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大眾集團(tuán)最早應(yīng)用激光焊接技術(shù)在白車身加工上，對(duì)激光技術(shù)在汽車上的應(yīng)用起到了極大的推廣作用，然而許多人可能不知道，全球排名第一的汽車生產(chǎn)廠商------豐田汽車株式會(huì)社，在激光技術(shù)的方方面面上也有自己的技術(shù)探索與追逐，無(wú)論是激光切割、激光焊接還是激光熔覆、激光淬火，甚至用在自動(dòng)駕駛方面的激光雷達(dá)技術(shù)，豐田都有涉足于其中。

本期會(huì)客室本刊有幸邀請(qǐng)到豐田汽車株式會(huì)社GAZOO賽車品牌發(fā)展部集團(tuán)長(zhǎng)谷中耕平先生，為大家分享激光熔覆技術(shù)與豐田汽車制造背后的故事。

谷中耕平先生

激光熔覆用于氣缸蓋氣門座制造

谷中耕平先生在轉(zhuǎn)去豐田旗下GAZOO事業(yè)部前，曾擔(dān)任豐田表面改造技術(shù)部鍛壓設(shè)備技術(shù)室集團(tuán)長(zhǎng)一職多年，對(duì)激光表面處理有著深刻的理解和見(jiàn)識(shí)。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，谷中耕平先生在采訪時(shí)著重介紹了豐田汽車公司開發(fā)的耐磨合金直接沉積在氣缸蓋氣門座上的激光熔覆技術(shù)。他表示：“與傳統(tǒng)的壓配燒結(jié)閥座相比，這種直接沉積工藝通過(guò)提高導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)提高抗爆震性，同時(shí)通過(guò)增加氣門設(shè)計(jì)靈活性來(lái)改善燃燒效率?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)已在Toyota New Global Architecture發(fā)動(dòng)機(jī)系列中采用，谷中耕平先生進(jìn)一步解釋道，“通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，我們還實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的氣缸蓋設(shè)計(jì)，這能夠幫助我們改善熱效率與功率之間的權(quán)衡關(guān)系?！彼^續(xù)談到：“為了使該技術(shù)能夠作為豐田發(fā)動(dòng)機(jī)陣容中的全球標(biāo)準(zhǔn)得以應(yīng)用，豐田還開發(fā)了一種具有高度可靠設(shè)備的新型節(jié)能制造工藝來(lái)促進(jìn)將該技術(shù)實(shí)施到日本以外的生產(chǎn)工廠?！?/p>

采訪中，谷中耕平先生介紹了：Toyota New Global Architecture（TNGA）是一種豐田的設(shè)計(jì)理念，旨在實(shí)現(xiàn)世界領(lǐng)先的熱效率和特定功率水平。他解釋道：“想要達(dá)成這些目標(biāo)，就需要通過(guò)高速燃燒形成強(qiáng)烈的滾流和降低進(jìn)氣阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這兩個(gè)目標(biāo)通常不能共存。”因此，為了達(dá)成目標(biāo)，需要?jiǎng)?chuàng)新性的閥座設(shè)計(jì)。“傳統(tǒng)的壓配燒結(jié)閥座需要一定的基板厚度才能將閥座固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，從而?duì)端口形狀產(chǎn)生約束并產(chǎn)生壓力損失，”他講到，“然而，采用激光熔覆的閥座讓進(jìn)氣口能被設(shè)計(jì)成直的流路，從而可以在保持高流速的同時(shí)將進(jìn)氣吸入燃燒室?！?/p>

Mirai（日語(yǔ)：未來(lái)）是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市，這個(gè)命名代表了豐田對(duì)新能源汽車未來(lái)市場(chǎng)的看法和信心，2020最新款Mirai是基于豐田的高檔后輪驅(qū)動(dòng)TNGA平臺(tái)完全重新設(shè)計(jì)的，激光熔覆技術(shù)同樣起到了突出作用。

受益于汽業(yè)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展激光熔覆技術(shù)闊步向前

激光熔覆閥座于1997年在豐田日本工廠的生產(chǎn)線上采用，隨后進(jìn)行了批量生產(chǎn)。據(jù)谷中耕平先生表示，豐田是全世界最先擁抱這項(xiàng)技術(shù)的為數(shù)不多的公司之一?！霸谧畛醯倪^(guò)程中，我們只需要通過(guò)固定激光光源、粉末和保護(hù)氣體的加工點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)工件，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔覆質(zhì)量。但是，那時(shí)候的激光熔覆機(jī)非常大，并且當(dāng)時(shí)使用的是二氧化碳激光作為熱源，會(huì)消耗大量能量。由于二氧化碳激光器的轉(zhuǎn)換效率低和介質(zhì)氣體的替代，熔覆設(shè)備的成本不僅很高，而且那時(shí)候設(shè)備中的激光器、粉末和氣體的相對(duì)結(jié)構(gòu)位置非常復(fù)雜?！?/p>

TNGA發(fā)動(dòng)機(jī)系列的全球生產(chǎn)要求減小包層機(jī)的尺寸，降低工藝能耗，并簡(jiǎn)化維護(hù)和控制方法。為了解決這些問(wèn)題，豐田開發(fā)了一種創(chuàng)新的熔覆工藝，來(lái)取代傳統(tǒng)的工件旋轉(zhuǎn)工藝，該工藝使用多個(gè)主軸的同時(shí)控制功能，通過(guò)刀具旋轉(zhuǎn)工藝來(lái)旋轉(zhuǎn)加工點(diǎn)，同時(shí)使用緊湊高效的半導(dǎo)體激光器作為光源。

谷中耕平先生介紹：“緊湊高效的半導(dǎo)體激光器能量密度低，光的能量輸出更為穩(wěn)定，所以在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了溫和的無(wú)濺射目標(biāo)。我們還針對(duì)激光熔覆的送粉設(shè)備進(jìn)行了改善，由于送粉設(shè)備十分精密，如果和工具同步旋轉(zhuǎn)的話，極有可能導(dǎo)致故障，所以我們使用了一種用恒定速率流動(dòng)的載氣輸送粉末，這個(gè)載氣輸送的粉末設(shè)備是我們由傳統(tǒng)的進(jìn)料設(shè)備改造而成，”他進(jìn)一步解釋，“我們把進(jìn)料設(shè)備封閉在一個(gè)氣密的容器中，并設(shè)置了一個(gè)從送粉器到加工點(diǎn)的封閉系統(tǒng)，以防粉末污染。”

上述改進(jìn)措施配合刀具旋轉(zhuǎn)工藝，不僅把機(jī)器占地面積降低到傳統(tǒng)工藝的三分之一以下，還把能耗降低到了傳統(tǒng)方法的五分之一以下。此外，開發(fā)的處理噴嘴可自動(dòng)定位和固定三個(gè)處理元件（激光，粉末和氣體），進(jìn)一步簡(jiǎn)化了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要的維護(hù)和控制。

“未來(lái)，汽車行業(yè)會(huì)越來(lái)越聚焦新能源汽車，作為世界上最早量產(chǎn)混動(dòng)汽車的品牌，豐田在新能源領(lǐng)域也一直在努力嘗試，除了混合動(dòng)力汽車以外，豐田還對(duì)增程插電、氫能源電池汽車進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。而我們?nèi)缟纤龅募す馊鄹布夹g(shù)，不僅可以應(yīng)用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)上，在新能源汽車上也會(huì)大有作為?！惫戎懈较壬缡潜硎荆癕irai（日語(yǔ)：未來(lái)）是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市，這個(gè)命名代表了豐田對(duì)新能源汽車未來(lái)市場(chǎng)的看法和信心，2020最新款Mirai是基于豐田的高檔后輪驅(qū)動(dòng)TNGA平臺(tái)完全重新設(shè)計(jì)的，激光熔覆技術(shù)同樣起到了突出作用?！?/p>

采訪最后，谷中耕平先生表示，相信隨著新能源汽車技術(shù)地不斷發(fā)展，會(huì)對(duì)配套的激光技術(shù)同樣提出許多新的要求，也會(huì)有更多挑戰(zhàn)亟待解決，豐田汽車也會(huì)緊隨技術(shù)與時(shí)代的潮流，結(jié)合自身豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出更多的激光技術(shù)。