàn)輛新電池電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，與2021年相比大幅增長(zhǎng)了55%[3]。Statista甚至預(yù)測(cè)，到2030年，全球所有新車銷量的26%將是電動(dòng)汽車[4]。這種飆升的需求導(dǎo)致汽車行業(yè)尋求高通量工藝和技術(shù)，以提高電動(dòng)汽車電池和電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量。
雷射行業(yè)已經(jīng)極大地回應(yīng)了這一行動(dòng)號(hào)召，在過去十年中，專門針對(duì)這一應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了許多來(lái)源和系統(tǒng)。
僅在電動(dòng)汽車電池制造中，雷射就有 30 多種應(yīng)用[5]。例如，雷射可用于焊接電池的箔和母線、密封電池盒、將極耳焊接到電池外殼以及焊接電動(dòng)機(jī)中的發(fā)夾。它們還可用于切割電池的銅陽(yáng)極和鋁陰極箔。
?鐳射現(xiàn)在被廣泛用于焊接電機(jī)生產(chǎn)中的發(fā)夾（圖片來(lái)源：Scansonic）
因此，對(duì)于像Trumpf這樣的公司來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車已成為其利潤(rùn)豐厚的目標(biāo)市場(chǎng)，目前約占該公司雷射部門收入的40%。這表明電動(dòng)汽車作為雷射公司的機(jī)會(huì)的重要性。
電動(dòng)汽車市場(chǎng)特別出現(xiàn)了新的雷射解決方案，包括藍(lán)色（450nm）和綠色（515nm）激光器，它們擅長(zhǎng)加工電池和電動(dòng)機(jī)中使用的許多銅元件。這是因?yàn)樗鼈兊目梢姽獠ㄩL(zhǎng)被銅吸收得特別好（藍(lán)色吸收率為65%，綠色吸收率為40%），而紅外光纖激光器（1,070nm）的吸收率為5%。因此，可見激光器能夠避免使用更高的光纖雷射功率來(lái)克服材料反射率所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，更高的紅外光纖雷射功率可能導(dǎo)致焊接缺陷，例如空隙和飛濺，從而增加電阻率。雖然光纖激光器可以配備可變光束模式或擺動(dòng)焊接頭等技術(shù)來(lái)幫助減輕這些缺陷，但可見激光器可以在不需要采用此類措施的情況下以較低的功率實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的銅焊縫。
近年來(lái)，藍(lán)色激光器已成為焊接電動(dòng)汽車中使用的許多銅部件的解決方案（圖片來(lái)源：Nuburu）
藍(lán)色激光器也是焊接不同金屬組合的理想選擇，例如銅和不銹鋼或銅和鋁。過去，銅和不銹鋼等組合被證明很難用光纖激光器進(jìn)行焊接，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生金屬間相，從而降低焊接接頭的完整性。然而，使用藍(lán)色激光器可以在高度均勻的焊縫中最大限度地減少或消除這些金屬間相的產(chǎn)生。這并不是說(shuō)一般光纖激光器不能用于焊接這種材料組合。與銅焊接類似，使用可變光束模式技術(shù)可以在一定程度上緩解異種材料焊接的挑戰(zhàn)。
汽車和雷射行業(yè)繼續(xù)共同發(fā)展，各自繼續(xù)尋找雷射加工的新應(yīng)用。例如，目前在氫燃料電池生產(chǎn)中，雷射被用于雙極板的焊接，氫燃料電池將為未來(lái)的重型車輛提供動(dòng)力，克服電池技術(shù)無(wú)法提供所需的行駛里程。增材制造和包層也越來(lái)越多地被探索，例如優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并減輕結(jié)構(gòu)部件的重量，或涂覆制動(dòng)盤以提高其耐用性。
