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激光助力汽车轻量化制造

时间:2017-04-10 13:20  阅读:2233

    50年前,汽车都是用钢材制造的。那时汽车内部只有一点木头、皮革、橡胶和玻璃以及电器系统,这些都只占它总重量的很小一部分。如今,钢材仅仅只占大部分汽车总重量的一半多一点,剩下的材料中混合着铝合金、塑料和纤维增强复合材料,例如CFRP (碳纤维增强复合塑料)。即使钢材在很久以前就已经变得更加通用,然而人们仍在寻找将更多的特殊合金应用与汽车轻量化的方法。

因此,汽车制造、飞机制造和其他行业都正在询问这样的问题:怎样才能将这些不同的材料连接到一起,或者将它们分开?其次,如何将这些工艺融入到一个现代的精益化工厂中?其实,公司可以选择最简单、最特殊、最精确、最灵活的的加工方式。而这些加工工艺中多数使用激光技术。

切割

1 铝材料的分割

相较于钢材料,铝材料的优良热传导性和反射性在切割过程中需要更慢的速度和更高的能量输入。因此,许多年来,使用激光来切割铝材通常不是一个有利可图的方案。然而,现代固体激光器的波长与光束质量,已经使激光在高生产率的工业切割任务中成为可能,例如铸件修边。

 

图注:使用狭窄的光束和精细的焦点,精准地定位和熔化,这就是将大部分能量注入到生产中的方法。

2 塑料的加工

使用各种激光光源来加工塑料已经成为了基础的工业应用。激光不单单能切割零件,也可以通过在工件上刻痕、打孔以创造断点、气腔和透明效果等特征。超短脉冲激光甚至能在例如聚酰亚胺薄膜这样的超薄高性能的塑料材料上进行切割和穿孔。

 

高速切割和低能量输入促进高效的振镜控制飞行切割。

3 碳纤维增强复合材料CFRP的切割

光在纤维和在基底材料中的耦合表现是不同的,这种长久以来的思想阻碍了激光切割纤维增强复合材料的发展。这似乎抵消了相对机械方法的优势,即使后者也抵触纤维材料。但是与此同时,热影响区能够被精确控制或者通过冷加工减少至几微米。

在汉诺威激光中心,研发了为使用远程激光切割碳纤维增强复合材料,提供实时温度控制的理论。

连接

相同材料:

4 铝材料的接合

在过去加工铝材时,基于激光的方法也不得不需要依靠填充材料。而目前有两种方法来避免在加工过程中使用第三种部件,其中一种方法是将填充材料作为镀层的复合材料。另外一种是通过使用一道振荡的光束来控制熔池从而影响其冷却方式。

无填丝远程焊接:由两种合金板轧制而成的复合铝板。

塑料的激光穿透焊接

在这里,激光越来越注重粘接的准备工作。除此之外,激光穿透焊接正越来越普遍的应用于电子元件的外壳制造中。在这个过程中,激光束穿过由对于激光波长透明的塑料制成的上层部分,然后将下层材料熔化。这种连接方式使热应力最小,并且表面不受影响。

激光穿透:即使上层部分必须相对于激光透明,但它可以是肉眼可见的。

6 纤维增强复合材料CFRP的粘接

连接纤维增强复合材料的两种初级技术是连接和压膜。在粘接时,高性能的紫外纳秒激光正越来越多地被用于仔细清洁连接表面并进行预结构化。当进行压膜时,激光创造出粘接的效果。在连接前,先用激光熔化塑料,形成一层热塑性薄膜作为粘结剂。

碳纤维复合材料的叠加粘接。在这里激光为焊接做准备并执行粘合加工。

不同材料:

7 铝材和钢材的搭接

铝材和钢材不能使用常规方法进行焊接。然而,用激光技术能够实现固态搭接。激光在光束的焦点熔化钢材,然后熔化物加热在它下面的铝材。当它固化时,钢材与铝材之间形成一层类似于钎焊效果的连接。

 

弗劳恩霍夫协会制造技术研究所,开发出另一种使用两种交错的激光连接铝和钢的理论。

8 塑料和金属的粘合