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創新激光工藝在輕（qīng）型結構中的應用

2015-10-16 來源：newmaker 作者：-

行業對輕量化設計和具有成本效益的（de）生產技術提出（chū）的要求越來越有挑戰性，包括更多基（jī）於設計（jì）以及降低批量大小的趨勢，由此市場需要更（gèng）易實現和（hé）更靈活的生（shēng）產工藝，而長距離激光焊（hàn）接技術就是一種可行的解決方案。在金屬複合概念的（de）推動下（xià），汽車結構的輕（qīng）量（liàng）化正變得（dé）越來越有趣，例如（rú）鋁-鋼結構，以及局部調整的強度分布（bù）。長距離控製激光工（gōng）藝（yì）可以用於直接連接鋁-鋼的T型接頭和局部激光淬火軌跡，從而顯著改善鋼型材的碰撞性能。

激光局部（bù）強化用於（yú）輕量化（huà）設（shè）計

由於必須根據最高負荷來設計壁厚，因此局部受力的零部件經常是大尺寸的。在低應力區，鋼板厚（hòu）度會超（chāo）出（chū）所需（xū）範圍（wéi），從而增加了不必要的零部件負重。此外，已經開（kāi）發出種類繁多的昂貴的高強度（dù）鋼，它們具（jù）有良好的成形性（xìng）能。但目前總（zǒng）是需要在零部件的質量和成本以及碰撞（zhuàng）安全性之間有所妥協，這是我們需要解決的問題。

為了根據局部負荷情（qíng）況來精確調（diào）整零部件的屬性，一（yī）種（zhǒng）基於靈活的遠（yuǎn）距（jù）離（lí）控製技術的激光強化創新（xīn）方法被開發出來。根據所處理的鋼的（de）淬火潛力，重熔軌跡或平（píng）板堆焊焊縫軌跡的高硬（yìng）度能讓拉伸強度超過1500MPa，大概兩倍（bèi）於未經處理的基材。特別重要的（de）是，需要測試抵禦撞擊部分的彎曲應力，例如前避震器和後避震器、B柱和各種加強型材（cái），這樣使設計能實現重量和負荷的優（yōu）化。

在數值（zhí）模擬的幫助（zhù）下，我們可以實現彎曲應力的撞擊（jī）優化（huà）軌跡設（shè）計，例如，正麵撞擊或側麵撞擊一（yī）棵樹。借助激光（guāng）遠（yuǎn）程技術，軌（guǐ）跡設計已經（jīng）可以在實際的零部件中實現了。相（xiàng）比參照物，可以使局部激光熔凝管（guǎn）狀（zhuàng）型材的撓度減半，盡管隻（zhī）對該零部件約3%的體積進行了局部硬化（圖1）。

圖1：通過激光局部（bù）強化技術可以改進零部件在彎曲負荷下的變形特性，同時，可以通過安排激（jī）光強化軌（guǐ）跡來定（dìng）位初始塑性（xìng）變形，從（cóng）而對失效行為產生影響。

長（zhǎng）距離激光焊接實現多材（cái）料設計（jì）

生（shēng）產具有良好力（lì）學性能的複合零部件需要借助全新的連接方法，特別是在激（jī）光應用方麵（miàn）。用選擇性（xìng）激（jī）光熔化實（shí）現（xiàn）的鋼鋁複合插槽（web-slot）連接是一種（zhǒng）解決方案。為了實現直接的連接工藝，特別是複合的T型接頭，必須將長（zhǎng）距離激光控製工藝與（yǔ）一種新（xīn）的一體化設計方法結合起來。可以通過選擇性熔化工藝來避免金屬間化合物的形成（chéng）。其中包括通（tōng）過高度控（kòng）製的長距離激光工藝來對低熔點材料進（jìn）行選擇性熔化。具體而（ér）言，鋁材這一（yī）邊的（de）接（jiē）頭（tóu）設計需要加以調整。為了達到這個目（mù）的，開發出了用於T型接頭的可以用激光實現的插槽結構設計（圖3）。

圖2：激光強化管：抗壓試驗表明（míng），目（mù）標的失效後果可以達到預期效果，從而顯著提高碰撞負荷下的設備性（xìng）能

圖3：激光連接插槽設計的實現過程及其示範產品

通過（guò）優化長（zhǎng）距離激光工藝，可以實現不同形狀的接頭。基本上，能通過調整掃描寬度、掃描速度和激光功率來（lái）確保隻熔化鋁材這一麵（圖4a）。此外（wài），單邊激（jī）光工藝的優化還（hái）允許雙麵鋁材裝（zhuāng）配的塑形（xíng）（圖4b）。金相分析表明在鋼和鋁之（zhī）間的邊界地區會形成（chéng）較小的不會帶來影響的金屬間化合物相。在與強度相（xiàng）關的交（jiāo）叉部分（“激光鉚釘頭”）中，沒有檢測到鐵（tiě）的內容（róng）物。

圖4：長（zhǎng）距離（lí）激光焊（hàn）接（jiē）複（fù）合插槽角接頭的幾何形狀

對於像踏腳板、底盤縱梁和（hé）保險杠這樣的零部件，最先進（jìn）的（de）技術是電阻點焊，通常焊（hàn）接的搭接（jiē）法蘭（lán）寬（kuān）度為20mm。為了滿足結構車身（shēn）部件的常規尺寸，確定了碰撞結構的鋼-鋼點焊尺寸為80×80×900mm，搭接法蘭寬度為20mm。由於這些新的激光技術，我們可以消（xiāo）除搭接法蘭，並且零部件重（chóng）量可以減少大約20%。為了能額外減少重量，低應力負荷的鋼蓋板被鋁板取代，從而使得重量進一步減少了10%（圖5）。

圖5：激光焊接型材結構（gòu）的輕量化設計方法

車輛碰撞試驗的結果表明（míng），相比傳統（tǒng）的點焊設計，消除複合零部件的焊接法蘭所導致的抗彎剛度減少（shǎo），可以通過具有較高結構剛度的接頭來獲得補償。這是用線性焊接（插槽連接）代（dài）替點狀連接（點焊）所引起的結果。此外，三點碰撞試驗表明，可以通過對（duì）複合結構進行（háng）額外的局部（bù）激光強化來減少撓度（圖（tú）6）。

圖6：三點（diǎn）彎曲碰撞試驗（yàn）的變形結果：電阻點（diǎn）焊vs插槽和局部激光強化複合設計

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