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在合理处进行激光加工

2018-08-22 00:00450
        在BMW宝马公司,焊接过程中越来越多的地方采用激光技术。
        
        现在一切都在朝着德国式的道路前进,很少有业内人士没有听说或读到过关于激光焊接,切割以及钎焊应用于白车身制造的过程当中的情况。有一种说法是关于最新的BMW 5系以激光技术作为其制造过程中的标准应用。使用“激光有色眼镜”的我们已经把之前的型号(旧5系)放在“放大镜”下,从而能够将它们两者进行对比。
        
        在新5系当中,激光焊接包括防火墙( firewall),后车箱盖,以及液压成形部件(采用了激光加工技术,同样被安装在宝马新3系敞篷的型号中)。给人的印象是:在车身制造中采用激光技术似乎并不能带来更好的效果,相反是一种过高的要求。
        
        从这一点上来看,几乎没有必要强调汽车制造业是工业激光技术应用和推广的最重要推动力。大多数的激光应用如齿轮焊接,已经使用了许多年,因而没有人再去谈论它们了。而一些如激光切割或激光软化内饰件(甚至是新宝马5系当中的织物)或激光焊接塑料汽车钥匙孔盖的应用显示出汽车行业有大量不同的应用可能。
        
        但是,通过在汽车装配线上采用激光,曾经有很长一段时间出现号称以激光作为车身领域的标准制造工艺的“顶级车”。
        
        对车身制造的新焊接技术最大的推动是对车身重量不断减轻的持续追求。实现更轻的重量越来越需要有基于不同材料的选择性混和设计方案。但是,使用新一代钢或铝合金的不同焊接概念需要一种将不同焊接技术相混和的装配理念。同新BMW5系相比,旧BMW 5系上其他补充技术的使用增加了大约60%。
        
        激光焊接铝和激光钎焊被加入到对钢的激光焊接工艺中。这意味着“更多的应用,”但是这和许多年前激光技术支持者们的预测相比仍然有较大距离。BMW公司的焊接及连接技术经理Hans Hornig有着激光技术的背景:毫无疑问,他是业内激光的精英。尽管如此,或者正出于这一原因,他在应该如何明智地使用激光这个问题时扮演了关键的“事后诸葛亮”角色。Hornig 说,“很久以来,我们都在通过选择激光技术实现产品或生产力的提升。但是,成本和质量的目标完全必须以这种工艺实现。”因而,他认为这一情况限制了激光在车身制造中的应用。
         欧洲的汽车制造商,如宝马BMW,在一些车型如645 Ci上广泛使用激光
焊接技术,这在世界范围都是领先的。
        让我们看看用于新宝马5系中的激光应用情况(还有5系旅行车,6系敞篷车),这使得激光成为了标准制造工艺。
        
        首先是防火墙,它是通过连接钣金而得到带有横梁(液压成形件)外壳。该项激光应用已经在前一代型号中得到应用,但却没有什么经验能拿来借鉴。原因是:整个前端是由72个铝制部件组成的,这需要完全重新考虑连接的方式。有两块地方的加工因为只能从一面进行焊接而只能使用激光。一处是防火墙(钣金的液压成形件)的连接,另一处是在液压横梁上焊接多个支架和环。此后,仪表板部件到仪表支架都被连接到横梁上。根据Hornig团队以往积累的激光加工经验,这种在大批量生产下用激光焊接铝件的想法需要许多的前期准备工作。
        
        让我们将整个流程放在“放大镜”下进行清楚地定义。铝合金的金相情况需要研究,附加的材料测试,和包括强度和质量的所有的过程特征需要研究。在研究和创新中心的机器人激光系统上进行了成型之后,将激光作为标准制造手段的结论依然成立。 
        
nextpage        有两条生产线,每一条带有一台灯泵4kW Nd:YAG激光器,每天在Dingolfing工厂的两个激光焊接室进行超过1000次的钣金和支架焊接。纯生产时间为42秒,加上循环时间窗口共72秒,此时系统可发挥最佳作用。值得一提的是,焊接过程使用了双焊点技术和焊料。Hornig 描述了这一过程的稳定性,“我更倾向于焊接铝而不是焊接镀层钢材料。如果所有限制因素得到有效处理,就能以出色的安全性生产出高质量的产品。”
        
        此外,加工铝部件还需要重新考虑物流的问题。防火墙钣金被通过悬挂式传送带单独输送往加工站,防止产生可能的变形,变形将使得装夹过程变得困难。在每个加工站,有两台机器人进行部件的摆放和移动,在加工站的每个激光室中,一台机器人操作着激光束焊接头的移动。
        
        此外,液压成形的横梁也有着使用激光工艺生产的历史——成形件的两段是通过激光切割完成的。使用两台2kWCO2 激光器进行切割是液压成形系统概念中的集成部分,这同样也是在Dingolfing工厂实现的。
         激光焊接BMW隔板
        在5系当中,其他激光焊缝主要出现在保证车辆安全的区域。主动式横摇稳定器(Active roll stabilizers)通过使底盘适应相应的驾驶状态而实现稳定,带来舒适和安全的驾驶体验。在这一应用中5kW CO2 激光系统所发出的激光束被用来焊接稳定器的部件。实际上这对于激光团队来说早已不再新鲜,因为激光很明显是该应用最有成本效益的方法。
        
        6系的生产和5系有着一些共同的激光应用,车顶同样都是激光焊接的。一台现有的系统(带有两台 CO2激光器和柔性导光镜),曾被用于连接宝马7系的车顶-侧面部分,有多余能力完成6系的生产量。据Hornig介绍:“我们使用激光焊接完全电镀的钣金部件,其实际的想法是相对快地完成加工并将产品从系统中取出。” 这里又是一个成本方面的例子:如果系统已经在那里了,成本效益的计算看上去就完全不同了。在本例当中,激光同点焊不相上下。
        
        对5系和6系的部件还有一种激光焊接。撞击挡板( impact plate),是车辆后部一块高安全性的部件,当车身受到撞击时能提供安全保护,并适当将作用力分散到车身中,该部件也可供拖车牵引时用。这些板延伸到横梁中并同车身相连。以前,这些撞击挡板的结构非常复杂,需要多达32步才能绘制完成,其价格也相当昂贵。而新的结构通过现代的拼焊方式完成:撞击挡板现在由外部和内部钣金以及内管——所有这些通过激光焊接而得到相互连接。在这一案例中,激光使得结构更简化,并保持同样好的性能,却带来了20%的零件成本节省。在Hornig 谈论如何明智使用激光的问题时,这是一个显著的例子。
        
        激光焊接在5系当中也是第一次被用于两部分组成的后盖同车身的外部连接,防腐蚀是这里采用激光的主要原因。实际上电镀后的钣金以及锌镀层如何在焊接过程中不发生问题是一大挑战。在激光焊接旧5系车型时锌镀层曾引起过问题,因为熔化的基材失去了防腐保护,从而需要进行后继的附加粘合措施。而采用钎焊则不存在这一问题,从外观上看焊缝无需任何返工。一个焊接头和集成的外部送丝系统,通过机器人和一台3kW Nd:YAG激光器完成激光焊接的加工。在最高每分钟3米的速度下,焊接以三维路径进行,机器人和焊接头需要具有高度的运动能力,这使其成为三维应用中的典范。
        
        即使每部车的激光焊缝长度停止显著增加,有一件事情仍然是清楚的:激光已经在车身制造中占据了永久的位置。你无法将它排除在门外——至少在BMW公司。
        
        Hornig说,“很久以来,我们抛弃了使用数米激光焊缝的想法。尽管如此,我不同意这一趋势在走下坡路的说法。越来越多的案例表明激光已经在一系列的连接工艺中获得了其永久的地位。目前的应用不多不少。我们一再看到,在某些领域当中激光是唯一或最具成本效益的方法。例如,能从一侧对连接部位进行焊接是一项优势,这是很难被取代的。总的来说,对于板材或管件——光是最好的选择。
        
        他总结说,“但是,我能消除你对‘ 尽管激光应用并没有越来越少,但要求却变得越来越高了’的疑虑。在2006年我将告诉大家目前正在新宝马3系中采用的所有激光应用。”
        
        本文经作者Franz Gruber的允许,修改自EuroLaser 杂志中的原文。
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