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創(chuàng)新激光工藝在輕型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2015-10-16 來源：newmaker 作者：-

行業(yè)對輕量化設(shè)計(jì)和具有成本效益的生產(chǎn)技術(shù)提出的要求越來越有挑戰(zhàn)性，包括更多基于設(shè)計(jì)以及降低批量大小的趨勢，由此市場需要更易實(shí)現(xiàn)和更靈活的生產(chǎn)工藝，而長距離激光焊接技術(shù)就是一種可行的解決方案。在金屬復(fù)合概念的推動下，汽車結(jié)構(gòu)的輕量化正變得越來越有趣，例如鋁-鋼結(jié)構(gòu)，以及局部調(diào)整的強(qiáng)度分布。長距離控制激光工藝可以用于直接連接鋁-鋼的T型接頭和局部激光淬火軌跡，從而顯著改善鋼型材的碰撞性能。

激光局部強(qiáng)化用于輕量化設(shè)計(jì)

由于必須根據(jù)最高負(fù)荷來設(shè)計(jì)壁厚，因此局部受力的零部件經(jīng)常是大尺寸的。在低應(yīng)力區(qū)，鋼板厚度會超出所需范圍，從而增加了不必要的零部件負(fù)重。此外，已經(jīng)開發(fā)出種類繁多的昂貴的高強(qiáng)度鋼，它們具有良好的成形性能。但目前總是需要在零部件的質(zhì)量和成本以及碰撞安全性之間有所妥協(xié)，這是我們需要解決的問題。

為了根據(jù)局部負(fù)荷情況來精確調(diào)整零部件的屬性，一種基于靈活的遠(yuǎn)距離控制技術(shù)的激光強(qiáng)化創(chuàng)新方法被開發(fā)出來。根據(jù)所處理的鋼的淬火潛力，重熔軌跡或平板堆焊焊縫軌跡的高硬度能讓拉伸強(qiáng)度超過1500MPa，大概兩倍于未經(jīng)處理的基材。特別重要的是，需要測試抵御撞擊部分的彎曲應(yīng)力，例如前避震器和后避震器、B柱和各種加強(qiáng)型材，這樣使設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)重量和負(fù)荷的優(yōu)化。

在數(shù)值模擬的幫助下，我們可以實(shí)現(xiàn)彎曲應(yīng)力的撞擊優(yōu)化軌跡設(shè)計(jì)，例如，正面撞擊或側(cè)面撞擊一棵樹。借助激光遠(yuǎn)程技術(shù)，軌跡設(shè)計(jì)已經(jīng)可以在實(shí)際的零部件中實(shí)現(xiàn)了。相比參照物，可以使局部激光熔凝管狀型材的撓度減半，盡管只對該零部件約3%的體積進(jìn)行了局部硬化（圖1）。

圖1：通過激光局部強(qiáng)化技術(shù)可以改進(jìn)零部件在彎曲負(fù)荷下的變形特性，同時(shí)，可以通過安排激光強(qiáng)化軌跡來定位初始塑性變形，從而對失效行為產(chǎn)生影響。

長距離激光焊接實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)

生產(chǎn)具有良好力學(xué)性能的復(fù)合零部件需要借助全新的連接方法，特別是在激光應(yīng)用方面。用選擇性激光熔化實(shí)現(xiàn)的鋼鋁復(fù)合插槽（web-slot）連接是一種解決方案。為了實(shí)現(xiàn)直接的連接工藝，特別是復(fù)合的T型接頭，必須將長距離激光控制工藝與一種新的一體化設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來。可以通過選擇性熔化工藝來避免金屬間化合物的形成。其中包括通過高度控制的長距離激光工藝來對低熔點(diǎn)材料進(jìn)行選擇性熔化。具體而言，鋁材這一邊的接頭設(shè)計(jì)需要加以調(diào)整。為了達(dá)到這個(gè)目的，開發(fā)出了用于T型接頭的可以用激光實(shí)現(xiàn)的插槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖3）。

圖2：激光強(qiáng)化管：抗壓試驗(yàn)表明，目標(biāo)的失效后果可以達(dá)到預(yù)期效果，從而顯著提高碰撞負(fù)荷下的設(shè)備性能

圖3：激光連接插槽設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程及其示范產(chǎn)品

通過優(yōu)化長距離激光工藝，可以實(shí)現(xiàn)不同形狀的接頭。基本上，能通過調(diào)整掃描寬度、掃描速度和激光功率來確保只熔化鋁材這一面（圖4a）。此外，單邊激光工藝的優(yōu)化還允許雙面鋁材裝配的塑形（圖4b）。金相分析表明在鋼和鋁之間的邊界地區(qū)會形成較小的不會帶來影響的金屬間化合物相。在與強(qiáng)度相關(guān)的交叉部分（“激光鉚釘頭”）中，沒有檢測到鐵的內(nèi)容物。

圖4：長距離激光焊接復(fù)合插槽角接頭的幾何形狀

對于像踏腳板、底盤縱梁和保險(xiǎn)杠這樣的零部件，最先進(jìn)的技術(shù)是電阻點(diǎn)焊，通常焊接的搭接法蘭寬度為20mm。為了滿足結(jié)構(gòu)車身部件的常規(guī)尺寸，確定了碰撞結(jié)構(gòu)的鋼-鋼點(diǎn)焊尺寸為80×80×900mm，搭接法蘭寬度為20mm。由于這些新的激光技術(shù)，我們可以消除搭接法蘭，并且零部件重量可以減少大約20%。為了能額外減少重量，低應(yīng)力負(fù)荷的鋼蓋板被鋁板取代，從而使得重量進(jìn)一步減少了10%（圖5）。

圖5：激光焊接型材結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法

車輛碰撞試驗(yàn)的結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的點(diǎn)焊設(shè)計(jì)，消除復(fù)合零部件的焊接法蘭所導(dǎo)致的抗彎剛度減少，可以通過具有較高結(jié)構(gòu)剛度的接頭來獲得補(bǔ)償。這是用線性焊接（插槽連接）代替點(diǎn)狀連接（點(diǎn)焊）所引起的結(jié)果。此外，三點(diǎn)碰撞試驗(yàn)表明，可以通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外的局部激光強(qiáng)化來減少撓度（圖6）。

圖6：三點(diǎn)彎曲碰撞試驗(yàn)的變形結(jié)果：電阻點(diǎn)焊vs插槽和局部激光強(qiáng)化復(fù)合設(shè)計(jì)

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