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沃尔沃XC60--为激光焊接而设计 |
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作者：Johnny K. Larsson 来源：美国Industrial Laser Solutions杂志 |
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在XC60车身构架上，至关重要的安全区域内存在约10米长的激光焊缝。
去年秋季，在比利时的沃尔沃（Volvo）工厂，最新的跨界休旅车（CUV）XC60系列中的第一台车下线，这有许多值得庆祝的理由。从安全角度来说，大量的创新科技运用于XC60，其中“城市安全（CitySafety）”技术吸引了大量的关注（见图1）。通过以一套先进的传感器和摄像头系统，在时速低于9英里的情况下，汽车在前方出现轿车状障碍物时能够自动停止，而无须驾驶者做出任何反应。在时速低于18英里的情况下速度会显著降低，同样无需驾驶者做出任何动作，从而避免此类的低速碰撞。通过采用这种已经成为XC60标配的“城市安全”，沃尔沃期望能降低高密度城市交通中的事故发生量。这对于驾驶者来说无疑是一大福音，同时将促使XC60拥有者的车辆保险费用有所下降。
图1、沃尔沃城市安全系统的工作原理图
其他值得提及的安全特征还有稳定控制（RSC）、动态稳定拖动控制（DSTC）、侧翻保护系统（ROPS）、颈部保护系统（WHIPS）、车道偏离警告（LDW）、盲点信息系统（BLIS）和驾驶者警示控制（DAC）。即使这些系统无一能避免发生碰撞，XC60的拥有者能依赖于最新一代先进高强度钢（AHSS）制造的车身集成安全结构，该结构具有的拉伸强度达1500MPa，并且采用激光焊接方式连接。XC60车身构架上有约10米长的激光焊缝，但它们并非存在于任何地方，仅被用于和安全相关的关键区域，如A柱、B柱和地板门槛梁上。
设计上的考虑
沃尔沃的管理团队创立的运动多用途车辆（SUV）系列吸引了顾客的广泛关注，并且公司意在为该产品系列的下一代产品寻找独特的细分市场。得到的结果是一个更小、更紧凑，且在材料选择、内饰环境、燃油经济性等方面具有明确环保要求的型号。此外，公司同时还通过大量的新特征进一步增强沃尔沃的安全形象。
项在早期项目概念和预研究阶段增加激光技术应用的提案当时正在讨论当中。所幸的是沃尔沃车身工程部门团队由新一代的年轻工程师组成，它们渴望尝试并实施新技术，这使得该提案得以成为现实。在与来自比利时根特的激光专家合作攻关下，工厂的技术人员计划创造出第一个为利用激光高质量加工优势而设计的车身结构。相比而言，之前的激光焊接应用意在补充或替代传统点焊方式，因此在连接处仅需有很小的外形设计调整。例如沃尔沃XC60车身有10米长的激光焊缝，在表中可分别看到其17处独立焊缝。
创新的激光解决方案
挡风玻璃或A柱的设计是一项棘手的任务，因为它提出了一些互相冲突的要求。一方面，A柱应该具有足够的强度和刚度，作为汽车翻滚事故中的安全保障。但从安全角度来考虑，重要的是A柱应该足够细，以保证驾驶者的视野不受阻碍。该解决方案中，热冲压的硼钢合金部件具有极高的强度，约为1500MPa，它被选为A柱上端的结构横梁（厚度1.7mm）和A柱的上端材料（厚度1.1mm）。这些部件通过激光焊接在一起，每个总长度为680mm，分别位于车身两侧。
通过采用这种超高强度钢（UHSS）材料，相比XC90 型号而言，可能将A柱的横截面减少30mm，这意味着在重量上节约了40%。更小的横截面提升了驾驶者在挡风柱附近的视野。为了增强该特征，用于固定挡风玻璃的凸缘进一步倾斜，这使得传统的点焊操作很难实现操作，因为焊枪无法通过这样一个狭小的空间（见图2）。唯一可行的方案是使用激光焊接。 
今天，每减少一千克的重量对于顾客和社会来说都是有益的，例如，XC60 型号中采用门槛方案（见图3 ）。1.3mm厚度的硼钢被用于XC60门槛梁，这使得其同XC90相比“瘦身”0.7mm，后者采用一种2mm厚度的双相（DP）600钢作为门槛梁材料。
通常来说，车身侧围的面板被拉伸到门槛梁的下凸缘处，通过点焊连接，门槛截面的内侧部分也通过传统点焊连接。在XC60的解决方案中，车身外皮板的切割位置要高出5cm，且与门槛梁在同一平面相吻合。这使得其需要一种单侧的连接操作，因此激光角焊得以应用，通过两段激光焊缝（分别长531和220mm）。该门槛方案所减少的总重量大约为8千克，其中的1.5千克是通过缩减车身侧围实现的。
B柱的结构横梁采用一根1.4mm厚的硼钢组件，通过点焊和一个由1.0mm厚回磷钢组成的内部件相连，所产生的抗拉强度达220MPa。因为在侧面撞击测试中出现的严重的负载状况，在一些点焊缝附近出现了应力集中的现象，从而造成在焊缝处及其附近板材的碎裂。为了解决这一问题，B柱中部的点焊改为使用590mm直径的前凸缘和500mm直径的后凸缘连续激光焊接完成。这些连接点实际上是三层钣金堆叠而成，车身表皮板也采用相同的方式焊接。这意味着激光焊接被作为角焊手段连接车身侧围、外皮和B柱结构横梁，还被用于B柱结构横梁和B柱内侧之间的叠焊应用中（见图4）。
除了上面提到的应用外，车顶和侧围的连接传统上也是通过激光焊接完成的，焊缝非常狭长。这些焊缝之后被PVC材料的薄密封条覆盖，之后再喷涂上油漆。此外车顶板的前端和后段都被焊接于横梁结构件上，并且最终我们在后门缝处找到数个较短的激光焊缝，它们将帮助提升扭转刚度（见图5）。 
激光和焊接工具
为了实现这些激光焊接，根特工厂的GA3 车身车间生产线使用了两台激光焊接加工站。第一台加工站于2005年升级而来，可同时用于激光焊接S60和C30型号的车顶。该加工站配备了两部4kW灯泵浦棒Nd: YAG激光器，配合光纤光路和两台关节式机械臂，加上焊缝跟踪及Permanova激光系统公司提供的压力滚轮工具。第二台加工站是全新的，用于XC60车身日益增加的激光焊接应用中（见图6）。该单元由一台二极管泵浦棒Nd:YAG激光器以及一台二极管泵浦碟片Yr:YAG激光器组成，它们各自都具备4kW激光输出功率。同样是这台加工站，装备了光纤导引的光束分布系统以及安装了焊接工具的两部关节式机械臂。所有的四台机械臂都装备有运动追踪，令第七轴加工成为可能，并为今后产品的其他激光应用提供了进一步的灵活性。该布局确保了完全的备用加工能力及冗余，能预防任何激光中断的情况，并保证GA3 生产线的循环时间为67秒。 
概述及未来前景
从将更多激光技术引入车身制造的角度来看，沃尔沃和其他汽车制造商之间存在着显著的不同。德国的竞争对手几乎只看重如何提升生产率或缩减占地面积，以此作为增加激光焊接车身应用的理由。而在沃尔沃公司，激光焊接从循环时间角度来说，并不是一项需要控制的因素，因为生产瓶颈是由总装线上的其他焊接操作产生的。同样在沃尔沃工厂，现有的工业设施限制了工厂内空间的节省。
因此，沃尔沃积极寻找新激光焊接应用的方法，并通过一种工程思想加以推动，即选择利用激光技术的独特优势，使车身结构能够获得全新的几何设计。竞争对手的“激光解决方案”只能在电阻点焊的帮助下存在，相比之下，沃尔沃则把激光焊接的应用聚焦在采用传统焊接手段的领域，并将在下一代产品计划中进一步发掘其优势。
XC60系列的推出堪称是激光技术用于车身制造的典范。该生产线的下一步将生产S60的后继型号以及一种中型旅行车，它很可能被命名为V60。这两种车身都具备一种介于B柱结构横梁和门槛梁之间的新式连接，而这种概念基于单侧激光焊接技术。在全方位侧面碰撞的情况下，这些激光焊缝相比其他任何连接技术来说，在保护乘客安全空间完整的方面都有更大的优势。该型号的旅行车计划在2010夏季于Torslanda工厂推出；与2007年推出的沃尔沃V70型号类似，它也具备激光焊接的后掀门设计。
本文作者 Johnny K. Larsson（jlarsso1@volvocars.com)是BIW连接技术专员，在瑞典哥德堡的沃尔沃Volvo汽车集团工作。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/10/2009) |
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