Вряд ли кто-то поспорит со специалистами крупнейшего автогиганта России, завода ВАЗ, что самый большой, дорогой и ответственный узел легкового автомобиля — кузов. Он определяет не только основные потребительские свойства (скорость, комфорт, эстетическое восприятие автомобиля в целом и т.д.), но и безопасность водителя и пассажиров [1]. Никто также не будет спорить, что лазерный раскрой позволяет улучшить качество ряда изготавливаемых деталей, а лазерная сварка и пайка не только улучшают конструкционные характеристики автомобиля и внешний вид сварного шва, но и сокращают время технологических циклов. Однако понятно, что внедрение новых технологических процессов в поточное производство связано с применением новых конструкционных материалов, с изменениями как в проектной документации, так и в дизайне автомобиля, а также с проведением огромного количества испытаний и согласований. Во многом поэтомуи российские, и мировые автомобильные концерны не имеют возможности быстро внедрять новые технологии в производство. От первого появления идеи до внедрения новой технологии в поточные линии может пройти и три и четыре года. К сожалению, российские автогиганты по-прежнему отстают от мировой практики, несмотря на то, что начали использовать лазерные технологии. Данный обзор содержит примеры внедрения лазерных технологий в мировом автомобилестроении (по материалам журнала Industrial Laser Solutions [2] ).
В автомобильной промышленности лазеры используются в следующих приложениях: раскрой на стадии заготовки, лазерная маркировка деталей, сварка, пайка. Первые два процесса уже получили распространение на автомобильных производствах России. Технологии лазерной сварки и пайки пока остаются на стадии проработки и изучения, но в поточные линии не внедрены.
РЕЗКА. Выбор оборудования
Марка американских грузовиков Freightliner в России знакома многим, но мало кто знает, что в производстве кабин этих тяжеловозов лазерные технологии начали использоваться с 90-х годов прошлого века. Тогда это была сварка алюминиевых деталей кабины с помощью 4 кВт Nd:YAG лазера, ставшая практически ноу-хау производителей. В начале нового тысячелетия Freightliner внедрил наплавку, а теперь и раскрой листового металла.
Сегодня Freightliner LLC (с 1981 г. входит в концерн Даймлер-Бенц) является крупнейшим производителем тяжелых грузовиков в Северной Америке, известен как производитель средних грузовиков, и школьных автобусов, а также шасси под заказ. Freightliner производит полный спектр компонентов и запасных частей от деталей кузова, штампованных из листового металла, до тяжелых литых деталей шасси. Заводы имеют полный комплект собственного оборудования и станков: лазерные, координатно-пробивные, сварочное оборудование, оборудование для нанесения покрытий электролитическим методом, линии окрашивания и многое другое. На производстве установлено 10 лазеров, первый из которых появился в 1994 году, а два наиболее новых лазера Mitsubishi в 2006 году.
Выбор лазерного оборудования был сделан сотрудниками завода после тщательного анализа. В 2004 году на заводе был образован комитет для решений задач, типичных для любого производства: рост производительности, сокращение затрат на обслуживание устаревающего оборудования, времени простоев и т.д. Помимо увеличения скорости резки, надежности и простоты обслуживания, заводчане поставили задачу найти компанию интегратора, способную не просто поставить новое оборудование, но и оказать услуги по ремонту и обслуживанию уже имеющегося.
В комитет вошли представители инженерных, эксплуатационных и ремонтных служб всех предприятий концерна, которые составили списки из обязательных и желательных позиций и список рассматриваемых производителей. Далее была проделана работа по сверке позиций, результатом которой стали окончательные рекомендации по закупкам.
Была предпринята серия поездок, чтобы посмотреть оборудование в работе. Одна из них совпала с остановкой станка для ремонта. Члены комитета увидели открытый резонатор, который им не понравился. На другом предприятии положительное впечатление оставила система управления и автоматизация погрузки – разгрузки станка. На заводе со станком Mitsubishi, члены комиссии отметили простоту обслуживания, актуальные для Freightliner решения, позволяющие избежать проблем с фокусировкой. Особенное впечатление произвело сообщение владельца предприятия о ежегодном апгрейде лазеров и полной окупаемости такого подхода.
На основании полученной информации был проведен сравнительный анализ технических и эксплуатационных характеристик и составлен отчет. В 2006 году была проведена закупка 2 и 4 кВт лазерных станков Mitsubishi.
Новые лазеры были способны резать более толстые материалы с более высокой скоростью, что позволило Freightliner начать планировать следующую замену старых станков.
СВАРКА И ПАЙКА
При разработке новой модели кабриолета С70 у концерна Volvo возросли требования к прочностным и конструкционным характеристикам модели, и прежде всего к его кузову.
Кузов является основным несущим элементом, воспринимающим нагрузку, которая передается ему от колес через элементы подвески. Кроме того, на кузов действуют силы тяжести самого автомобиля, водителя и пассажиров, а также давление ветра. В процессе эксплуатации кузов также подвергается действию атмосферных осадков. Наряду с этим форма кузова, его поверхность и окраска должны отвечать современным эстетическим требованиям. И все эти проблемы встали особенно остро перед разработчиками С70.
Для создания модели была разработана совершенно новая структура кузова, и разработчикам и технологам пришлось подумать о внедрении в поточную линию новых технологических процессов сборки, одним из которых стала лазерная сварка и пайка, позволившая получить косметически идеальный шов, не требующий шлифовки.
С70 разрабатывалась не на базе 850 платформы, на которой была построена предыдущая модель Volvo, а на базе также уже существовавшей платформы С1/Р1, используемой для Ford Focus и Mazda 3. Одной из проблем оказалось создание трехсекционной складной жесткой крыши, поскольку С70 была призвана заменить старые модели купе и кабриолета, соединив в себе все их преимущества. Новый проект, от разработки продукта, проектирования, дизайна и до производства, был осуществлен совместным предприятием Volvo Cars и итальянской Pininfarina. Производство разместилось на шведском заводе в Uddevalla, прежде выпускавшем старую модель С70. Именно на базе этого завода решили внедрить новые технологии лазерной сварки и пайки, позволившие сделать качественный скачок в технологии производства.
Улучшенный дизайн, использование в кузове в качестве конструкционного материала высокопрочной стали, наличие почти 11 м лазерной сварки и 0,2 м лазерной пайки – все это позволило добиться поразительных результатов с точки зрения конструкционных и прочностных характеристик нового автомобиля. Угловая жесткость кузова на скручивание увеличилась в 2,5 раза по сравнению со старой С70, при этом собственная масса была снижена в 2,7 раза. Ключевые элементы, отвечающие за угловую жесткость – это порог, передняя рама бокового стекла, переднее и заднее ребра жесткости, задний фартук.
Лазерная сварка была применена в четырех процессах, лазерная пайка в одном. В каждом конкретном случае был разработан отдельный подход к применению лазера (Таблица 1).
Таблица 1
Приложение Процесс Задача Инструментарий Нижний шов порога (сварка наружной и внутренней части порога) Лазерная сварка Оптимизация угловой жесткости кузова на скручивание и изгиб Лазерная сварка с системой наведения на стык и двойным роликом (Permanova WT03PD ST) Верхний шов порога (сварка наружной и внутренней части порога) Лазерная сварка Оптимизация угловой жесткости кузова на скручивание Лазерная сварка с системой наведения на стык и двойным роликом Сварка заднего крыла с внешней частью порога Лазерная сварка Сварка при возможности доступа с одной стороны Лазерная сварка с системой наведения на стык и одним роликом Сварка стойки рамы лобового стекла (сварка наружной и внутренней штампованной части) Лазерная сварка Доступ с одной стороны Лазерная сварка с прижимным устройством Сварка стойки рамы ветрового стекла и поперечного ребра жесткости Лазерная пайка Видимый шов Scansonic ALO1
Применение лазера для сварки верхнего и нижнего швов, соединяющих внешнюю и внутреннюю часть порога, позволило внести существенные изменения в конструкцию самого порога, уменьшив размер свариваемых бортиков, при этом увеличив поперечное сечение порога
Получение качественного сварного шва при доступе с одной (внешней) стороны дало возможность применить лазер при сварке заднего крыла с внешней частью порога, а лазерную пайку – для соединения наружной части стойки рамы с поперечным ребром жесткости лобового стекла.
Лазерная установка Permanova
Сначала запланированный выпуск был на довольно низком уровне – лишь 17000 машин в год, что, правда, было в два раза больше, чем выпуск предыдущей модели. Таким образом, продолжительное время цикла, немногим более 4 минут, сделало возможным применение лазеров для сварки кузова.
Интегратором лазерного сварочного поста стала компания Permanova Lasersystem (разработчик лазерного проекта предыдущей модели). Пост был оборудован 4 кВт Ng:YAG лазером с ламповой накачкой производства TRUMPF, оснащенного четырьмя выходными волокнами для доставки лазерного излучения до места сварки и одним запасным волокном для быстрой замены в случае выхода волокна из строя. На волокна были установлены четыре различные головки, размещенные на три робота АВВ.
Первые два робота с каждой стороны сваривали верхний и нижний шов порожка. Каждый из них был оснащен сварочной головкой Permanova с парой прижимных роликов, способных создавать давление с силой до 1600 Н, и устройством слежения для сварки внахлест. Система следила за кромкой верхнего материала, лазерный луч наводился непосредственно на кромку. Те же головки приваривали заднее крыло внахлест с порожком. При этом один из прижимных роликов складывался, и сварка производилась в обычном режиме с одним роликом. Специалисты знают, что толщина свариваемых деталей в этих двух процессах различна, поэтому сварочная головка была оснащена приводом, позволившим менять положение фокуса от -10 до +20 мм.
На третий робот было установлено две головки – одна сварочная головка Permanova с двумя независимыми управляемыми щупами для сварки в обоих направлениях и головка Scansonic для пайки с присадочной проволокой CuSi3. Головка Permanova использовалась для сварки верхней части передней стойки рамы ветрового стекла к штампованной стойке, а головка Scansonic - для пайки верхней части стойки к поперечному усилителю. Этот шов располагается на видимой части кузова. Результат пайки не требует дополнительных операций зачистки и шлифовки и остается на автомобиле «как есть» после пайки.
Время лазерного цикла 250 с было значительно сокращено – до 204 с благодаря оптимизации переключения лазерного излучения с одной головки на другую, когда в момент окончания одного шва другой робот уже находился в стартовой позиции.
Проблемы интеграции
В проекте с С70 VolvoCars и Peninfarina столкнулись с рядом задач, каждая из которых была «номером первым».
- Трехсекционная жесткая крыша, призванная совместить черты старого купе и кабриолета;
- Переход от старой 850 платформы к платформе C1/P1 Ford/Mazda;
- Внедрение лазерной пайки с присадочной проволокой в поточную линию;
- Внедрение в поточную линию лазерной сварки довольно толстостенных деталей, от которых сильно зависят прочностные характеристики автомобиля;
- Вновь использование двух лазерных процессов в кузовном производстве (в производстве старой модели С70 использовались резка и сварка в одном лазерной посту).
Ларс Эрик Янссон, ведущий специалист в проекте нового С70, отметил, что с точки зрения автомобилестроения, основные проблемы должны быть связаны с разработкой самого автомобиля, а не с изобретением и применением новых потенциально рискованных технологических процессов. Однако он добавил, что лазерные процессы (сварка и пайка) были несомненно ключевыми во всей истории с новой моделью, Таким образом Volvo/Peninfarina добились нескольких значимых результатов.
- Технически и коммерчески оправданный менеджмент лазерного проекта со стороны проверенного интегратора;
- Применение инновационного подхода к разработке и использованию лазерного инструментария;
- Профессиональные знания и подход интегратора к управлению всеми частями системы, включая лазерные процессы и связь с системами управления поточной линией;
- Высоко квалифицированная поддержка со стороны интегратора с коротким временем реакции на запросы.
Основными требованиями к интегратору оказались гибкость подхода к проектированию системы и инструментария и их скорость реакции на изменения в проекте. Например, третий робот интеграторам пришлось добавить практически в последнюю минуту, чтобы реализовать последние изменения в дизайне кузова, а запуск и вывод на запланированную производительность новой линии потребовали от интегратора внеплановых работ во внеурочное вечернее время и в выходные дни для проведения многочисленных тестов.
В целом Volvo/Peninfarina считают проект успешным. В результате не только была создана поточная линия для производства нового кабриолета С70 с жесткой крышей, но и модифицированы лазерные головки, созданы автоматизированные системы фокусировки, позволившие адаптировать параметры фокусировки под сварку материалов различной толщины. Разработчики добились использования оптимального количества инструментов и сокращения ЗИПа.
Недостатки лазерной сварки
- Высокие инвестиционные затраты на полностью оснащенную роботизированную лазерную сварочную ячейку. Поэтому очень важно, чтобы новый дизайн кузова позволил бы получить более высокие прочностные характеристики и потребительские качества, чтобы оправдать эти вложения.
- Более высокие требования к допускам свариваемых деталей при лазерной сварке. К пайке это, надо сказать, не относится. Скорее наоборот, процесс пайки с наведением на стык позволяет соединять детали с довольно низкими допусками.
- Поскольку лазерная сварка – довольно новый метод, не все методики ремонта швов пригодны, имеются специфические технологии, которыми и следует пользоваться.
Автопроизводители, использующие лазерную сварку и пайку
В основном лазерная сварка применяется для внутренних соединений. Внешние же швы, для которых важна как прочность, так и косметика, - крыша, багажник и т.д. - выполняются методом лазерной пайки.
Хотя первую строку в списке пока занимают европейские автоконцерны, от Европы не отстают и Азия и Северная Америка. В этот список входят Nissan, Toyota, Hyundai, так же как GM, Ford Motor Co., DaimlerChrysler.
Например, в моделях ряда Ford 500® и Freestyle® используется сварка крыши, а в настоящее время Ford рассматривает внедрение сварочных технологий в поточную линию модели пикапа F-150® с годовым объемом выпуска 850 000 шт.
Возвращаясь к европейским производителям, надо отметить деятельность концернаVolkswagen (VW). Несмотря на то что они несколько опоздали с внедрением лазерных технологий в производство по сравнению с Volvo Cars и BMW, но успешно перешагнули через этап использования СО2 лазеров и в 1990 году сразу внедрили более эффективные Nd:YAG. Например, в пятой модели Golf® около 70 м лазерного шва.
Хотя первоначально и до сих пор широко используются лазеры с ламповой накачкой, надо заметить, что в настоящее время европейские производители переходят на волоконные лазеры.
Мария Степанова,
к.ф.м.н.,
mst@scansonic.ru
Литература
- Журнал "Автомобильная промышленность", 2004 год, № 12
УДК 629.114.6:11.011.5/.7 А. Н. Пушков, к. т. Н. Д.Г. Рузаев, ВАЗ - Industrial Laser Solutions # 4, 2008
<"