Essendo il supporto per le altre parti dell'auto, la tecnologia di produzione della carrozzeria determina direttamente la qualità complessiva del veicolo. Nel processo di fabbricazione della carrozzeria, la saldatura è un processo produttivo fondamentale. Le tecnologie di saldatura attualmente utilizzate per la carrozzeria includono principalmente la saldatura a punti per resistenza, la saldatura MIG (Magneto Inerte con Protezione Gas) e la saldatura MAG (Magneto Attivo con Protezione Gas), nonché la saldatura laser.
Rispetto alle tradizionali tecnologie di saldatura per carrozzerie automobilistiche, la saldatura laser, in quanto tecnologia di saldatura avanzata con integrazione ottico-meccanica, presenta i vantaggi di un'elevata densità di energia, una velocità di saldatura elevata, basse sollecitazioni e deformazioni, nonché una buona flessibilità.
La struttura della carrozzeria di un'automobile è complessa e i suoi componenti sono principalmente a parete sottile e curvi. La saldatura della carrozzeria si confronta con difficoltà quali la variabilità dei materiali, lo spessore variabile dei componenti, le diverse traiettorie di saldatura e le varie forme di giunzione. Inoltre, la saldatura della carrozzeria automobilistica impone elevati requisiti in termini di qualità ed efficienza.
Grazie a parametri di processo di saldatura adeguati, la saldatura laser garantisce un'elevata resistenza alla fatica e alla tenacità all'impatto dei componenti chiave della carrozzeria, assicurando così la qualità e la durata delle saldature. La tecnologia di saldatura laser si adatta alla saldatura di componenti della carrozzeria con diverse forme di giunzione, spessori e tipologie di materiale, soddisfacendo l'esigenza di flessibilità nella produzione di carrozzerie. Pertanto, la tecnologia di saldatura laser rappresenta un importante strumento tecnico per raggiungere uno sviluppo di alta qualità nell'industria automobilistica.
Processo di saldatura laser per carrozzerie automobilistiche
Principio del processo di saldatura a fusione profonda laser: quando la densità di potenza del laser raggiunge un certo livello, la superficie del materiale vaporizza, formando un foro passante. Quando la pressione del vapore metallico all'interno del foro raggiunge l'equilibrio dinamico con la pressione statica e la tensione superficiale del liquido circostante, il laser può irradiare attraverso il foro passante fino al fondo del foro e, con il movimento del raggio laser, si forma una saldatura continua. Nel processo di saldatura a fusione profonda laser, non è necessario aggiungere flussi ausiliari o materiale d'apporto per saldare insieme i materiali del pezzo.
La saldatura ottenuta mediante fusione laser profonda è generalmente liscia e diritta, con una minima deformazione, il che contribuisce a migliorare la precisione di fabbricazione della carrozzeria. L'elevata resistenza alla trazione della saldatura garantisce la qualità della saldatura della carrozzeria. La velocità di saldatura è elevata, il che contribuisce a migliorare l'efficienza produttiva del processo di saldatura.
Nel processo di saldatura della carrozzeria automobilistica, l'utilizzo della saldatura laser a fusione profonda (DFO) può ridurre significativamente il numero di componenti, stampi e attrezzature di saldatura, diminuendo così il peso della carrozzeria e i costi di produzione. Tuttavia, la saldatura DFO è meno tollerante al gioco di assemblaggio dei componenti da saldare, che deve essere controllato tra 0,05 e 2 mm. Se il gioco di assemblaggio è eccessivo, si verificano difetti di saldatura come la porosità.
Le ricerche attuali dimostrano che nella saldatura di carrozzerie automobilistiche dello stesso materiale, ottimizzando i parametri del processo di saldatura laser a fusione profonda, è possibile ottenere una saldatura con una buona formazione superficiale, un minor numero di difetti interni ed eccellenti proprietà meccaniche. Le eccellenti proprietà meccaniche della saldatura possono soddisfare i requisiti di utilizzo dei componenti saldati delle carrozzerie automobilistiche. Tuttavia, nella saldatura di leghe di alluminio e acciaio, in quanto rappresentante del processo di saldatura laser a fusione profonda di metalli eterogenei, il processo non è ancora maturo. Sebbene l'aggiunta di uno strato di transizione possa ottenere prestazioni di saldatura eccellenti, il meccanismo di influenza dei diversi materiali dello strato di transizione sullo strato intermetallico e il suo effetto sulla microstruttura del meccanismo di saldatura non sono chiari e necessitano di ulteriori studi approfonditi.
Processo di saldatura a filo laser per carrozzeria automobilistica
Il processo di saldatura laser con materiale d'apporto si basa sul seguente principio: la giunzione saldata viene formata pre-riempiendo la saldatura con un filo specifico o alimentando il filo simultaneamente durante il processo di saldatura laser. Questo equivale ad alimentare una quantità approssimativamente omogenea di materiale d'apporto nel bagno di saldatura durante la saldatura laser a fusione profonda. Il diagramma seguente illustra il processo di saldatura laser con materiale d'apporto.
Rispetto alla saldatura laser a fusione profonda, la saldatura laser con materiale d'apporto presenta due vantaggi nella saldatura di carrozzerie automobilistiche: in primo luogo, può migliorare significativamente la tolleranza del gioco di assemblaggio tra le parti della carrozzeria da saldare e risolvere il problema dell'elevato spazio di smusso richiesto dalla saldatura laser a fusione profonda; in secondo luogo, può migliorare la distribuzione del materiale nell'area di saldatura utilizzando fili con diversa composizione e quindi regolare le prestazioni della saldatura.
Nel processo di produzione delle carrozzerie automobilistiche, la saldatura laser a riempimento viene utilizzata principalmente per saldare parti in lega di alluminio e acciaio. In particolare, nella saldatura di parti in lega di alluminio, la bassa tensione superficiale del bagno di fusione può facilmente causare il collasso del bagno stesso. La saldatura laser a riempimento, invece, risolve efficacemente questo problema grazie alla fusione del filo durante il processo di saldatura laser.
Processo di brasatura laser della carrozzeria automobilistica
Il processo di brasatura laser si basa sul seguente principio: utilizzando un laser come fonte di calore, il raggio laser viene focalizzato e irradiato sulla superficie del filo, il filo si fonde, il filo fuso cola e riempie il pezzo da saldare, e si verificano effetti metallurgici come fusione e diffusione tra il materiale di brasatura e il pezzo, unendoli così. A differenza del processo di saldatura laser a riempimento, il processo di brasatura laser fonde solo il filo e non il pezzo da saldare. La brasatura laser offre una buona stabilità di saldatura, ma la resistenza alla trazione della saldatura risultante è bassa. La Figura 3 mostra l'applicazione del processo di brasatura laser nella saldatura del coperchio del vano bagagli di un'automobile.
Nel processo di saldatura della carrozzeria, la brasatura laser viene utilizzata principalmente per saldare le parti che non richiedono un'elevata resistenza del giunto, come ad esempio la saldatura tra il tettuccio e le fiancate, la saldatura tra la parte superiore e inferiore del coperchio del bagagliaio, ecc. Il tettuccio di VW, Audi e altri modelli di fascia media e alta viene saldato con il processo di brasatura laser.
I principali difetti riscontrati nelle giunzioni brasate al laser delle carrozzerie automobilistiche includono erosione dei bordi, porosità, deformazione della saldatura, ecc., e tali difetti possono essere significativamente ridotti regolando i parametri di processo e utilizzando la brasatura laser multifocale.
Processo di saldatura laser-arco per materiali compositi di carrozzerie automobilistiche
Il principio del processo di saldatura composita laser-arco è il seguente: due fonti di calore, laser e arco, agiscono simultaneamente sulla superficie del pezzo da saldare, fondendo e solidificando il materiale per formare un cordone di saldatura. Il diagramma sottostante illustra il processo di saldatura laser-arco.
La saldatura composita laser-arco combina i vantaggi della saldatura laser e della saldatura ad arco: in primo luogo, grazie all'azione di due fonti di calore, è possibile aumentare la velocità di saldatura, ridurre l'apporto termico e la deformazione del cordone di saldatura, mantenendo le caratteristiche della saldatura laser; in secondo luogo, offre una migliore capacità di unione e una maggiore tolleranza per gli spazi di assemblaggio; in terzo luogo, la velocità di solidificazione del bagno fuso è più lenta, il che favorisce l'eliminazione di pori, cricche e altri difetti di saldatura, migliorando l'organizzazione e le prestazioni della zona termicamente alterata; in quarto luogo, grazie all'arco, è in grado di saldare materiali con elevata riflettività e alta conduttività termica, con una gamma più ampia di materiali applicabili.
Nel processo di produzione della carrozzeria, la saldatura composita laser-arco viene utilizzata principalmente per saldare componenti in lega di alluminio e metalli dissimili come leghe di alluminio e acciaio. La saldatura viene eseguita anche in corrispondenza di fessure di assemblaggio di parti di grandi dimensioni, come ad esempio le portiere, poiché tali fessure favoriscono le prestazioni di saldatura composita laser-arco. Inoltre, la tecnologia di saldatura composita laser-MIG viene applicata anche alla trave laterale del tetto della carrozzeria Audi.
Nel processo di saldatura della carrozzeria automobilistica, la saldatura laser-arco composita presenta il vantaggio di una maggiore tolleranza di gap rispetto alla saldatura laser singola; tuttavia, la saldatura laser-arco composita richiede un'attenta valutazione della posizione relativa del laser e dell'arco, dei parametri di saldatura laser, dei parametri dell'arco e di altri fattori. Il comportamento del trasferimento di calore e massa nel processo di saldatura laser-arco è complesso, in particolare la regolazione energetica della saldatura di materiali eterogenei e il meccanismo di regolazione dello spessore e della struttura degli intermetallici (IMC) sono ancora poco chiari e richiedono ulteriori approfondimenti.
Altri processi di saldatura laser per carrozzerie automobilistiche
La saldatura laser a fusione profonda, la saldatura laser con materiale d'apporto, la brasatura laser e la saldatura laser-arco composita, insieme ad altri processi di saldatura, vantano una teoria consolidata e un'ampia gamma di applicazioni pratiche. Con l'aumento dei requisiti di efficienza nella saldatura della carrozzeria da parte dell'industria automobilistica e la crescente domanda di saldatura di materiali dissimili nella produzione di componenti leggeri, la saldatura laser a punti, la saldatura laser a oscillazione, la saldatura a fasci laser multipli e la saldatura laser in volo hanno acquisito sempre maggiore importanza.
Processo di saldatura a punti laser
La saldatura laser a punti è una tecnologia di saldatura laser avanzata che offre notevoli vantaggi in termini di velocità e precisione. Il principio di base della saldatura laser a punti consiste nel focalizzare il raggio laser su un punto della parte da saldare, in modo che il metallo in quel punto si fonda istantaneamente. Regolando la densità del laser per ottenere un effetto di saldatura per conduzione termica o per fusione profonda, quando il raggio laser si arresta, il metallo fuso rifluisce, si solidifica e forma un giunto.
Esistono due forme principali di saldatura laser a punti: la saldatura laser a punti pulsata e la saldatura laser a punti continua. Nella saldatura laser a punti pulsata, il raggio laser ha un'elevata energia di picco, ma un tempo di azione breve, ed è generalmente utilizzata per la saldatura di metalli leggeri come leghe di magnesio e leghe di alluminio. Nella saldatura laser a punti continua, il raggio laser ha un'elevata potenza media e un lungo tempo di azione, ed è utilizzata principalmente per la saldatura dell'acciaio.
Nella saldatura di carrozzerie automobilistiche, rispetto alla saldatura a punti per resistenza, la saldatura a punti laser offre i vantaggi di essere senza contatto e di consentire la progettazione personalizzata della traiettoria di saldatura, soddisfacendo così l'esigenza di saldature di alta qualità anche in presenza di diverse sovrapposizioni di materiali della carrozzeria.
Processo di saldatura a oscillazione laser
La saldatura laser a oscillazione è una nuova tecnologia di saldatura laser proposta negli ultimi anni che ha riscosso un ampio interesse. Il principio di questa tecnologia consiste nell'ottenere un'oscillazione rapida, ordinata e di piccola entità del raggio laser integrando uno specchio oscillante nella testa di saldatura laser, realizzando così l'effetto di agitazione del raggio durante l'avanzamento nel processo di saldatura.
Le principali traiettorie di oscillazione nel processo di saldatura laser oscillante includono: oscillazione trasversale, oscillazione longitudinale, oscillazione circolare e oscillazione infinita. Il processo di saldatura laser oscillante presenta vantaggi significativi nella saldatura di carrozzerie automobilistiche, poiché lo stato di flusso del bagno di fusione viene modificato in modo significativo dall'oscillazione del raggio laser, consentendo così di eliminare i difetti di fusione, ottenere un affinamento della grana e sopprimere la porosità nella saldatura dello stesso materiale della carrozzeria, e migliorare i problemi di miscelazione insufficiente di materiali diversi e di scarse proprietà meccaniche del cordone di saldatura nella saldatura di materiali dissimili per carrozzerie automobilistiche.
Processo di saldatura a fasci laser multipli
Attualmente, i laser a fibra possono essere utilizzati per suddividere un singolo raggio laser in più raggi laser tramite un modulo di divisione del fascio installato nella testa di saldatura. La saldatura a fasci laser multipli equivale ad applicare più fonti di calore nel processo di saldatura. Regolando la distribuzione dell'energia del raggio, i diversi raggi possono svolgere funzioni diverse, ad esempio: il raggio con maggiore densità di energia è il raggio principale, responsabile della saldatura profonda; il raggio secondario con minore densità di energia può pulire e preriscaldare la superficie del materiale e aumentare l'assorbimento dell'energia del raggio laser da parte del materiale stesso.
Il processo di saldatura a fasci laser multipli può migliorare il comportamento di evaporazione del vapore di zinco e il comportamento dinamico del bagno di fusione durante la saldatura di lamiere di acciaio zincato, ridurre il problema degli spruzzi e aumentare la resistenza alla trazione del cordone di saldatura.
processo di saldatura laser in volo
La tecnologia di saldatura laser a deflessione (Laser Flight Welding, Laser Flight Welding) è una nuova tecnologia di saldatura laser caratterizzata da un'elevata efficienza e dalla possibilità di progettare autonomamente la traiettoria di saldatura. Il principio di base della Laser Flight Welding consiste nel fatto che, quando il raggio laser incide sugli specchi X e Y dello specchio di scansione, l'angolo dello specchio viene controllato tramite programmazione autonoma per ottenere la deflessione del raggio laser in qualsiasi angolazione.
Tradizionalmente, la saldatura laser delle carrozzerie automobilistiche si basa principalmente su un robot di saldatura che aziona la testa di saldatura laser con un movimento sincrono per ottenere l'effetto di saldatura. Tuttavia, il movimento alternato ripetitivo del robot di saldatura limita fortemente l'efficienza della saldatura delle carrozzerie a causa dell'elevato numero di saldature e della loro lunghezza. Al contrario, la saldatura laser in volo può essere realizzata entro un certo raggio semplicemente regolando l'angolo del riflettore. Pertanto, la tecnologia di saldatura laser in volo può migliorare significativamente l'efficienza della saldatura e ha ampie prospettive di applicazione.
Riepilogo
Con lo sviluppo dell'industria automobilistica, il futuro della tecnologia di saldatura della carrozzeria continuerà a evolversi sia nel processo di saldatura che nella tecnologia intelligente.
La carrozzeria delle automobili, in particolare quella dei veicoli a energia alternativa, si sta evolvendo verso la riduzione del peso. Leghe leggere, materiali compositi e materiali eterogenei saranno sempre più utilizzati nella produzione di carrozzerie, ma i processi di saldatura laser convenzionali faticano a soddisfare i requisiti di saldatura; pertanto, processi di saldatura efficienti e di alta qualità rappresenteranno la tendenza di sviluppo futura.
Negli ultimi anni, i processi di saldatura laser emergenti, come la saldatura laser a oscillazione, la saldatura a fasci multipli di laser, la saldatura laser in volo, ecc., sono stati oggetto di ricerche teoriche e di esplorazione dei processi iniziali in termini di qualità ed efficienza della saldatura. In futuro, sarà necessario integrare strettamente i processi di saldatura laser emergenti con i materiali leggeri per carrozzerie automobilistiche, la saldatura di materiali eterogenei e altri scenari, approfondendo la progettazione della traiettoria di oscillazione del fascio laser, il meccanismo di azione energetica dei fasci multipli di laser e il miglioramento dell'efficienza della saldatura in volo, al fine di sviluppare un processo di saldatura per carrozzerie automobilistiche leggere maturo.
La tecnologia di saldatura laser per carrozzerie automobilistiche si sta integrando sempre più con le tecnologie intelligenti. Il rilevamento in tempo reale dello stato di saldatura laser e il controllo a feedback dei parametri di processo rivestono un ruolo decisivo per la qualità della saldatura. L'attuale tecnologia di saldatura laser intelligente viene utilizzata principalmente per la pianificazione e il tracciamento della traiettoria di saldatura e per il controllo qualità post-saldatura. La ricerca, sia nazionale che internazionale, sul rilevamento dei difetti di saldatura e sulla regolazione adattiva dei parametri è ancora agli albori e la tecnologia di controllo adattivo dei parametri del processo di saldatura laser non è ancora stata applicata nella produzione di carrozzerie automobilistiche.
Pertanto, per l'applicazione della tecnologia di saldatura laser nelle caratteristiche del processo di saldatura della carrozzeria automobilistica, in futuro si dovrebbe sviluppare un sistema di rilevamento intelligente avanzato con sensori multipli per la saldatura laser e un sistema di controllo robotizzato ad alta velocità e alta precisione per garantire che la tecnologia di saldatura laser intelligente, in tempo reale e con precisione in ogni fase, attraverso il collegamento "pianificazione della traiettoria pre-saldatura - controllo adattivo dei parametri di saldatura - ispezione online della qualità post-saldatura", garantisca un'elevata qualità e un'elaborazione efficiente.
L'azienda Maven Laser Automation opera nel settore laser da 14 anni ed è specializzata nella saldatura laser. Disponiamo di saldatrici laser robotizzate, saldatrici laser automatiche da tavolo e saldatrici laser portatili, oltre a macchine per il taglio laser e per la marcatura e incisione laser. Abbiamo realizzato numerose soluzioni di saldatura laser e, se siete interessati, non esitate a contattarci.
Data di pubblicazione: 9 dicembre 2022
