汽车制造中的激光加工应用近况-激光头条

汽车工业是激光材料加工最大的应用领域之一，在疫情造成破坏之前，麦肯锡未来移动中心便已经提示汽车行业是“欧洲经济的增长引擎”，2019 年约占有欧盟 GDP 的 7%^[1]^。

汽车生产尚未恢复到疫情前的水平，—部分原因是持续的供应链限制。然而，欧洲汽车行业的增长呈上升趋势。例如，2022年前9个月，欧盟生产了近800万辆乘用车。

与2021年同期相比，单位数量增长了5.8%^[2]^。

长期以来，激光在优化汽车制造方面发挥着重要作用，从而促进了该行业的发展。对于大多数车辆来说，几乎每个区域，无论是内部还是外部，都会包含经过激光加工的零件。这是由于它们具有出色的多功能性和可重复性，一台激光设备能够以极高的精度和速度加工各种汽车部件。它们是自动化程度极高、经济高效且维护成本低的工具，可部署在高输送量汽车生产线上，适用于需要切割、焊接、钎焊、打标、表面处理、钻孔、3D 打印和熔覆等应用。激光可用于加工由金属、塑胶、玻璃、橡胶和纺织品等材料制成的各种复杂的 2D/3D 汽车零件。

白车身制造

应用激光的汽车生产的主要阶段之一，特别是用于切割、焊接和钎焊，被称为白车身（BIW）制造。在这个阶段，构成道路车辆基本结构的钢架部件被切割并连接在一起。

车身、车门和车架部件通常由各种等级的热成形钢制成，例如不锈钢、低碳钢、高强度钢、高碳/低碳钢或镀锌钢。铝也可用于某些部件，由于其重量较轻，有助于提高车辆的燃油经济性。大多数钢制车身面板的厚度约为0.6-0.8毫米，而铝制车身面板的厚度一般为0.8-1.8毫米。

激光焊接在白车身制造中已经使用了几十年，Volvo于1991年成为第一家将其引入车身车间主线的欧洲汽车制造商。大约在同一时间，BMW也采用了该技术，将其用于其子装配线上的车顶部件。

激光用于白车身制造中的切割、焊接、钎焊和穿孔应用，图示为道路用车辆的车架组装（图片：Gorodenkoff/Shutterstock）。

白车身部件也可以使用雷射进行钎焊，不同之处在于焊接涉及熔化两个连接伙伴的基材，因为它们固定在一起，而钎焊涉及填充金属在连接伙伴之间流动以形成粘合。激光钎焊通常用于车辆车门和车顶线的接缝，形成无缝、高强度的粘合，可以很容易地涂漆。

白车身制造中的大多数雷射焊接/钎焊任务都可以由光纤激光器完成，光纤激光器因其低运营成本而受到青睐。它们可用于在相似和不同材料之间形成高质量的焊接，例如在将钢焊接到铝时，同时避免冷裂纹、气孔和飞溅。此外，光纤激光器可以很容易地集成到汽车生产线的机器人中，因为它们的光束可以通过柔性光纤沿着机械臂向下传输到加工头。

长期以来，激光切割、修整和穿孔也一直是白车身制造的一部分，Austin Rover 安装了五轴系统，用于将预生产的车身面板修剪一直到 1983年. 此外，柱子、框架、天线孔、衬套和用于固定外部零件的孔都是可以用激光切割或穿孔的实例零件。光纤激光器通常也是此类应用的首选工具。

子元件和车辆内饰

激光同样用于生产汽车制造中的各种子元件和内饰部件。例如，激光焊接可用于生产金属部件，如齿轮、发动机气门、制动卡钳、轮胎轮辋、座椅框架、交流发电机、喷油器、滤清器、搭扣、排气管、消声器、波登压力管、安全气囊启动器、电机线圈绕组和各种附加发动机零件。同样，这些通常都使用光纤激光器进行焊接。虽然这些零件中的大多数由某种形式的钢或铝制成，但在运动和豪华车市场中，钛有时因其密度低、强度高和耐腐蚀/耐热性好等优点而受到青睐。光纤激光器还可用于加工由碳纤维增强聚醚醚酮（CFR-PEEK）制成的零件，CFRPEEK通常用于制造制动系统、发动机和气候管理系统、离合器、传感器和行走装置。

如图所示，CO₂ 激光器在汽车制造中有许多应用。图片来源：Luxinar.

在汽车内饰织物的切割中，光纤激光器被更传统的CO₂激光器所超越。这是因为较长（约10μm）的CO₂激光器可以更好地被纺织品、塑胶、皮革和丙烯酸树脂等非金属材料吸收。例如，它们用于修剪织物覆盖的仪表板和内饰柱上的多余材料。其他基于纺织品的激光应用包括切割用于安全带的织带和安全气囊的织物，以及用于座椅和装饰的真皮和合成皮革的切割和纹理化，以及地毯和垫子的切割。就安全气囊而言，它们的材料通常涂有硅胶，以帮助其在充气时保持空气，并且这种材料可以在缝合在一起之前进行雷射切割。由于激光切割是一种非接触式工艺，因此只需对织物进行最少的处理，这减少了涂层损坏造成安全气囊性能产生不良的可能性。

CO₂激光器还可用于汽车制造中切割和修整塑胶部件，例如内部和仪表板、支柱、保险杠、车牌、装饰件和电子/灯外壳这些塑胶制成的部件，包括 ABS、丙烯酸、HDPE、聚碳酸酯和聚丙烯。例如，聚碳酸酯灯配件和塑胶前照灯透镜可以用CO₂雷射进行修整，以去除注塑成型后的任何废塑料。

此外，在轮胎上打标数据矩阵码以实现可追溯性也是CO₂激光器的一个相对较新的应用。雷射也开始用于轮胎原型制作，将胎面和胎侧轮廓加工成轮胎。这可以取代使用热刀手动雕刻轮胎的需要，这是一个既耗时又成本密集型的过程，并且存在技术限制。

电动汽车用电池和电机生产

近年来，汽车制造业的一个更重要的发展是向电动汽车（EV）的持续转变。

根据电动汽车销量，2022年共交付了1050万辆新电池电动汽车和插电式混合动力电动汽车，与2021年相比大幅增长了55%^[3]^。Statista甚至预测，到2030年，全球所有新车销量的26%将是电动汽车^[4]^。这种飙升的需求导致汽车行业寻求高通量工艺和技术，以提高电动汽车电池和电动机的产量。

雷射行业已经极大地回应了这一行动号召，在过去十年中，专门针对这一应用领域出现了许多来源和系统。

仅在电动汽车电池制造中，雷射就有 30 多种应用^[5]^。例如，雷射可用于焊接电池的箔和母线、密封电池盒、将极耳焊接到电池外壳以及焊接电动机中的发夹。它们还可用于切割电池的铜阳极和铝阴极箔。

激光现在被广泛用于焊接电机生产中的发夹（图片来源：Scansonic）

因此，对于像Trumpf这样的公司来说，电动汽车已成为其利润丰厚的目标市场，目前约占该公司雷射部门收入的40%。这表明电动汽车作为雷射公司的机会的重要性。

电动汽车市场特别出现了新的雷射解决方案，包括蓝色（450nm）和绿色（515nm）激光器，它们擅长加工电池和电动机中使用的许多铜元件。这是因为它们的可见光波长被铜吸收得特别好（蓝色吸收率为65%，绿色吸收率为40%），而红外光纤激光器（1,070nm）的吸收率为5%。因此，可见激光器能够避免使用更高的光纤雷射功率来克服材料反射率所带来的挑战，更高的红外光纤雷射功率可能导致焊接缺陷，例如空隙和飞溅，从而增加电阻率。虽然光纤激光器可以配备可变光束模式或摆动焊接头等技术来帮助减轻这些缺陷，但可见激光器可以在不需要采用此类措施的情况下以较低的功率实现高质量的铜焊缝。

近年来，蓝色激光器已成为焊接电动汽车中使用的许多铜部件的解决方案（图片来源：Nuburu）

蓝色激光器也是焊接不同金属组合的理想选择，例如铜和不锈钢或铜和铝。过去，铜和不锈钢等组合被证明很难用光纤激光器进行焊接，因为会产生金属间相，从而降低焊接接头的完整性。然而，使用蓝色激光器可以在高度均匀的焊缝中最大限度地减少或消除这些金属间相的产生。这并不是说一般光纤激光器不能用于焊接这种材料组合。与铜焊接类似，使用可变光束模式技术可以在一定程度上缓解异种材料焊接的挑战。

持续创新

汽车和雷射行业继续共同发展，各自继续寻找雷射加工的新应用。例如，目前在氢燃料电池生产中，雷射被用于双极板的焊接，氢燃料电池将为未来的重型车辆提供动力，克服电池技术无法提供所需的行驶里程。增材制造和包层也越来越多地被探索，例如优化拓扑结构并减轻结构部件的重量，或涂覆制动盘以提高其耐用性。