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浅谈激光切割技术在汽车行业中的应用
激光是一种因产生辐射而强化的光。由于其具有方向性好、亮度高、单色性好等特性，使得激光的应用非常广泛，如激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光打标等等，激光应用也成为目前有发展空间的领域之一。而激光切割作为激光加工中重要的一项技术应用，其主要有两种：一种是脉冲激光，适用于金属材料；*二种是连续激光，适用于非金属。下面就来介绍一下激光切割技术中的汽车行业中的应用。
激光切割原理及优点
激光切割是利用高功率密度的激光束扫描材料表面，在较短的时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，以达到切割的目的。
激光切割在汽车零部件的生产中具有以下优点：⑴精度高，定位精度在0.05mm左右。⑵切缝窄，激光束聚焦成很小的光点，使得焦点处达到很高的功率密度，材料加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。⑶切割面光滑，刺。⑷速度快，比线切割速度要快很多。⑸切割质量好，无接触切割，切边受热影响很小，基本不存在工件热变形现象，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。⑹不损伤工件，激光切割头不会与工件表面接触，保证不划伤工件。⑺不受被切材料的硬度的影响，激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等材料进行加工。⑻不受工件外形的影响，柔性好，可以加工任意图形，也可以切割管材及其他型材。⑼节约模具的投资，激光加工不需要模具，没有模具损耗，*修理模具，节约模具的更换时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本。⑽节省材料，采用计算机编程，可以把不同形状的产品进行整板材料套裁，提高材料的利用率。⑾可以缩短新产品的开发周期，新产品的试制，一般数量较少，结构不确定，不用制造模具，降低浪费，缩短新产品的制作周期。⑿可以切割非金属的材料。
因此在生产中采用这种设备是非常可行的，并且这种设备也适用于生产小批量工件，为零部件的前期试制开发提供了方便，节约了成本。
激光切割的设备
激光切割设备种类繁多：⑴平面激光切割机，主要切割平面工件。⑵三维激光切割机，可以切割三维空间的工件。⑶激光切割机器人(图1），可以切割较复杂的三维立体工件等。
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图1 激光切割机器人工作站
随着汽车行业的发展，激光切割机器人的应用越来越多，而且这种类型的激光切割设备也可以切割平面工件和简单的三维工件，因此下面重点介绍激光切割机器人工作站的组成部分：⑴高精度轨迹机器人，实现了高精度、高速度、立体加工以及成本的降低。⑵激光发生器，有固体激光发生器、气体激光发生器和光纤激光发生器，是产生激光源的装置。⑶冷却器，用于冷却激光发生器。⑷光纤维电缆。⑸切割头，主要包括腔体、聚焦透镜座、聚焦镜、电容式传感器和辅助气体喷嘴等零件。⑹工作台，用于安放被切割的工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，是由伺服电机驱动的。⑺数控系统，控制工作台实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激光器的输出功率。⑻操作台，用于控制整个切割装置的工作过程。⑼气瓶，包括激光切割机工作介质气瓶和辅助气瓶。⑽空压机。⑾空气冷却干燥机、过滤器。⑿抽风除尘机等辅助设备。
激光切割机器人在汽车制造中的实践
下面列举阐述一下激光切割机器人在汽车零件加工中的应用。
管材零件的切割
如图2所示，该零件是激光切割管材上所有的孔(左件4个孔，右件5个孔），因孔数量较多，孔径尺寸也各不相同，采用模具来冲裁的话，模具比较复杂并且模具数量也比较多，投资相对较大，而且后期的模具维修频率也较高，会占用大量的时间和人力，并且还会产生不合格品，影响零件的质量，还要有专门的质检人员进行检验，以防止不合格品的流出。而采用激光切割技术不但可以减少大量的模具资金的投入，还可以带来以下几点好处：⑴保证零件质量；零件切割位置准确，并且这种无接触加工可以避免塌角的发生。⑵节省操作工人与设备的占用；采用激光切割，程序调好之后，只需要一名工人就可以完成取件、上件、下件等一系列工作；如果用模具来实现少需要3套模具，3名操作工，3台冲压设备。⑶节省时间，操作简单；根据实践，该零件可以切割400套，并且工人不会太累，效率较高；如果采用模具实现，正常情况也可以生产400套，但是如果模具出现问题，维修、装模具、调试会耗费大量的时间和人力。⑷避免漏切、错切；激光切割如果出现漏切、错切，设备会报警，因此不会有不合格品流出的现象；如果模具出现漏冲，不容易被发现，这样不合格品流出，会带来较大的损失。
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图2 管材零件
为保证零件质量，零件定位要准确，因此需要制作零件的定位夹具(图3），该夹具结构分为三部分：⑴固定板，固定在工作站的工作台上，固定方式为螺钉和销钉。工作台上有固定位置的螺钉和销钉的，因此夹具的设计要与工作台尺寸相结合，不能盲目进行设计。⑵零件的定位装置，根据零件的使用特性，该零件在使用时孔距端头的位置重要，因此将定位设置在零件端头。⑷零件的夹紧装置，因零件在各个方向上均有切割部分，零件需要跟随工作台进行翻转，为防止工作台旋转时零件脱落，需设置四套夹紧气缸来实现。总体上来讲，该夹具结构简单易操作，并且投入的成本也很低，但是却能带来很大的收益，可以说是比较实用的。
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图3 制作管材零件的定位夹具
异型型材的切割
如图4所示，该零件需要切割两个大孔及两个端头，孔及端头采用模具冲裁时会产生变形，因此为保证零件质量，采用激光切割的方式来避免零件变形。该零件孔的切割是比较容易实现的，但是型材的端头切割加工就会有难度，该型材截面为B字形状，切割方向360度每个方向都有，所以就要求激光切割头可以360度旋转，并且要有足够的空间可以让切割头旋转，如果法线方向上空间不够，那么在不影响零件使用的情况下，可以采用小的带角度切割，因此切割头的切割轨迹的设置需要不断的进行尝试，终保证零件质量，同时降件成本，提高生产效率。
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图4 异型型材零件
该零件的激光切割夹具如图5所示，该夹具的结构同管材的夹具相似，也分为三个部分：⑴固定板，同管材的固定板固定方式一样。⑵零件定位装置，该零件上有两个很重要的安装孔，因此采用孔定位的方式使零件位置准确，定位结构采用气缸带动定位销，可以前后移动，方便工件的取放。⑶零件的夹紧装置，夹紧装置同管材件相似，只是夹紧头随零件的形状做了改变。
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图5 固定在工作台上的定位夹具
以上两个例子，激光切割夹具相对模具比较简单，都是由三部分组成：固定板、定位装置和夹紧装置。同时说明了激光切割机器人的应用可以解决很多汽车零件制作的难题，并且带来了很多方面的优点。
结束语
综上所述，激光切割在汽车加工领域中优点很**，适应了汽车的降低成本，提高质量的发展趋势，并且激光加工机器人工作站在汽车行业的应用越来越普遍，不仅仅是应用于激光切割，激光焊接，激光打标，激光雕刻等也比较多，甚至于在非金属材料中的应用也是非常普遍的。

不同工艺参数对铝合金激光深熔焊质量的影响
铝合金激光焊接技术是近十几年来发展起来的一项新技术。与传统焊接方法相比，激光焊具有热输入小，能量密度高，热影响区窄而熔深大，热变形小，接头性能好及易于控制等优点，因而逐渐得到广泛的应用。但由于铝合金具有较好的导热性能，对较高的激光束初始反射率及焊接过程中产生的等离子体对激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困难，焊接过程不稳定，同时还易产生裂纹、气孔等缺陷。
目前对于铝合金激光焊接技术的研究依然是当前激光焊研究的热点，尤其是研究铝合金激光焊的熔化特性、气孔和裂纹的成因机理、焊接缺陷对力学性能的影响和激光焊接铝合金的等离子体现象等等。如何基于铝合金激光深熔焊的小孔诱导及行为机理，广泛应用于铝合金白车身的实际生产中，提升铝合金激光焊焊接质量是目前**主机厂的研究重点和难点。而在实车制造中，不同工艺参数对铝合金车门5系内板和6系铝合金加强板激光深熔焊焊接质量影响的研究尚未报道。
因此本文尝试通过以下方法来探索在不同焊接速度和功率条件下对激光焊外观质量和微观质量的影响规律。该研究主要通过两个路径：⑴利用样片实验研究不同参数对铝合金焊接质量的影响并获得优参数。⑵实车析优参数下铝合金激光焊焊接质量。
样片级别实验
实验材料为5182/1.5mm铝合金和S600/1.5mm铝合金，其化学成分分别如表1和表2所示，搭接形式：上层板S600/1.5mm+下层板5182/1.5mm，样片尺寸40mm×200mm，之后分别研究激光功率(表3）、焊接速度（表4）对该搭接形式的铝合金激光焊焊接质量的影响。
表1 5182铝合金成分(%)
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表2 S600铝合金成分(%)
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表3 激光焊功率影响的参数设置
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表4 激光焊焊接速度影响的参数设置
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图1所示是在功率为55%，焊接速度为60mm/s时的结果，其中图1(a）为焊缝的金相照片，图1(b）为激光焊接完成后背部的照片。从结果来看：在该焊接参数下，焊缝的熔深一条为0.37mm，一条为0.80mm，而公司要求的小熔深为0.45mm，则0.37mm这条焊缝不合格；两条焊缝的熔宽分别为1.71mm和1.40mm，均满足公司要求的小熔宽1.35mm，但1.40mm处于达标的边缘。并且从图1(b）可以看出，无背透现象。
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图1 功率为55%时的激光焊结果
图2所示是在功率为60%，焊接速度为60mm/s时的结果，其中图2(a）为焊缝的金相照片，图2(b）为激光焊接完成后背部的照片。从结果来看：该焊接参数下，焊缝的熔深一条为0.49mm，一条为0.86mm，均满足公司要求的小熔深0.45mm；两条焊缝的熔宽分别为1.46mm和1.83mm，均满足公司要求的小熔宽1.35mm。并且从图2(b）可以看出，无背透现象。
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图2 功率为60%时的激光焊结果
图3所示是在功率为65%，焊接速度为60mm/s时的结果，其中图3(a）为焊缝的金相照片，图3(b）为激光焊接完成后背部的照片。从结果来看：该焊接参数下，焊缝的熔深一条为0.53mm，一条为0.98mm，均满足公司要求的小熔深为0.45mm；两条焊缝的熔宽分别为1.46mm和1.89mm，均满足公司要求的小熔宽1.35mm。并且从图3(b）可以看出，出现背透现象。
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图3 功率为65%时的激光焊结果
比较以上三种功率下的激光焊质量，熔深与熔宽随功率的变化曲线如图4所示，从结果看：⑴功率越大，熔深与熔宽越大，但功率从60%到65%时，熔深与熔宽的增大率小于5%。⑵随着功率的增大，有背透的风险，在功率为65%时，出现背透。因此样片测试结果显示功率选择在功率的60%时相对较优。
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图4 焊接速度一定，熔深与熔宽随功率变化的曲线
图5所示是在功率为60%，焊接速度为70mm/s时焊缝的金相照片。从结果来看：该焊接参数下，焊缝熔深为0mm和0.27mm，均不能达到公司的要求，熔宽为0mm和1.35mm，其中一条无法满足公司的标准要求，另一条是刚刚达到公司的要求，因此在该参数下，无法满足公司的激光焊质量要求。
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图5 焊接速度为70mm/s时的激光焊结果
图6所示是在功率为60%，焊接速度为50mm/s时的结果，其中图6(a）为焊缝的金相照片，图6(b）为激光焊接完成后背部的照片。从结果来看：该焊接参数下，焊缝的熔深一条为0.61mm，一条为1.01mm，均满足公司要求的小熔深0.45mm；两条焊缝的熔宽分别为1.60mm和1.80mm，均满足公司要求的小熔宽1.35mm。从图6(b）可以看出，该参数下出现明显的背透现象。
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图6 焊接速度为50mm/s时的激光焊结果
比较以上三种焊接速度（图2、图5和图6）下的激光焊质量，熔深与熔宽随焊接速度的变化曲线如图7所示，从结果看：⑴焊接速度越小，熔深与熔宽越大，但从50mm/s时，出现明显的背透。⑵焊接速度越大，熔深与熔宽越小，但在70mm/s时出现未熔的现象。因此，样片测试结果显示速度选择在60mm/s时相对较优。
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图7 激光功率一定时，熔深与熔宽随焊接速度变化的曲线
实车级别验证
采用样片级别得出的焊接参数，在激光功率为功率的60%，焊接速度为60mm/s的条件下进行焊接，焊接两台车，选取4条焊缝来研究，如图8中的RB1和 RB3。
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图8 右后门激光焊焊缝分布
图9所示是2台车次每台车上4条焊缝的金相照片结果。从结果来看。
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图9 不同车次上4条焊缝的金相照片
⑴所有焊缝的熔深与熔宽均满足公司的标准，证明样片级别实验获得的参数是有效的。
⑵分别对比VB1-2车和VB1-1车上RB1和RB3两条焊缝的金相可知。
1）同一车次，同一零件不同位置的匹配间隙是不均匀的，大的间隙在0.3mm左右。
2）间隙在小于0.3mm的情况下，可满足熔深与熔宽的要求。
3）同一车次，不同位置间隙对熔深与熔宽的影响。
①VB1-1：熔宽差异达0.3mm，熔深差异达0.5mm，熔深波动较大达19%。
②VB1-2：熔宽差异达0.6mm，熔深差异达0.03mm。
⑶分别对比RD1和RD2两条焊缝在不同车次VB1-1和VB1-2上的金相照片可知。
1）不同车次相同位置的零件匹配间隙差异较大，近0.3mm。
2）不同车次，相同位置的间隙对熔深和熔宽的影响。
①RD2：熔深差异在0.11mm，熔宽差异在0.02mm。
②RD4：熔深差异在0.27mm，熔宽差异在0.25mm，熔宽波动较大达12%。
结论
⑴样片级别实验结果表明焊接速度对激光焊质量的影响：焊接速度越小，熔深与熔宽越大，焊接速度在50mm/s时容易出现背透；焊接速度越大，熔深与熔宽越小，焊接速度在70mm/s时，容易出现未熔透，焊接速度在60mm/s时，熔深与熔宽相对较优。
⑵样片级别实验结果表明激光焊功率对激光焊质量的影响：焊接速度在60mm/s时，功率越大，熔深与熔宽越大，功率从60%Pmax增加到65%Pmax时，熔深熔宽增加率小于5%，且在65%Pmax时，出现背透。
⑶对比实车级别实验与样片级别实验，焊接速度在60mm/s，功率在60%Pmax时，实车焊接的熔深、熔宽和样片测出的熔深、熔宽均能满足公司的标准，且两板间隙控制在0.3mm的情况下，可满足公司熔深与熔宽的要求，但熔深与熔宽的波动相对较大。

凿岩机在凿岩时应合理施加轴推力。轴推力过小，机器产生回跳，振动增大，凿岩效率降低;过大则钎子**紧眼底，使机器在**负荷下运转，易过早磨损零件并使凿岩速度减慢。凿岩机卡钎时，机器处于**负荷下运转，如不迅速消除，较易损坏零件。卡钎时，应立即减小轴推力，通常凿岩机可逐步趋于正常。若仍然无效，应立即停机，先使用扳手慢慢转动钎杆，再开中气压使钎子徐徐转动。禁止用敲打钎杆的方法处理。
应经常观察排粉情况，排粉正常时，泥浆水顺孔口徐徐流出。若排粉不正常，要强力吹孔。若仍然无效，要先检查钎子的水孔和钎尾状态，再检查水针情况，更换损坏零件。凿岩机冲击频率很高，不能无油作业，要注意观察注油器的储油量和出油情况，调节好注油量。无油作业容易使运动零件过早磨损，当润滑油过多时，会造成工作面污染，影响操作者的健康。
凿岩机操作时注意凿岩机的声响，观察其运转情况，发现问题，立即停机处理。注意检查钎子的T作状态，钎头损坏或磨钝，钎尾变形或打裂，要及时更换。若钎头上的硬质合金片破裂或掉角，必须将碎片从孔中掏出，才能继续凿岩。操作向上式凿岩机时注意气腿的给气量，防止凿岩机上下摆动夹钎或折断钎杆。手握机器时，不要握得过紧，不能骑在气腿上凿岩，以防断钎伤人。气腿的支承点要可靠，以防气腿滑动而导致伤人损机。

某起落架锻件模具的磨损原因分析及改进措施
锻造是一种复杂的塑性加工技术，其中热模锻是较为常见和重要的锻造方式。模锻过程中锻件质量的好坏受多种因素的影响，而模具的好坏则直接影响锻件的质量、成本、生产率和市场竞争力。实际锻造过程中，锻模通常在较高的动载荷或静载荷反复作用下工作，其工作应力较高，工作条件非常苛刻，工作时锻模的预热、冷却、润滑、氧化皮影响等，都直接影响模具使用情况，所以要尽可能的去改善，以延长模具的使用寿命。
前期我公司生产的一种航空起落架模锻件的模具磨损情况较为严重，修模频率较高，严重影响着产品的制造周期和成本。本文基于这一实际问题，首先通过对生产现场的还原，分析了模具磨损严重的原因；然后通过现场试验，找到了改进措施；终通过产品批量生产来进行验证，模具磨损严重的问题得到了有效解决。
原因分析
从图1(a)可以看出，模具型腔高包处温升严重；经测温后，该处模具型腔表层温度在650℃以上。其主要原因是坯料的始锻温度很高（＞1000℃），连续生产时模具型腔温度通常在400℃以上，有时甚**达600℃，采用石墨润滑剂后生成的润滑膜失去了原有的润滑效果；同时在此高温条件下，也会给操作工人的喷洒润滑工作带来很大困难，往往会有润滑不均匀、不到位的情况。
在这样的情况下，锻件在成形过程中就会与模具型腔发生干摩擦，导致模具型腔局部温升严重，表层温度与热扩散层深度将迅速增加，从而使模具表面硬度下降，模具抗变形与抗磨损能力均减弱；在较大、复杂的交变载荷作用下，成形较复杂的型腔部位将会发生变形。图1(b)为模具冷却后模具型腔真实损坏情况，从图中可以看出，该处已严重变形、塌陷，无法满足锻件正常生产。
使用该模具期间，生产的锻件多件出现了局部缺肉现象(图2)。当缺肉量较大时，将会影响到零件的加工，甚至有产品报废的风险。经过对模具型腔的检查，发现模具型腔对应位置已经发生严重变形和塌陷。初步判定：锻件缺肉和模具型腔对应位置的变形、塌陷有很大关系。
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图1 实际生产过程和冷却后模具的状态
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图2 锻件局部缺肉
解决措施
针对上述问题，我公司技术人员经过分析论证，提出了如下解决措施。
⑴模具修复。
目前模具已无法满足锻件正常生产要求，须对模具进行及时维修（补焊、气刨、打磨等）以防缺陷（圆角处隆起、凸起部分变形、塌陷）进一步扩大。修模后要求模具型腔光滑，如图3所示。
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图3 修模后模具型腔状态
⑵合理降温。
锻造过程中，模具温升是不可避免的，所以实际生产中要严格监控模具型腔温度；若模具型腔温度过高，会使得型腔退火，硬度降低，造成模具过早塌陷磨损。当每件锻件压制完成后，先用风管进行风冷降温，并去除干净型腔内杂物。
⑶充分润滑。
生产过程中要对模具进行充分润滑。当模具型腔温度降至400℃以下时，向模具型腔均匀喷洒石墨润滑剂，即起到模具润滑作用。锻件压制前，上下模的模具型腔均加盖一种带润滑功能的复合纤维布（图4），以进一步提升润滑效果。
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图4 模具型腔加盖带润滑功能的复合纤维布
结果验证
采用上述措施后，连续生产20余批次的锻件进行了现场验证。每批次生成完成后，进行模具型腔表面检查，发现模具表面质量仍然良好，现只需要通过简单地局部打磨光滑甚至不打磨，就可满足正常生产要求。这样一来，大幅减少了模具修模次数，提高了生产效率。
图5为优化后终锻件成形情况。从图中可以看出，锻件表面无成形缺陷，缺肉问题得到有效解决。
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图5 优化后终锻件成形情况
结论
通过修复模具、合理降温、合理润滑等措施，解决了模具长期容易局部磨损、变形甚至塌陷的问题，有效解决了锻件成形缺肉的问题。

河南亚兴精锻股份有限公司创建于2003年，公司位于国家文化名城—郑州市文化路航天商务大厦，生产厂区位于黄河之滨、中原福地的平原新区，占地37.5亩，规划生产车间面积12000平方米。亚兴公司是研发制造、生产销售各种型号矿用刮板运输机配件及各行业所需的精锻件的主要骨干企业和供货商。公司建有现代化生产基地，拥有高、中级技术人员20多名和模具制造、锻造、机加工、热处理、装配等标准化生产单元;拥有**业中的电动螺旋2500吨、1600吨、1000吨压力机和1250kw、750kw、500kw中频感应透热炉三条生产线，台式电阻炉热处理生产线三条，加工中心、数控机床10余台及光电线切割机、数控锯床、钻床、拉床、预处理喷丸机、产品检测仪等设备，年生产能力**万吨。主营产品：各类刮板、E型螺栓、哑铃销、驱动链轮、横梁、齿轮、链条等几十种矿用机械配件、上百种型号，同时还生产加工综合机械锻造配件等。全部产品严格按照国家和行业标准研发设计、生产制造，并荣获郑州市“重质量守信用良好单位”称号等，2004年通过国家矿用产品安全标志检验证书，2009年通过了ISO9001：2000**质量体系认证，2011年国家工商总局颁发了“YX亚兴”注册商标认证。