Technologie výroby karoserie, která je nosičem ostatních částí automobilu, přímo určuje celkovou kvalitu výroby vozu. V procesu výroby karoserií je svařování důležitým výrobním procesem. Mezi svařovací technologie používané v současnosti pro svařování karoserií automobilů patří zejména odporové bodové svařování, svařování v ochranné atmosféře inertního plynu (MIG) a svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu (MAG) a také laserové svařování.
Technologie laserového svařování jakožto pokročilá svařovací technologie s opticko-mechanickou integrací má ve srovnání s tradiční technologií svařování karoserií automobilů výhody vysoké hustoty energie, vysoké rychlosti svařování, nízkého svařovacího napětí a deformace a dobré flexibility.
Konstrukce karoserie automobilu je složitá a její části se skládají převážně z tenkostěnných a zakřivených komponentů. Svařování karoserií automobilů se potýká s obtížemi, jako jsou rozdíly v materiálech karoserie, různé tloušťky dílů karoserie, různé trajektorie svařování a tvary spojů. Svařování karoserií automobilů má navíc vysoké požadavky na kvalitu svařování a účinnost svařování.
Na základě vhodných parametrů svařovacího procesu může laserové svařování zajistit vysokou únavovou pevnost a rázovou houževnatost klíčových částí karoserie, čímž se zajistí kvalita a životnost svařování karoserie. Technologie laserového svařování se dokáže přizpůsobit svařování částí karoserie s různými tvary spojů, různými tloušťkami a různými typy materiálů, čímž splňuje požadavky na flexibilitu při výrobě karoserií. Technologie laserového svařování je proto důležitým technickým prostředkem pro dosažení vysoce kvalitního rozvoje automobilového průmyslu.
Proces laserového svařování karoserií automobilů
Princip laserového svařování hlubokou fúzí: Když hustota laserového výkonu dosáhne určité úrovně, povrch materiálu se odpaří a vytvoří tak klíčovou díru. Když tlak kovových par uvnitř otvoru dosáhne dynamické rovnováhy se statickým tlakem a povrchovým napětím okolní kapaliny, může laserový paprsek ozařovat klíčovou dírou na dno otvoru a pohybem laserového paprsku se vytvoří souvislý svar. Při laserovém svařování hlubokou fúzí není nutné přidávat pomocné tavidlo ani přísadu ke svaření vlastního materiálu obrobku do jednoho celku.
Svarový šev získaný laserovým hlubokým tavením je obecně hladký a rovný s malou deformací, což přispívá ke zlepšení přesnosti výroby karoserie. Pevnost svaru v tahu je vysoká, což zajišťuje kvalitu svaru karoserie. Rychlost svařování je vysoká, což přispívá ke zlepšení efektivity svařování.
Při svařování karoserií automobilů může použití laserového hlubokého tavného svařování výrazně snížit počet dílů, forem a svařovacích nástrojů, a tím snížit hmotnost karoserie a výrobní náklady. Proces laserového hlubokého tavného svařování je však méně tolerantní k montážní mezeře svařovaných dílů a montážní mezeru je třeba regulovat mezi 0,05 a 2 mm. Pokud je montážní mezera příliš velká, dochází ke svařovacím vadám, jako je pórovitost.
Současný výzkum ukazuje, že při svařování karoserií automobilů ze stejného materiálu je možné optimalizací procesních parametrů laserového hlubokého tavení dosáhnout svaru s dobrou povrchovou úpravou, menším počtem vnitřních vad a vynikajícími mechanickými vlastnostmi. Vynikající mechanické vlastnosti svaru mohou splňovat požadavky na použití svařovaných komponentů karoserií automobilů. Avšak při svařování karoserií automobilů není hliníková slitina-ocel jakožto reprezentativní proces laserového hlubokého tavení heterogenních kovů dostatečně zralá. I když přidáním přechodové vrstvy lze dosáhnout vynikajících vlastností svaru, vliv různých materiálů přechodové vrstvy na vrstvu IMC a její vliv na mikrostrukturu svaru není jasný a je třeba jej dále podrobněji studovat.
Proces svařování laserovým drátem pro karoserie automobilů
Proces laserového svařování s výplňovým drátem je založen na následujícím principu: Svarový spoj se vytvoří předběžným vyplněním svaru specifickým drátem nebo současným podáváním drátu během procesu laserového svařování. To je ekvivalentní podávání přibližně homogenního množství drátěného materiálu do tavné lázně během laserového hlubokého tavného svařování. Níže uvedený diagram znázorňuje proces laserového svařování s výplňovým drátem.
Ve srovnání s laserovým hlubokým svařováním má laserové svařování s výplňovými materiály při svařování karoserií automobilů dvě výhody: za prvé, může výrazně zlepšit toleranci montážní mezery mezi svařovanými díly karoserie a vyřešit problém požadavku na vysokou zkosenou mezeru při laserovém hlubokém svařování; za druhé, může zlepšit rozložení tkáně ve svarové oblasti použitím drátů s různým složením a následně regulovat svařovací výkon.
V procesu výroby karoserií automobilů se laserové svařování s výplňovým materiálem používá hlavně ke svařování hliníkových slitin a ocelových částí karoserie. Zejména při svařování hliníkových slitin částí karoserie je povrchové napětí roztavené lázně malé, což může snadno vést k jejímu zhroucení. Proces laserového svařování s výplňovým materiálem dokáže lépe vyřešit problém zhroucení roztavené lázně v důsledku tavení drátu během laserového svařování.
Proces pájení karoserií laserem
Proces laserového pájení je založen na následujícím principu: Použitím laseru jako zdroje tepla je laserový paprsek zaostřen a ozařován na povrch drátu, drát se taví, roztavený drát stéká dolů a vyplňuje svařovaný obrobek. Mezi pájecím materiálem a obrobkem dochází k metalurgickým jevům, jako je tavení a difúze, čímž se obrobek spojí. Na rozdíl od procesu laserového svařování s přídavnou hmotou se při laserovém pájení taví pouze drát, nikoli svařovaný obrobek. Laserové pájení má dobrou stabilitu svařování, ale pevnost v tahu výsledného svaru je nízká. Obrázek 3 ukazuje použití laserového pájení při svařování krytů zavazadlového prostoru automobilů.
Při svařování karoserií automobilů se laserové pájení používá hlavně ke svařování částí karoserie, které nevyžadují vysokou pevnost spoje, jako je svařování mezi horním krytem a bočními obloženími, svařování mezi horní a spodní částí krytu zavazadlového prostoru atd. Horní kryt vozů VW, Audi a dalších modelů střední a vyšší třídy využívá laserové pájení.
Mezi hlavní vady laserově pájených spojů karoserií automobilů patří ohlodání hran, pórovitost, deformace svaru atd. Tyto vady lze výrazně potlačit regulací procesních parametrů a použitím víceohniskového laserového pájení.
Proces svařování kompozitních materiálů laserovým obloukem pro automobilové karoserie
Princip procesu laserového obloukového svařování kompozitních materiálů je následující: na povrch svařovaného obrobku současně působí dva zdroje tepla, laser a oblouk, které se roztaví a ztuhne za vzniku svarového švu. Níže uvedený diagram znázorňuje proces laserového obloukového svařování.
Laserové obloukové svařování kompozitních materiálů kombinuje výhody laserového svařování a obloukového svařování: za prvé, působením dvou zdrojů tepla lze zvýšit rychlost svařování, zmenšit tepelný příkon a zmenšit deformaci svaru, čímž se zachovají vlastnosti laserového svařování; za druhé, lepší překlenovací schopnost a větší tolerance montážní mezery; za třetí, rychlost tuhnutí roztavené lázně se zpomaluje, což vede k eliminaci pórů, trhlin a dalších vad svařování a ke zlepšení organizace a výkonu tepelně ovlivněné zóny. Za čtvrté, díky oblouku je možné svařovat materiály s vysokou odrazivostí a vysokou tepelnou vodivostí a používat širší škálu použitých materiálů.
V procesu výroby karoserií automobilů se laserovým obloukovým svařováním kompozitních materiálů svařují hlavně hliníkové slitiny karoserií a různé kovy ze slitiny hliníku a oceli. V případě montážní mezery větších svařovaných částí, jako jsou například svařované části dveří automobilu, je to proto, že montážní mezera přispívá k překlenutí laserového svařování kompozitních materiálů. Technologie laserového obloukového svařování kompozitních materiálů MIG se navíc používá i na boční střešní nosníky karoserie Audi.
Při svařování karoserií automobilů má laserové obloukové kompozitní svařování výhodu velké tolerance mezery ve srovnání se svařováním jedním laserem. Nicméně, laserové obloukové kompozitní svařování vyžaduje komplexní zvážení relativní polohy laseru a oblouku, parametrů laserového svařování, parametrů oblouku a dalších faktorů. Chování přenosu tepla a hmoty při laserovém obloukovém svařování je složité, zejména regulace energie svařování heterogenních materiálů a mechanismus regulace tloušťky IMC a tkáně je stále nejasný a vyžaduje další prohloubení výzkumu.
Další procesy laserového svařování karoserií automobilů
Laserové hluboké tavné svařování, laserové svařování přídavných materiálů, laserové pájení a laserové obloukové svařování kompozitních materiálů a další svařovací procesy mají vyspělejší teorii a širokou škálu praktických aplikací. S rostoucími požadavky automobilového průmyslu na účinnost svařování karoserií a rostoucí poptávkou po svařování různých materiálů v lehké výrobě si získalo pozornost laserové bodové svařování, laserové oscilační svařování, svařování více laserovými paprsky a laserové letmé svařování.
Proces laserového bodového svařování
Bodové svařování laserem je pokročilá technologie laserového svařování s vynikajícími výhodami, jako je vysoká rychlost svařování a vysoká přesnost svařování. Základním principem bodového svařování laserem je zaostření laserového paprsku na bod na svařovaném dílu, takže se kov v tomto bodě okamžitě roztaví. Úpravou hustoty laseru se dosáhne efektu tepelného vedení neboli hlubokého tavení. Po přerušení laserového paprsku se tekutý kov refluxuje, ztuhne a vytvoří spoj.
Existují dva hlavní typy laserového bodového svařování: pulzní laserové bodové svařování a kontinuální laserové bodové svařování. Laserový paprsek u pulzního laserového bodového svařování má vysokou špičkovou energii, ale krátkou dobu působení a obecně se používá pro svařování lehkých kovů, jako jsou slitiny hořčíku a hliníku. U kontinuálního laserového bodového svařování má laserový paprsek vysoký průměrný výkon a dlouhou dobu působení a většinou se používá pro svařování oceli.
Při svařování karoserií automobilů má laserové bodové svařování ve srovnání s odporovým bodovým svařováním výhody bezkontaktního a samostatně navrženého bodového svařování, což dokáže uspokojit požadavky na vysoce kvalitní svařování pod různými přeplátovacími mezerami materiálů karoserií automobilů.
Proces laserového oscilačního svařování
Laserové oscilační svařování je nová technologie laserového svařování, která byla navržena v posledních letech a získala širokou pozornost. Principem této technologie je dosažení rychlé, uspořádané a malé oscilace laserového paprsku integrací oscilačního zrcadla do laserové svařovací hlavy, čímž se dosáhne efektu míchání paprsku při jeho pohybu vpřed během laserového svařování.
Mezi hlavní trajektorie oscilací v procesu laserového oscilačního svařování patří: příčné oscilace, podélné oscilace, kruhové oscilace a nekonečné oscilace. Proces laserového oscilačního svařování má při svařování karoserií automobilů významné výhody, protože stav proudění taveniny je výrazně měněn oscilací laserového paprsku, takže proces může eliminovat nespálené vady, dosáhnout zjemnění zrna a potlačit pórovitost při svařování stejného materiálu karoserie automobilu a zlepšit problémy s nedostatečným promícháváním různých materiálů a špatnými mechanickými vlastnostmi svarového švu při svařování rozdílných materiálů karoserie automobilu.
Proces svařování více laserovými paprsky
V současné době lze vláknové lasery použít k rozdělení jednoho laserového paprsku na více laserových paprsků pomocí modulu pro dělení paprsku instalovaného ve svařovací hlavě. Svařování více laserovými paprsky je ekvivalentní použití více zdrojů tepla ve svařovacím procesu. Úpravou rozložení energie paprsku mohou různé paprsky dosahovat různých funkcí, například: paprsek s vyšší hustotou energie je hlavní paprsek, zodpovědný za hluboké tavné svařování; dílčí paprsek s nižší hustotou energie může čistit a předehřívat povrch materiálu a zvyšovat absorpci energie laserového paprsku materiálem.
Proces svařování více laserovými paprsky může zlepšit odpařování zinkových par a dynamické chování taveniny během svařování pozinkovaných ocelových plechů, zlepšit problém s rozstřikem a zvýšit pevnost v tahu svarového švu.
Proces laserového svařování
Technologie laserového svařování je nová technologie laserového svařování s vysokou účinností svařování a autonomním návrhem trajektorie svařování. Základním principem laserového svařování je, že když laserový paprsek dopadá na zrcadla X a Y skenovacího zrcadla, úhel zrcadla je řízen autonomním programováním, aby se dosáhlo vychýlení laserového paprsku v libovolném úhlu.
Tradičně se laserové svařování karoserií spoléhá hlavně na svařovací robot, který pohání laserovou svařovací hlavu synchronním pohybem a dosahuje tak svařovacího efektu. Opakovaný vratný pohyb svařovacího robota však výrazně omezuje účinnost svařování karoserií kvůli velkému počtu svarů a jejich dlouhé délce. Naproti tomu laserového svařování letmým pohybem lze dosáhnout v určitém rozsahu pouhým nastavením úhlu reflektoru. Technologie laserového svařování letmým pohybem proto může výrazně zlepšit účinnost svařování a má široké uplatnění.
Shrnutí
S rozvojem automobilového průmyslu se bude budoucnost technologie svařování karoserií dále vyvíjet jak v procesu svařování, tak v inteligentní technologii.
Karoserie automobilů, zejména karoserie vozidel s novými energetickými vlastnostmi, se vyvíjejí směrem k nízké hmotnosti. Lehké slitiny, kompozitní materiály a heterogenní materiály se budou v automobilovém průmyslu stále více používat, konvenční laserové svařování však jen obtížně splňuje požadavky na svařování, takže vysoce kvalitní a efektivní svařovací proces se stane budoucím trendem vývoje.
V posledních letech se nově vznikající laserové svařovací procesy, jako je laserové svařování s kyvným laserem, svařování více laserovými paprsky, laserové svařování letmým laserem atd., zaměřily na počáteční teoretický výzkum a zkoumání kvality a účinnosti svařování. Budoucnost by měla spočívat v těsné kombinaci nově vznikajícího laserového svařovacího procesu a svařování lehkých materiálů pro karoserie automobilů, svařování heterogenních materiálů a dalších scénářů, návrhu trajektorie kyvného laserového paprsku, mechanismu působení energie více laserových paprsků a zlepšení účinnosti laserového svařování letmým laserem a dalších aspektů hloubkového výzkumu s cílem prozkoumat vyspělý proces svařování lehkých karoserií automobilů.
Technologie laserového svařování karoserií automobilů je hluboce integrována s inteligentními technologiemi. Snímání stavu laserového svařování karoserií v reálném čase a zpětnovazební řízení procesních parametrů hrají rozhodující roli v kvalitě svařování. Současná inteligentní technologie laserového svařování se používá především pro plánování a sledování trajektorie svařování před svařováním a pro kontrolu kvality po svařování. Domácí i zahraniční výzkum v oblasti detekce vad svařování a adaptivní regulace parametrů je stále v plenkách a technologie adaptivního řízení parametrů procesu laserového svařování dosud nebyla ve výrobě karoserií použita.
Proto by pro aplikaci technologie laserového svařování v procesech svařování karoserií automobilů měla být budoucnost zaměřena na pokročilý multisenzorový inteligentní senzorický systém pro laserové svařování a vysokorychlostní vysoce přesný řídicí systém svařovacích robotů, aby se zajistilo, že inteligentní technologie laserového svařování bude v reálném čase a s přesností každého článku, a to prostřednictvím odkazu „plánování trajektorie před svařováním - adaptivní řízení parametrů svařování - online kontrola kvality po svařování“, aby se zajistila vysoká kvalita a efektivní zpracování.
Společnost Maven, která se zabývá laserovou automatizací, se zaměřuje na laserový průmysl již 14 let. Specializujeme se na laserové svařování. Máme robotické laserové svařovací stroje, stolní automatické laserové svařovací stroje, ruční laserové svařovací stroje, dále také laserové svařovací stroje, laserové řezací stroje a laserové značkovací gravírovací stroje. Máme mnoho řešení pro laserové svařování. V případě zájmu nás můžete kdykoli kontaktovat.
Čas zveřejnění: 9. prosince 2022
