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二極管激光技術在車身焊接的應用

分類:功率二極管專題 發布:2017年06月19日 22:37 瀏覽:683次 Tag:
         有時候,降低成本的同時也可以提高外觀,生產出高品質的汽車。應用實例:將激光釬焊用于車頂與汽車側面板連接的焊接中。與激光焊接和點焊相比,激光釬焊可以大大提高焊縫的外觀效果,甚至于車頂飾條都可以省去。消費者也因此獲得了更多的好處——車輛更加輕、車內更安靜、整個車身更堅固且更安全,也避免了很容易出現突出來的塑料部件的煩惱,省去了昂貴且不必要的維修費用。因為沒有車頂飾條,焊接表面非常地連續平滑,車頂的線條也變得更加干凈清爽,容易積累灰塵和贓物的縫隙也沒了。

福彩3d字谜 www.ixlzt.com   在過去十年里,激光技術被大量地用于白車身的生產中。沃爾沃和寶馬都是采用激光焊接技術較早的汽車制造商,大眾公司起步稍晚但是迅速走到了前面,在其位于德國沃爾夫斯堡及全球各地的工廠內安裝了大量的燈泵浦脈沖Nd:YAG激光設備。最早的激光焊接接頭都是隱藏起來的或被遮住的,主要是為了降低焊接翼緣的尺寸和車身的重量,通過液壓成型支柱的使用來提高結構的剛性。今天這些結構性焊接方式依然在使用中。不過,只有在鍍鋅鋼板的激光釬焊以及將鋁材料與A級表面面板的填充鋼絲焊接時,激光焊接的優勢才可以得到最佳的體現。對這些表面來說,最重要的是熱變形要盡可能地小,焊縫的剛性要足夠強,這樣在幾乎不需要任何后處理的情況就可以進行涂裝工作,所有這些讓激光焊接成為白車身連接中一種獨一無二的工藝。鍍鋅鋼板的A級表面激光釬焊最早于1997年應用在奧迪TT車型上。將C柱焊接到后側圍板上可以將同樣的部件用于敞篷車及雙門轎跑車以及大眾寶來行李箱蓋上——該行李箱蓋是兩個部件沖壓后連接在一起的。

  設備的考慮

  無故障時間是汽車生產工廠內任何設備首要考慮的因素。一般對設備無故障運行時間的要求是至少要達到99.5%,最多不超過30分鐘要讓設備再重新運轉起來。雖然遠遠比不上電信通訊設備的可靠性,但是對工業激光系統來說這樣的要求也是非常具有挑戰性的了,而且通常是項目開展初期最大的問題。通常這個問題需要采取兩手準備的方式——采用可靠的激光設備,同時輔以可行的備用方案。

  許多工廠都采用所謂的“激光農場”的方式,一條產線上所有的激光器都設置在生產區域的中央位置,工作環境得到有效的控制——這個位置通常在夾層樓面上。廠區內所有用到激光器的位置分布在工廠的各個角落,需要很長的光纖進行傳輸,還需要高級控制方式,通過工廠網絡提供光束傳輸解決方案。在燈泵浦脈沖Nd:YAG激光器是唯一一種工業激光解決方案的時期,這是最佳的生產布局方式。這些系統非常龐大且效率低下,需要經常進行定期或不定期維修。

  工業領域應用中最新的激光技術,如光纖耦合二極管激光器、光纖激光器或者是蝶式激光器等都是以二極管技術為基礎的激光器,固有的可靠性更高。在一些新的激光應用項目中,二極管激光器通常安裝在激光加工單元附近。備用方案通常依賴額外的光纖和光束開關,可以與最高8條光纖進行分時,雖然降低了生產周期,但是可以服務于多個生產單元,或在整個系統出現故障的情況下服務于車身的兩個面的生產需求。因為采用了滾動腳輪,在其他激光器被維修的情況下還可以很快地將備用激光器快速地移動激光加工單元,免除了一定要在生產區域維修的不便和麻煩。

  將多功率激光器安裝在腳輪上意味著汽車行業另外一個需求也得到了解決。現在的激光器設計得比普通家用電冰箱還小,這主要得益于墻面插座效率的提高。蝶式和光纖激光器的插座效率可以分別達到25%和30%,而用于釬焊的光纖耦合二極管激光器的插座效率可以達到40%以上。這樣激光器本身自帶的輔助部件如電源和冷卻系統的尺寸就可以得到大幅的減少,整個激光器的尺寸也就得到了減少。此外,與燈泵浦系統相比,外部冷卻要求也得到了大幅的降低,冷水機可以放在激光發生器的內部或旁邊。

  釬焊速度的提高

  二極管激光器首次應用于工業領域是作為一種釬焊工具,用于奧迪A3轎車后擋板的焊接上。最初采用的加工速度為2.4 m/min。為了提高產量,大眾設立了這樣一個目標——在不犧牲焊接質量的情況下提高釬焊的速度。在大眾位于沃爾夫斯堡的途安生產線上,研究人員對Nd:YAG激光器和光纖耦合而激光激光器進行了對比。已有的YAG激光器采用散焦光束,而新添加的二極管激光器采用聚焦光束的方式,焦點直徑設置為3.2mm。

  在使用了二極管激光器后,釬焊的速度和接頭質量都得到了提升。若采用top-hat光束聚焦方式,功率密度可以更加均勻地分布到焊接部件的邊界區域。在使用6kW二極管激光器情況下,邊緣切口可以減少75%,最高焊接速度可以增加到4.4 m/min。大眾最后決定將所有的YAG激光器替換成二極管激光器,用于途安轎車的釬焊加工中。

  鋁合金件焊接

  新的排放及企業平均油耗標準給汽車制造商帶來了前所未有的壓力,提高發動機效率是他們迎接這種挑戰的一種方式,與此同時,降低車身重量也是立竿見影的有效方式。用鋁合金替代鋼而用于車身結構件上可以實現50%的減重效果,比如采用大量鋁合金的奧迪A8轎車比1994年最早推出來的首款車型輕了239kg。

  鋁合金件的連接在最初的確是一個不小的挑戰,但是隨著鉚接及MIG焊接工藝的應用,這個問題已經基本得到了解決。現在,激光技術的新發展更進一步解決了鋁合金的連接問題。

  采用填絲的方式來焊接鋁合金白車身結構件很自然地成為許多汽車制造商在面對鋁合金連接帶來的挑戰時選擇的一種解決方案,采用的加工方式也幾乎相同。接頭類型基本一樣,同時采用相同的加工頭。

  二極管激光器對鋁合金焊接來說具有獨特的優勢:二極管的波長范圍為900-1060nm,與蝶式激光器的1030nm波長和光纖激光器的1070-1080nm波長更加接近鋁合金峰值吸收波段。一些汽車制造商在這方面做了大量的開發和測試工作,最后都將二極管激光器用于結構焊接及外表皮連接。

  通常來說,焊接車身中常用的6000系列鋁合金件需要AlSi填充材料,避免焊接接頭出現熱裂現象。激光焊接設備基本與釬焊工藝中采用的加工設備一樣,這些都經過了多年的行業應用,已經非常成熟。在釬焊中,填絲采用接觸式焊縫跟蹤鏡頭添加進去。

  在經過多年的研發和探索后,奧迪決定采用4Kw/400μm光纖的二極管激光器來焊接旗下幾款車型的鋁合金后擋板,現在依然在工廠內采用該系統。

  庫卡北美公司也成功應用了4Kw/400μm和6kW/1000μm激光器,根據接頭要求的不同有針對性地選擇使用。一般的焊接速度為3-4m/min。1000μm光纖對搭焊來說特別有效果,這種連接方式對焊接強度要求非常高,而且在焊縫背面看不出,甚至完全沒有焊接跡象。

  其他焊接應用

  混合動力車和電動汽車需要采用大容量的電池。鋰離子電池外殼大多數都是鋁合金制成的,需要氣密性。焊接過程不能破壞殼子內任何部件。

  熱導焊是該應用的解決方案,加工過程非常穩定,工藝窗口較寬。舉例說明:某個電池殼采用3000系列鋁合金制成,厚度為1mm,焊接深度被嚴格控制在0.3-0.6mm之間,沒有采取任何預清洗工作。

  在該例子中,焦點直徑設置為0.6mm,200mm聚焦鏡頭,焊接速度為4.5m/min,功率控制在1800-2800w之間,焊接過程非常穩定,最后焊接深度在0.35-0.55mm之間,雖然輸出功率范圍較大,但是依然控制在工藝窗口范圍內。

  結論

  為了滿足汽車制造商對車輛可靠性的需求,一種新的近紅外激光器為汽車車身設計提供了新的思維方式。二極管激光釬焊部件滿足可視焊縫在不需要進一步后處理情況下光學質量的最高規格標準。優秀的加工穩定性、較高的焊接速度、可靠性和成本優勢等特性讓光纖耦合二極管激光器在許多新的汽車車身連接方面獲得了越來越廣泛的應用。

 

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