Jako nośnik innych części samochodu, technologia produkcji nadwozia bezpośrednio determinuje jego ogólną jakość. W procesie produkcji nadwozi samochodowych spawanie jest ważnym procesem produkcyjnym. Obecnie stosowane technologie spawalnicze obejmują głównie punktowe zgrzewanie oporowe, spawanie w osłonie gazów obojętnych (MIG) i spawanie łukowe w osłonie gazów aktywnych (MAG), a także spawanie laserowe.
Jako zaawansowana technologia spawania z integracją optyczno-mechaniczną, technologia spawania laserowego ma zalety wysokiej gęstości energii, dużej prędkości spawania, niskich naprężeń i odkształceń podczas spawania oraz dobrej elastyczności w porównaniu z tradycyjną technologią spawania nadwozi samochodowych.
Konstrukcja nadwozia samochodowego jest złożona, a jego elementy to głównie elementy cienkościenne i zakrzywione. Spawanie nadwozi samochodowych wiąże się z trudnościami, takimi jak zróżnicowanie materiałów nadwozia, zróżnicowana grubość elementów nadwozia, zróżnicowane trajektorie spawania i kształty połączeń. Ponadto spawanie nadwozi samochodowych stawia wysokie wymagania dotyczące jakości i wydajności spawania.
Dzięki odpowiednim parametrom procesu spawania, spawanie laserowe może zapewnić wysoką wytrzymałość zmęczeniową i udarność kluczowych elementów nadwozia samochodowego, gwarantując tym samym wysoką jakość i żywotność procesu. Technologia spawania laserowego może być dostosowana do spawania elementów nadwozia samochodowego o różnych kształtach połączeń, grubościach i rodzajach materiałów, spełniając zapotrzebowanie na elastyczność w produkcji nadwozi samochodowych. Dlatego technologia spawania laserowego jest ważnym środkiem technicznym umożliwiającym osiągnięcie wysokiej jakości rozwoju przemysłu motoryzacyjnego.
Proces spawania laserowego nadwozi samochodowych
Zasada procesu spawania laserowego z głębokim wtopieniem: Gdy gęstość mocy lasera osiągnie określony poziom, powierzchnia materiału odparowuje, tworząc w ten sposób otwór w materiale. Gdy ciśnienie pary metalu wewnątrz otworu osiągnie równowagę dynamiczną z ciśnieniem statycznym i napięciem powierzchniowym otaczającej cieczy, laser może napromieniować przez otwór w materiale do jego dna, a ruch wiązki laserowej tworzy spoinę ciągłą. W procesie spawania laserowego z głębokim wtopieniem nie ma potrzeby dodawania dodatkowego topnika ani spoiwa, aby zespawać materiał spawany w jeden element.
Spoina uzyskana metodą laserowego spawania z głębokim wtopieniem jest zazwyczaj gładka i prosta, z niewielkimi odkształceniami, co sprzyja poprawie dokładności produkcji karoserii. Wysoka wytrzymałość spoiny na rozciąganie gwarantuje wysoką jakość spawania karoserii. Duża prędkość spawania sprzyja poprawie wydajności produkcji.
W procesie spawania nadwozi samochodowych, zastosowanie metody laserowego spawania z głębokim wtopieniem pozwala znacząco zmniejszyć liczbę części, form i narzędzi spawalniczych, a tym samym obniżyć masę własną nadwozia i koszty produkcji. Metoda laserowego spawania z głębokim wtopieniem jest jednak mniej tolerancyjna na szczelinę montażową spawanych elementów, która musi mieścić się w zakresie od 0,05 do 2 mm. Zbyt duża szczelina montażowa może prowadzić do wad spawalniczych, takich jak porowatość.
Aktualne badania pokazują, że w spawaniu nadwozi samochodowych tego samego materiału, poprzez optymalizację parametrów procesu laserowego spawania z głębokim wtopieniem, możliwe jest uzyskanie spoiny o dobrej strukturze powierzchni, mniejszej liczbie defektów wewnętrznych i doskonałych właściwościach mechanicznych. Doskonałe właściwości mechaniczne spoiny spełniają wymagania użytkowe spawanych elementów nadwozi samochodowych. Jednakże, w spawaniu nadwozi samochodowych, stop aluminium-stal, jako reprezentatywny przykład heterogenicznego procesu laserowego spawania z głębokim wtopieniem metali, nie jest jeszcze dopracowany. Dodanie warstwy przejściowej pozwala uzyskać doskonałą jakość spoiny. Jednak różne materiały warstwy przejściowej na warstwie IMC wpływają na mechanizm i jego wpływ na mikrostrukturę mechanizmu spoiny, co wymaga dalszych, pogłębionych badań.
Proces spawania laserowego drutem karoserii samochodowej
Proces spawania laserowego materiałem dodatkowym opiera się na następującej zasadzie: złącze spawane powstaje poprzez wstępne wypełnienie spoiny określonym drutem lub poprzez jednoczesne podawanie drutu podczas procesu spawania laserowego. Jest to równoważne z podawaniem w przybliżeniu jednorodnej ilości materiału drutu do jeziorka spawalniczego podczas spawania laserowego z głębokim wtopieniem. Poniższy schemat przedstawia proces spawania laserowego materiałem dodatkowym.
W porównaniu ze spawaniem laserowym z głębokim wtopieniem, spawanie laserowe spoiwem ma dwie zalety w spawaniu nadwozi samochodowych. Po pierwsze, może znacznie poprawić tolerancję szczeliny montażowej pomiędzy spawanymi częściami nadwozia samochodowego i rozwiązać problem dużej szczeliny skośnej wymaganej w przypadku spawania laserowego z głębokim wtopieniem. Po drugie, może poprawić rozkład tkanki w obszarze spawania dzięki użyciu drutów o różnym składzie, a następnie regulować wydajność spawania.
W procesie produkcji nadwozi samochodowych, spawanie laserowe jest wykorzystywane głównie do spawania elementów nadwozia ze stopów aluminium i stali. Szczególnie w procesie spawania elementów nadwozia ze stopów aluminium, napięcie powierzchniowe jeziorka stopowego jest niskie, co może łatwo prowadzić do jego zapadnięcia. Natomiast spawanie laserowe może lepiej rozwiązać problem zapadnięcia się jeziorka stopowego poprzez stopienie drutu w procesie spawania laserowego.
Proces lutowania laserowego karoserii samochodowej
Proces lutowania laserowego opiera się na następującej zasadzie: wiązka laserowa jest skupiana i naświetlana na powierzchni drutu za pomocą lasera jako źródła ciepła. Drut topi się, a stopiony drut spływa i wypełnia spawany element. Pomiędzy materiałem lutowniczym a elementem spawanym zachodzą procesy metalurgiczne, takie jak topienie i dyfuzja, co powoduje połączenie elementu spawanego. W przeciwieństwie do spawania spoiwem laserowym, lutowanie laserowe topi jedynie drut, a nie element spawany. Lutowanie laserowe charakteryzuje się dobrą stabilnością spawania, ale wytrzymałość na rozciąganie powstałej spoiny jest niska. Rysunek 3 przedstawia zastosowanie lutowania laserowego w spawaniu pokryw bagażnika samochodowego.
W procesie spawania nadwozi samochodowych, proces lutowania laserowego jest stosowany głównie do spawania części nadwozia, które nie wymagają dużej wytrzymałości połączeń, takich jak spawanie górnej pokrywy z bocznymi elementami, spawanie górnej i dolnej części pokrywy bagażnika itp. Proces lutowania laserowego stosuje się do spawania górnej pokrywy samochodów VW, Audi i innych modeli średniej i wysokiej klasy.
Do głównych wad połączeń lutowanych laserowo nadwozi samochodowych zaliczają się: wytarcia krawędzi, porowatość, odkształcenia spoin itp. Wady te można w znacznym stopniu ograniczyć, regulując parametry procesu i stosując wieloogniskowy proces lutowania laserowego.
Proces spawania łukiem laserowym kompozytów karoserii samochodowych
Zasada spawania łukiem laserowym jest następująca: dwa źródła ciepła, laser i łuk elektryczny, działają jednocześnie na powierzchnię spawanego elementu, a następnie element jest topiony i utwardzany, tworząc spoinę. Poniższy schemat przedstawia proces spawania łukiem laserowym.
Spawanie laserowe łączy w sobie zalety spawania laserowego i spawania łukowego: po pierwsze, pod działaniem dwóch źródeł ciepła można zwiększyć prędkość spawania, ilość dostarczanego ciepła staje się mniejsza, odkształcenie spoiny jest niewielkie, przy zachowaniu charakterystyki spawania laserowego; po drugie, lepsza zdolność mostkowania, większa tolerancja szczelin montażowych; po trzecie, wolniejsza jest prędkość krzepnięcia stopionego jeziorka, co sprzyja eliminacji porów, pęknięć i innych wad spawalniczych, poprawia organizację i wydajność strefy wpływu ciepła. Po czwarte, dzięki łukowi można spawać materiały o wysokim współczynniku odbicia i wysokiej przewodności cieplnej, z szerszym zakresem stosowanych materiałów.
W procesie produkcji nadwozi samochodowych, spawanie laserowo-łukowe kompozytów obejmuje głównie spawanie elementów nadwozia ze stopów aluminium oraz stopów aluminium i stali, metali o różnych właściwościach. W przypadku większych elementów spawanych, takich jak drzwi samochodu, szczelina montażowa jest niezbędna, ponieważ sprzyja ona prawidłowemu spawaniu laserowo-łukowemu. Ponadto, technologia spawania laserowo-łukowego kompozytów metodą MIG jest również stosowana do bocznej belki dachowej nadwozia Audi.
W procesie spawania nadwozi samochodowych, spawanie kompozytów łukiem laserowym ma tę zaletę, że zapewnia dużą tolerancję szczeliny w porównaniu ze spawaniem pojedynczym laserem. Jednakże spawanie kompozytów łukiem laserowym wymaga kompleksowego rozważenia względnego położenia lasera i łuku, parametrów spawania laserowego, parametrów łuku i innych czynników. Zachowanie się procesu wymiany ciepła i masy w procesie spawania łukiem laserowym jest złożone, zwłaszcza regulacja energii spawania materiałów heterogenicznych, a mechanizm regulacji grubości warstwy IMC i tkanki jest nadal niejasny i wymaga dalszych badań.
Inne procesy spawania laserowego nadwozi samochodowych
Spawanie laserowe z głębokim wtopieniem, spawanie laserowe spoiwem, lutowanie laserowe i spawanie laserowe kompozytów łukiem laserowym oraz inne procesy spawalnicze mają bardziej rozwiniętą teorię i szeroki zakres zastosowań praktycznych. Wraz ze wzrostem wymagań przemysłu motoryzacyjnego w zakresie wydajności spawania nadwozi i wzrostem zapotrzebowania na spawanie materiałów o różnych właściwościach w produkcji lekkich elementów, laserowe spawanie punktowe, laserowe spawanie oscylacyjne, spawanie wieloma wiązkami lasera oraz spawanie laserowe w locie zyskują na popularności.
Proces spawania punktowego laserowego
Laserowe spawanie punktowe to zaawansowana technologia spawania laserowego, charakteryzująca się dużą szybkością i wysoką dokładnością. Podstawową zasadą laserowego spawania punktowego jest skupienie wiązki laserowej na punkcie spawanego elementu, tak aby metal w tym punkcie natychmiast się stopił. Poprzez regulację gęstości lasera, aby uzyskać efekt spawania z przewodzeniem cieplnym lub głębokiego wtapiania, po zakończeniu pracy wiązki laserowej ciekły metal cofa się, krzepnie i tworzy spoinę.
Istnieją dwie główne formy laserowego spawania punktowego: impulsowe i ciągłe. Wiązka laserowa w impulsowym spawaniu punktowym charakteryzuje się wysoką energią szczytową, ale krótkim czasem działania i jest zazwyczaj stosowana do spawania metali lekkich, takich jak stopy magnezu i aluminium. W ciągłym spawaniu punktowym wiązka laserowa charakteryzuje się wysoką mocą średnią i długim czasem działania i jest najczęściej stosowana do spawania stali.
W przypadku spawania nadwozi samochodowych, w porównaniu ze spawaniem punktowym oporowym, spawanie punktowe laserowe ma tę zaletę, że jest bezkontaktowe i ma samodzielnie zaprojektowaną trajektorię spawania punktowego, co pozwala sprostać zapotrzebowaniu na wysokiej jakości spawanie przy różnych szczelinach zakładkowych materiałów nadwozia samochodowego.
Proces spawania oscylacyjnego laserowego
Spawanie laserowe z oscylacją to nowa technologia spawania laserowego, która została zaproponowana w ostatnich latach i zyskała szerokie zainteresowanie. Zasada tej technologii polega na uzyskaniu szybkich, uporządkowanych i małych oscylacji wiązki laserowej poprzez zintegrowanie oscylującego lustra z głowicą spawalniczą, co pozwala uzyskać efekt mieszania wiązki podczas jej ruchu do przodu podczas spawania laserowego.
Główne trajektorie oscylacji w procesie laserowego spawania oscylacyjnego obejmują: oscylację poprzeczną, oscylację wzdłużną, oscylację kołową i oscylację nieskończoną. Proces laserowego spawania oscylacyjnego ma znaczące zalety w spawaniu nadwozi samochodowych, ponieważ oscylacja wiązki laserowej znacząco zmienia stan płynięcia jeziorka stopowego, co pozwala wyeliminować wady niestopione, uzyskać rozdrobnienie ziarna i ograniczyć porowatość podczas spawania tego samego materiału nadwozia samochodowego, a także rozwiązać problemy związane z niedostatecznym wymieszaniem różnych materiałów i niskimi właściwościami mechanicznymi spoiny podczas spawania różnych materiałów nadwozia samochodowego.
Proces spawania wieloma wiązkami laserowymi
Obecnie lasery światłowodowe umożliwiają podział pojedynczej wiązki laserowej na wiele wiązek za pomocą modułu rozdzielającego wiązkę zamontowanego w głowicy spawalniczej. Spawanie wieloma wiązkami laserowymi jest równoważne z zastosowaniem wielu źródeł ciepła w procesie spawania. Poprzez regulację rozkładu energii wiązki, różne wiązki mogą spełniać różne funkcje, takie jak: wiązka o wyższej gęstości energii jest wiązką główną, odpowiedzialną za spawanie w głębokim stopie; podwiązka o niższej gęstości energii może oczyszczać i podgrzewać powierzchnię materiału oraz zwiększać absorpcję energii wiązki laserowej przez materiał.
Proces spawania wieloma wiązkami laserowymi może poprawić proces parowania oparów cynku i dynamikę jeziorka stopionego metalu podczas spawania ocynkowanych blach stalowych, ograniczyć problem odpryskiwania i zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie spoiny.
Proces spawania laserowego
Technologia spawania laserowego to nowa technologia spawania laserowego o wysokiej wydajności i autonomicznym projektowaniu trajektorii spawania. Podstawową zasadą spawania laserowego jest sterowanie kątem nachylenia zwierciadła X i Y lustra skanującego, gdy wiązka laserowa pada na zwierciadła X i Y lustra skanującego. Pozwala to na uzyskanie odchylenia wiązki laserowej pod dowolnym kątem.
Tradycyjnie, laserowe spawanie karoserii samochodowych opiera się głównie na robocie spawalniczym, który napędza głowicę spawalniczą, zapewniając synchroniczny ruch i uzyskanie pożądanego efektu spawania. Jednak powtarzalny ruch posuwisto-zwrotny robota spawalniczego znacznie ogranicza wydajność spawania karoserii ze względu na dużą liczbę spoin i ich długość. Natomiast spawanie laserowe w locie spawalniczym można osiągnąć w pewnym zakresie, po prostu regulując kąt nachylenia reflektora. Dlatego technologia laserowego spawania w locie spawalniczym może znacznie poprawić wydajność spawania i ma szerokie perspektywy zastosowania.
Streszczenie
Rozwój przemysłu motoryzacyjnego sprawi, że przyszłość technologii spawania nadwozi będzie się nadal rozwijać, zarówno w kontekście procesu spawania, jak i technologii inteligentnych.
Nadwozia samochodowe, zwłaszcza te napędzane nowymi silnikami elektrycznymi, ewoluują w kierunku lekkiej konstrukcji. Stopy lekkie, materiały kompozytowe i materiały heterogeniczne będą coraz szerzej stosowane w nadwoziach samochodowych. Konwencjonalne metody spawania laserowego nie spełniają wymagań spawalniczych, dlatego wysoka jakość i wydajność procesu spawania staną się przyszłym trendem rozwojowym.
W ostatnich latach rozwijające się procesy spawania laserowego, takie jak spawanie wahadłowe, spawanie wieloma wiązkami laserowymi, spawanie laserowe w locie itp., stały się przedmiotem wstępnych badań teoretycznych i eksploracji procesów dotyczących jakości i wydajności spawania. Przyszłość powinna opierać się na rozwijającym się procesie spawania laserowego i spawaniu lekkich materiałów nadwozi samochodowych, materiałów heterogenicznych i innych scenariuszy, projektowaniu trajektorii wahadłowej wiązki laserowej, mechanizmie działania energii wiązki laserowej, poprawie wydajności spawania w locie oraz innych aspektach dogłębnych badań w celu zbadania dojrzałego procesu spawania lekkich nadwozi samochodowych.
Technologia laserowego spawania karoserii samochodowych jest w dużym stopniu zintegrowana z inteligentną technologią. Monitorowanie stanu laserowego spawania karoserii w czasie rzeczywistym oraz sterowanie parametrami procesu ze sprzężeniem zwrotnym odgrywają decydującą rolę w jakości spawania. Obecna inteligentna technologia spawania laserowego jest wykorzystywana głównie do planowania i śledzenia trajektorii spawania przed spawaniem oraz kontroli jakości po spawaniu. Krajowe i zagraniczne badania nad wykrywaniem wad spawalniczych i adaptacyjną regulacją parametrów są wciąż w powijakach, a technologia adaptacyjnego sterowania parametrami procesu spawania laserowego nie została jeszcze zastosowana w produkcji nadwozi samochodowych.
Dlatego w przypadku zastosowania technologii spawania laserowego w procesie spawania nadwozi samochodowych, przyszłość powinna być rozwijana dzięki zaawansowanemu wieloczujnikowemu inteligentnemu systemowi czujników do spawania laserowego oraz szybkiemu i precyzyjnemu systemowi sterowania robotem spawalniczym, aby zagwarantować inteligentną technologię spawania laserowego w czasie rzeczywistym i dokładność każdego ogniwa, poprzez łącze „planowanie trajektorii przed spawaniem – adaptacyjne sterowanie parametrami spawania – kontrola jakości online po spawaniu”, co gwarantuje wysoką jakość i wydajne przetwarzanie.
Firma Maven Laser Automation od 14 lat zajmuje się branżą laserową. Specjalizujemy się w spawaniu laserowym. Posiadamy robotyczne urządzenie do spawania laserowego, stołowe automatyczne urządzenie do spawania laserowego, ręczne urządzenie do spawania laserowego, a także urządzenia do spawania laserowego, urządzenia do cięcia laserowego i urządzenia do znakowania i grawerowania laserowego. Oferujemy wiele rozwiązań w zakresie spawania laserowego. Jeśli są Państwo zainteresowani, prosimy o kontakt.
Czas publikacji: 09.12.2022
