激光先进制造在汽车和航空航天领域的应用
随着全球汽车市场需求的扩大,在汽车智能化进程加速推进的同时,以激光技术为代表的先进制造技术也在不断推动汽车制造业的更新换代,激光先进制造技术与汽车生产的结合已是大势所趋。
激光技术在汽车行业的应用十分广泛,比如利用激光进行汽车板材、传动齿轮等各种零部件的切割、焊接等;利用激光进行表面处理,比如表面硬化、表面合金化等工艺过程;还可以利用激光技术对精密零部件的长度、密度、尺寸的精确检测。
同时,激光制造技术在飞机和发动机等的国防和航空航天领域应用前景远大。针对现状,我国一直在继续发挥激光制造技术的优势,改变我国航空航天领域关键器件和技术主要依赖进口的现状,最终形成我国新一代激光制造产业链。
在“2019激光先进制造技术行业应用研讨会”上,来自华中科技大学、中科院上海光机所、广东工业大学、首都航天机械等的科研与技术专家就当下激光先进制造在汽车与航空航天行业的应用进行了深入的研讨。
1 激光加工技术等在汽车领域中的工程应用
武汉光电国家研究中心曾晓雁教授在“激光加工技术在汽车制造中的应用”报告中,重点介绍了激光焊接、激光表面工程处理、激光清洗技术中取得的研究成果:
1) 和中冶南方合作开发了国内首条不锈钢激光焊接/激光-电弧复合焊接酸轧联机生产线;
2) 为中航集团南方动力公司建立的激光熔覆生产线,使得直升机发动机寿命从原来的不足500小时提高到3000小时,达到大修期水平,超过美国军标水平,已经成功定型;
3) 2004年起,联合武汉铁路局,在实验室采用激光表面处理技术强化钢轨,使其服役寿命提高3-10倍,取得了显著的经济效益和社会效益;
4) 开发出激光选区熔化成形装备系列,技术成果转移到上海电气股份有限公司,合资成立专业3d打印装备公司,生产出系列有市场竞争力的slm成套装备。
2激光加工技术在冲压车间和电动汽车上的应用
激光加工技术在冲压车间、车身部件、动力传动系统和电动汽车上的应用优势。
1) 热冲压处理的高强钢抗拉强度达到1500 mpa,使硼化钢能够在不增加车身重量的情况下保证车辆安全,利用激光切割材料,使磨具无磨损、无变形、无微裂;
2) 在车身部件的焊接时,采用激光飞行焊,扫描速度可达700 m/min,焦距达到0.5-1.5 m,精度≤0.2 mm,可高速点焊、缝焊、叠焊、对接焊、角焊和搭接焊;
3) 激光技术在动力传动系统中具有提高扭矩负载,节约材料,减轻重量,部件尺寸更小化等优点,可用作激光焊接、激光清洁、激光打标等;
4) 在电动汽车中,激光加工技术可以用于电池壳激光焊接、单电池激光焊接,使得加工过程无污染、减少空间占用等。
3激光冲击波力学效应及其工程应用
广东工业大学张永康教授以“激光冲击波力学效应及其工程应用”为题,介绍了强激光与材料相互作用诱导的强冲击波力学特性,以及以此力学效应为基础形成的激光冲击强化、激光冲击锻造、激光冲击成形等的工程应用。
2016年,广东工业大学张教授课题组提出激光锻造,开发激光锻造3d装备,研制出精密化、智能化、全固态大能量固体激光器,具有脉冲宽度编程可调,精度±0.5 ns ,范围12-24 ns;激光参数全程监测与自动调整。脉冲能量输出大于10 j、重复频率20 hz、寿命15年等特性,实现了激光每一个脉冲诱导的“热效应”和“力效应”的精确管理,以及残余应力分布和变形量的精确控制,满足航空发动机叶片不同区域需要不同应力层深度的差异化强化、高性能大型金属复杂结构增材制造的需求。
4远程激光焊接技术在汽车上的应用及挑战
激光技术在汽车中有很多应用领域,并且出现了无铆连接、自冲铆接、流钻螺接、摩擦塞铆焊、铝合金电阻点焊等车身连接新方法,远程激光焊接技术应运而生。
中国科学院上海光学精密机械研究所杨上陆研究员在“远程激光焊接技术在汽车上的最新应用及挑战”报告中,介绍了由他领衔研发的多种远程激光焊接技术。例如镀锌板零间隙远程激光焊技术,可提高生产效率3-5倍,减少占地面积约50%,降低二氧化碳排放量40%-50%,2016年获得百大科技研发奖;铝合金搭接远程激光焊接技术入围2017年百大科技研发奖,在上海先进激光技术创新中心,他们又提出了国内首创的基于“牛顿环”电极的铝合金电阻点焊,打破国外垄断,相比国外技术,该创新技术可节能20%,电极寿命增加1倍以上,力学性能提高15%以上。
5电弧熔丝增材制造在航空航天中的应用
首都航天机械有限公司王福德研究员作了“电弧熔丝增材制造航空航天大型结构件技术”的主题演讲。主要介绍了电弧增材制造技术的起源和发展历程、电弧增材制造钛合金组织和性能、电弧增材制造其他金属材料的实例,同时,他指出电弧增材制造技术在航空航天领域的工程化应用中还有许多问题需要解决,例如增材制造过程中的多种复杂物理现象相互交织影响和多过程变量使得过程控制非常困难、不同的零件需要不同的工艺参数、工艺不成熟、缺乏相应的标准等。
6激光加工技术在车身试制领域的应用
湖北瑞兴达特种装备科技股份有限公司智能装备部经理刘拉作了“激光加工技术在车身试制领域的应用范围及现状”的主题演讲。主要介绍了平面激光切割、三维激光切割、机器人激光焊接、激光焊接专机自适应焊接、激光跟踪仪用于全车身检测等应用中的技术分析。
他指出,信息化管理系统与车间设备连通和三维数模软件直接导图加工是激光加工技术在车身试制领域的技术难点与痛点。并提出了自适应焊接工艺及控制系统,希望能够实现动态焊缝追踪,通过将更多的工艺变量(比如焊接电源、送丝速度,焊枪位置和焊枪运动)整合到设备控制系统,并与实际接头测量结果组合起来,产生高质量焊缝,同时允许接头轮廓和其它工艺参数具有更大的变化范围,及他们在工厂里的实际应用情况。
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在“2019激光先进制造技术行业应用研讨会”上,来自华中科技大学、中科院上海光机所、广东工业大学、首都航天机械等的科研与技术专家就当下激光先进制造在汽车与航空航天行业的应用进行了深入的研讨。
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2) 在车身部件的焊接时,采用激光飞行焊,扫描速度可达700 m/min,焦距达到0.5-1.5 m,精度≤0.2 mm,可高速点焊、缝焊、叠焊、对接焊、角焊和搭接焊;
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