淺析激光技術在汽車輕量化中的應用和展望

鹿范捷

摘 要：汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車重量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%；汽車整車質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3至0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。面對低碳時代的到來和節能減排的巨大壓力，汽車輕量化是實現節能減排目標最現實、最有效的途徑之一，也是世界汽車發展的潮流。

關鍵詞：激光技術；汽車輕量化

汽車輕量化主要使用高強輕質的新型材料以及采用先進的現代制造技術。而激光技術就是一種目前應用很普遍的現代制造技術，遍及了科技、經濟、軍事和社會的許多領域。汽車工業是激光技術重要的應用領域，占激光加工15%的份額。本文主要就實現汽車輕量化的先進現代制造技術，即激光技術的應用進行了總結探索并提出了展望。目前，應用于汽車輕量化中的激光技術主要涉及汽車車身激光焊接、汽車變速器齒輪激光焊接以及應用于汽車的激光三維切割技術等。

1 激光焊接技術在汽車車身中的應用

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。與傳統的點焊工藝不同，激光焊接可以達到兩塊鋼板之間的分子結合；另一方面，可以大大減少搭接寬度和一些加強部件，以壓縮車身結構件本身的體積，從而減少車身重量，達到汽車輕量化的目標。

應用于實現汽車車身輕量化的激光技術主要是激光拼焊，即根據車身不同的設計和性能要求，將不同厚度、不同材質、不同或相同性能的板材通過激光裁剪和拼焊技術連接成一整體，再經沖壓成形為車身某一部件。由于汽車車身在某一連接部位對強度和剛度的要求可能不盡相同；如車身下半部分和上半部分對于車上人員安全以及汽車本身主動和被動安全性的作用不同，為了實現汽車輕量化，這時可能就需要將不同厚度、材質、強度的材料連接起來。因此，采用激光拼焊技術，可以減少汽車上零件和模具數量、優化材料用量、減輕構件重量、節省工序和裝配工作量、降低成本和提高車身尺寸精度。以實現汽車的輕量化目標，目前這一技術已經被許多大型汽車制造商和配件供應商采用。

此外，汽車車身總成與分總成的激光焊接在汽車輕量化目標實現中也得到了廣泛的應用。應用于車身總成與分總成的激光熔焊技術，能大幅度提高汽車的剛度、強度和密封性以及降低車身重量。它推動了汽車在不降低剛度和強度的前提下，向輕量化設計方向發展。激光焊接在汽車工業中，特別是中高檔車的生產中已成為標準工藝。這為實現汽車輕量化目標又提供了一項新的技術支持及保障。目前，國內外大型汽車制造商都已大量引入激光焊接技術。如一汽大眾邁騰車身激光焊縫總長度達42m，激光焊接使車身的前撞、后撞、側撞都能做到吸收能量。

2 激光焊接技術在汽車變速器齒輪中的應用

我國目前微型汽車變速器的結合齒圈和齒輪的聯結幾乎都采用整體精鍛結合齒、花鍵聯結或光孔過盈聯接。但是由于花鍵結構存在加工工序復雜、生產周期長以及光孔過盈聯結加工要求高、易產生過盈松動的缺點，傳統的加工和連接方法制約了汽車輕量化的發展進程，也已經不能滿足對汽車安全、經濟等各方面日益增長的要求。因此，必須對工藝技術進行改進。激光焊接的提出就是解決這一問題的關鍵所在；汽車零部件焊接采用激光焊代替傳統焊接，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理。目前激光焊接廣泛用到變速器齒輪、氣門挺桿、車門鉸鏈、傳動軸、轉向軸、發動機排氣管、離合器、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造中，成為汽車零部件制造的標準工藝。

齒輪是傳動機械不可缺少的零部件之一，為了減少重量和體積，降低加工難度，節省原材料，發達國家已將整體加工的齒輪組或齒輪軸改為了分體加工，由焊接組成整體。但是要求焊接后變形小，不破壞原材料性能，焊接強度高，因此用常規焊接工藝難以達到上述要求，而采用激光焊接則可解決這一難題。1985 年，美國克萊斯勒公司將激光焊接用于一種新型四速

變速箱齒輪的焊接，這是首次應用激光焊接汽車齒輪，也是激光焊接第一次用于汽車工業。近年來，越來越多的汽車制造商將激光焊接技術用于汽車變速器齒輪加工上，以改善傳統齒輪存在的連接可靠性不足、加工復雜、傳動系統過于笨重導致傳動效率不佳的缺點。在對汽車輕量化要求越來越嚴格的今天，激光焊接技術對其的重要性當然也越來越受到重視。

3 三維激光切割技術在汽車上的應用

三維激光切割是利用工業機器人靈活和快速的動作性能，機器人裝載的光纖激光切割頭對不規則工件進行三維切割。光纖激光切割頭上配備隨動裝置和光路傳輸裝置，利用光纖將激光傳輸到切割頭上，再利用聚焦系統進行聚焦，針對不同厚度的板材開發出多套聚焦系統對多種三維金屬板材進行多方位的切割。由于汽車的許多零部件的形成并非是一次成型，零部件相互連接接口處形貌及尺寸也并非是規則的。因此，利用傳統的加工方法無法到達或者需要多部工序才能加工出所需要的零部件結構。而三維激光切割技術可以在立體的加工對象上，進行各種工藝所需的加工，可以在任意一個面上進行工作，無需人工調整角度。

近年來，三維激光切割技術飛速發展，在工業中的應用越來越廣泛，尤其在汽車、模具和航空制造業的應用最為突出。在汽車工業中，三維激光切割技術用于切割車身覆蓋件，可以取代傳統制造工藝的修邊模和沖孔模，其工藝步驟簡單、制造周期短、切割速度快、切縫寬度小、加工質量高，還可以大幅度降低成本，縮短新車型的研發周期，具有良好的經濟價值和應用前景。

目前在許多國外汽車制造公司中，激光切割技術的應用也非常普遍，主要用來開發新車型以及變形車生產中；例如切割樣車零件、車身覆蓋件的切孔、修邊；切割方向盤孔、車身擋風板、車頂蓋支架孔、安全氣囊部件、液壓成型部件、底盤件的元寶梁、控制臂、后橋等。世界輕質鋼制車身協會（ULSAB）的最新研究結果表明：當今最新的鋼制車身結構中，50%采用了激光切割和拼焊技術。

4 結論和展望

激光技術在實現汽車輕量化目標的應用中可以說是非常廣泛，已經滲透到汽車大部分零部件制造中。其中有50%至70%的汽車零部件是用激光加工來完成的，又主要以激光焊接和激光切割為主，激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝。

參考文獻

[1]付璐，付黎明.概念車設計中創造性思維方法的研究[J].包裝工程， 2007，（08） .