激光技術在汽車工業中的運用

　　1960年，美國的梅曼(Maiman)首先在實驗室用紅寶石晶體獲得了激光輸出，此后，激光器件和技術獲得了突飛猛進的發展，相繼出現了種類繁多的激光器，不同種類激光器件的大量涌現，使激光技術滿足了不同行業的需要。激光標記、激光切割、激光熱處理、激光打孔、激光焊接、激光測量等激光加工技術在汽車工業中得到了廣泛應用，并以其加工應用范圍廣、工藝靈活多樣、加工精度高、質量好、生產清潔、易實現自動化、柔性化和智能化等優點正逐步取代傳統的加工方法。汽車工業是一個需要大量加工和測試的生產型產業，也是激光技術應用最廣泛的行業之一，在汽車工業向安全、舒適、節能和環保方向發展時，大規模激光技術的應用就顯得更加迫切。

　　激光標記是激光加工領域中應用最廣泛的激光技術之一，激光打標技術是當代高科技激光技術和計算機技術的結晶產品，幾乎可以在所有材料上標記，與傳統的機械刻劃等方式相比，激光打標技術具有成本低、靈活性高的特點，由于采用計算機系統控制，其適用范圍更廣。激光打標利用聲光Q開關將波長為1064nm的激光束調制成高峰值功率、高重復頻率的脈沖激光后，經過響應速度極快的X-Y振鏡掃描器，由光學系統聚焦到工件表面。功率密度極高的激光束使工件表面熔融汽化形成標記。所需標刻的圖案由計算機編排且實時監控，使激光束按計算機設計的圖案掃描，可迅速準確地完成所見即所得的打標工作。

　　激光作用于工件表面所產生標記的牢固永久性是其突出特點，所以激光標記系統可對大批量生產的工件實行產品單個識別編號，再以條行碼或者二維碼陣列標在產品上，可極為有效地幫助實行生產工序控制、質量控制以及防止假冒產品，常用來在汽車發動機上制作標識和商標。激光打標時與工件不接觸，對工件表面不產生任何機械形變，高速打標可在生產線上實現在線實時打標，這種特性特別適合汽車工業中的大規模的應用，可以用于汽車零部件的高精度、快速刻劃標記。針對汽車工業流水線生產的特點，國內有些廠商都開發出了適合汽車工業使用的專用打標系統，如湖北光通光電系統有限公司的高速振鏡式全固化固體激光打標機結構緊湊、打標精度和激光峰值功率高，掃描速度快，特別適合在汽車生產線上使用。

　　激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法，它可以對材料實現相變硬化(或稱做表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火)、表面合金化等表面改性處理，產生用其它表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。其基本原理是用高能激光束(能量密度為103-105W/CM2)對工件表面進行掃描，被掃描的部分材料表面急驟升溫到相變溫度，激光束離開后，被加熱的部分又很快通過母體冷卻而形成自淬火，其淬火部分呈超細化的結構組織，硬度比淬火前提高約2.5倍，并得到0.2~1MM的淬火層深，從而提高工件的耐磨性能3～5倍。

　　激光束能量密度高，加熱及冷卻速度快，淬火處理后硬度極高，仍保持原有尺寸精度和粗糙度，以及激光束的強度、大小易于用電子自動控制等諸多優點，因而可用該系統對汽車汽缸、活塞環、輪軸等關鍵零件進行激光淬火處理，以大幅度提高其使用性能，在經激光熱處理后，不必再進行后處理，可直接送到裝配線上安裝。北京切諾基吉普車公司就建立了年處理約3萬臺汽車發動機的二氧化碳激光熱處理生產線。北京內燃機及首都汽車公司、長春第一汽車制造廠等大型企業都有自己的激光熱處理生產線。美國的TANI，G.F.BENEDICT等人以及西屋電器公司、尼桑汽車公司、日立公司等也都申請了齒輪激光熱處理工藝的多項專利。美國通用汽車公司率先采用激光熱處理技術直接硬化缸體內壁，取得良好效果，德國大眾、意大利菲亞特、日本豐田等一系列名車廠家都相繼將這一技術引入汽車生產線，大大提高了發動機缸體的耐磨性，同時改善了缸體與活塞環的配付性，使活塞環的磨損同樣減小。

　　汽缸是在高溫和具有腐蝕性的燃氣中進行工作的，它與活塞保持約196000帕的接觸壓力，并要承受活塞環10M/S左右的往復運動，容易磨損、竄氣、使發動機功率不降、油耗增加、壽命縮短。活塞環、輪軸等關鍵件過去采用鍍硬鉻或噴鉬來提高硬度。如利用激光束把這些零件的外表面（深度可根據需要自動調整、控制）加熱到相變點以上，發生奧氏體化后，以不出貝化體和珠光體的臨界冷卻速度以上迅速冷卻，便產生馬氏體轉化而硬化。當激光停止照射后，通過熱傳導的自身冷卻而淬火，其表面硬度可超過HRC60，而獲得滿意的效果。

　　激光切割是利用高能激光束照射在工件表面,使被照射到的區域局部熔化，汽化或相變，從而達到切割目的。激光束經專用光學系統聚焦后能量密度極高，能夠燒熔一些硬度很高的材料，如硬質合金、陶瓷、金剛石等，可完成常規機械加工難以實現的任務。激光加工屬非接觸式加工，對工件本身無機械沖擊力，工件不宜變形，熱影響區小，工件內部不易產生殘余熱應力，這對精密零件的切割更具優勢：激光束的能量和軌跡易于實現精密控制，因而能完成精密復雜的切割。

　　激光打孔效率很高，僅在千分之一秒左右時間內就能完成一個孔的加工，并對打孔周圍的氧化、變形、熱影響區域很小，不需后處理工序，不僅如此，它還可在工件移動過程中進行打孔，因而易于加工自動化；也可以在各種材料的零件上加工各種直徑和深度的孔，如發動機的燃油噴嘴、散熱孔、儀表盤上的各種孔、液壓制動器中的細長油孔等，孔徑可以小到0.1-0.13CM。當加工“全陶瓷發動機”中的碳化硅或氮化硅等高硬度（相當于鋼玉）、高熔點（2690度）的脆性陶瓷件時，可采用多次重復打孔的辦法，使孔的深徑比達到25以上，這是通常加工方法無法辦到的。此外，激光打孔過程為非接觸加工過程，加工出來的工件表面清潔（原材料在加工時已被氣化）、沒有污染，同時省去了機加工過程中所造成的鉛頭斷裂、磨損、更換等麻煩。激光打孔這一高效率的高新技術正以巨大的魅力吸引著不少汽車生產廠家。激光具有良好的單色性、方向性、相干性和聚集性能，非常適合焊接加工，由激光電源控制和泵浦脈沖氙燈，使諧振腔產生一定功率和能量的脈沖激光束，經過擴束聚焦等光學系統照射被焊工件，使其熔融而達到焊接目的。激光焊接工藝能夠向工件傳輸高于10KW/MM2的能量密度，因此能夠形成深寬比較大的、小孔狀的熔深。激光焊接通過輻射吸收產生液態熔池，并使之長到理想尺寸，然后沿固體界面移動熔池，消除被焊機構件間的初始縫隙，形成高質量焊縫。依維柯汽車變速箱就采用了激光焊接齒輪生產線，年產20余萬件。

　　采用激光焊接可以給汽車制造業帶來巨大的經濟效益，如車身裝配中的大量點焊，把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，凸緣寬度需要16MM，而激光焊接是單邊焊接，只需要5MM，把點焊改為激光焊，每輛車就可以節省鋼材40KG。用傳統點焊焊接兩片0.8MM的鋼板沖壓件，平均是20點/MIN，焊距是25MM，即速度為0.5M/MIN，用激光焊速度可以達到5M/MIN以上。采用激光焊接技術，不僅降低成本，還大大提高了生產效率。目前，一套千瓦級的激光加工機器人系統只要幾十萬美元，新型激光器的安全性和可靠性也得到了保證，其故障停機率僅2%，防護措施也極為可靠。激光焊接時需要工件接觸面緊密吻合，這在工藝上是不容易實現的，但目前先進的夾持方法和適合激光焊接的凸緣設計使這一問題得到了解決，激光焊接技術的逐漸成熟使得各大汽車廠商無一例外的將激光焊接應用到了汽車生產線上。

　　激光發散角小，方向性好，因此其測量精度非常高，通過精密激光測量設備，可以將零部件與模型比較，對經過修理或修改的零部件與原來的相比較，或在零部件的設計改變后迅速修改刀具或模具。在汽車零部件生產中，激光測量可以快速和非常精確地檢測部件地尺寸與設計尺寸完全一致。而且，激光測量儀器可以快速將一個零部件或物理模型轉變為數字化信息，可以用各種方法處理并同其它文件進行比較。激光計量、檢測技術可用于零件的粗糙度測量、汽缸內孔的精密測量、活塞熱變形測量以及復合材料零件、輪胎等的內部無損檢測。激光在線厚度測量系統采用了激光位移傳感器,利用電荷耦合器件實現光電轉換。可以測量板材準確的厚度和寬度值,并實時顯示被測物輪廓曲線。有關科研院所和南京依維柯汽車有限公司車身廠共同承擔的國家“863”高科技項目“依維柯車身三維激光視覺檢測系統”日前研制成功，這標志著我國第一套用于整車檢測的激光三維尺寸自動測量系統已經誕生，其性能指標已達國際先進水平，國外汽車行業將激光視覺檢測技術用于汽車車身的檢測與控制，可有效提高汽車車身的焊接質量。在汽車輪胎生產中，也可使用激光橡膠在線檢測系統，有效提高工作效率和產品質量。

　　激光技術發展到今天已經成為一門綜合性科學，激光加工和計算機數控有機結合，利用CAD等相關技術，進行激光快速成型，可以突破傳統的設計和制造模式，可以大大改觀汽車制造業的面貌，汽車生產企業對市場獲得更大的主動權。新世紀，汽車工業將逐漸成為國民經濟的支柱產業，面對廣闊的市場，激光技術的大規模應用無疑會給汽車工業帶來革命性的影響，對于激光產品提供商來說，同樣是一種難得的機遇，也必然會推動激光技術的進一步發展。

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