雖然激光加工現(xiàn)在已經(jīng)廣泛參與到汽車生產(chǎn)中，并且樹立了其良好的地位，然而每年持續(xù)不斷開發(fā)出的新激光技術(shù)，正在讓汽車這一激光應(yīng)用的核心市場(chǎng)領(lǐng)域進(jìn)一步受益。激光及其衍生的一些技術(shù)，例如金屬 3D 打印和一些輕質(zhì)材料（如塑料等）的焊接技術(shù)，正在讓汽車制造商們可以針對(duì)性地對(duì)其生產(chǎn)的零件進(jìn)行調(diào)整，或者考慮采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同樣地，如何優(yōu)化當(dāng)前汽車工業(yè)中使用的生產(chǎn)工藝和零件對(duì)從業(yè)者們來(lái)說(shuō)是非常重要的，這也是當(dāng)前正值開發(fā)過(guò)程的許多新的表面處理技術(shù)正在尋求解決的問(wèn)題。
制作耐磨熱沖壓工具
Felix Spranger 和他在德國(guó)聯(lián)邦材料研究與測(cè)試學(xué)院（BAM）焊接技術(shù)系的同事分享了他們使用激光表面處理來(lái)解決熱沖壓模具在汽車生產(chǎn)中使用時(shí)的持續(xù)性問(wèn)題。通過(guò)熱沖壓，可以使高強(qiáng)度鋼板（通常是 22MnB5 硼錳鋼）被制成具有高剛度和低重量的組件。近年來(lái)，該技術(shù)已越來(lái)越多地被汽車 OEM 制造商應(yīng)用于生產(chǎn)車輛的車身結(jié)構(gòu)中的輕型組件上。
為了確保腐蝕防護(hù)同時(shí)避免形成氧化皮，所用于加工的鋼板均涂有 Al-Si 層。然而，根據(jù) Spranger 的說(shuō)法，為了讓這種涂層有效地形成，需要把鋼加熱到 800℃以上，所以這很可能會(huì)導(dǎo)致所用成型工具上的大量粘合劑磨損，除了會(huì)大大降低了鋼板的使用壽命以外，還會(huì)降低使用它們所制成的零件的涂層質(zhì)量。
他繼續(xù)說(shuō)，“因此，熱沖壓模具的返工會(huì)需要花費(fèi)大量時(shí)間和成本。制造業(yè)必須想辦法避免這種情況，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的沖壓車間中，這是一個(gè)非常主要的問(wèn)題。”
研究人員們計(jì)劃使用一種稱為激光植入的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該技術(shù)主要為——使用脈沖激光在表面內(nèi)使表面局部分散出鈦化合物（例如 TiN，TiC，TiB2 等鈦化合物制成）的硬陶瓷顆粒，來(lái)產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)從而表現(xiàn)出耐磨性能。通過(guò)使用激光植入技術(shù)，就可以在沖壓工具的表面上產(chǎn)生圓頂狀的微結(jié)構(gòu)，尤其當(dāng)使用 TiB2 顆粒時(shí)，可以提供高達(dá)1600維氏的硬度值。根據(jù) Spranger 的研究，這些微結(jié)構(gòu)已被證明在減少成形工具的磨損方面非常有效。
圖 1. 激光植入工藝原理（來(lái)源：BAM）
他評(píng)論說(shuō)：“通過(guò)采用合適的激光植入表面紋理，我們能夠改善沖壓過(guò)程中的摩擦性能，因?yàn)槲覀兛梢园压ぞ吆桶宀闹g的材料接觸控制在這些離散點(diǎn)上。所以由于高硬度的工具表面，讓磨料減少了磨損，從而使金屬成型過(guò)程更加經(jīng)濟(jì)。”
圖 2. 在熱壓條件下進(jìn)行測(cè)試之前和之后以及植入工具和常規(guī)工具的比較。（來(lái)源：BAM）
圖 3. 在 AISI D2 工具鋼上制造的一個(gè)圓頂形 TiB2 植入物的橫截面（來(lái)源：BAM）
激光植入是一項(xiàng)特別的技術(shù)創(chuàng)新，通常是將兩種截然不同的用于表面處理的方法（表面紋理化和材料優(yōu)化）結(jié)合到一個(gè)處理步驟中。“這也是我們?cè)谶@里研究出的新發(fā)現(xiàn)——同時(shí)具有紋理和耐磨性能，”Spranger 說(shuō)。“我們已經(jīng)在BAM 開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)四年了，目前是該領(lǐng)域唯一的研究機(jī)構(gòu)。我們與 Friedrich-Alexander 大學(xué)的厄蘭根 - 紐倫堡制造技術(shù)研究所的同事們一起，由于對(duì)改善沖壓過(guò)程中摩擦性能的強(qiáng)烈意愿，我們正在全面地開發(fā)該技術(shù)以更好地用于熱沖壓模具。對(duì)于汽車行業(yè)中成型工具的用戶，我們看到了應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力?！?/span>
為了實(shí)現(xiàn)該過(guò)程，研究人員將通常小于 10 μm 的硬質(zhì)陶瓷顆粒噴涂到工具表面。然后，他們使用 IPG 的脈沖光纖激光器將粒子局部分散，以 1.5-15ms 的脈沖持續(xù)時(shí)間，60-180W 的脈沖功率和 100 μm 左右的光斑直徑工作。Spranger說(shuō)：“有了這些激光參數(shù)，我們就可以創(chuàng)建各種表面紋理，例如圓頂形或環(huán)形結(jié)構(gòu)?！?/span>
使用激光植入可以產(chǎn)生多種表面紋理，這也讓該技術(shù)可以適用于除改進(jìn)成型工具以外的其他應(yīng)用。例如，用激光植入創(chuàng)建的環(huán)形結(jié)構(gòu)可被用于涉及潤(rùn)滑劑的機(jī)械應(yīng)用中，因?yàn)闈?rùn)滑劑可存儲(chǔ)在環(huán)的凹口中，隨后可去除接觸點(diǎn)之間的任何磨損碎屑。Spranger 確認(rèn)：“我們可以在覆蓋廣泛的應(yīng)用上使用此技術(shù)，除了成型工具，我們還希望能夠幫助其他復(fù)雜一系列的工具，例如切削工具和齒輪?！?/span>
Spranger 及其同事計(jì)劃將在未來(lái)幾年內(nèi)將其項(xiàng)目擴(kuò)展到工業(yè)中?！澳壳拔覀儧](méi)有任何工業(yè)合作伙伴，但是我們將尋找一些合作伙伴參與到未來(lái)的進(jìn)程中?！彼偨Y(jié)表示，“我們既在尋找可以引入該技術(shù)進(jìn)入行業(yè)的激光公司，也在尋找終端用戶，尤其是那些在可以切切實(shí)實(shí)應(yīng)用該技術(shù)的汽車行業(yè)中的終端用戶?！?/span>
剎車的磨損
比起許多其他汽車零件來(lái)，制動(dòng)盤要承受更多的反復(fù)的機(jī)械載荷。這導(dǎo)致它們產(chǎn)生細(xì)小的顆粒物質(zhì)，從而可能引起環(huán)境問(wèn)題。為了幫助顯著減少此類顆粒的產(chǎn)生和影響，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）和亞琛工業(yè)大學(xué)共同致力于制動(dòng)盤的新涂層工藝。
傳統(tǒng)的制動(dòng)盤通常由含有層狀石墨相的灰口鑄鐵制成。這種材料的優(yōu)點(diǎn)在于其良好的導(dǎo)熱性和較高的熱容量，和這些材料相對(duì)較低的價(jià)格成本。但是，在使用過(guò)程中，它也很容易腐蝕和造成大量材料磨損，從而導(dǎo)致大量細(xì)顆粒物的排放。
被稱為“極速激光材料沉積” （或德語(yǔ)首字母縮寫為“EHLA”）的全新涂層工藝，能夠?yàn)橹苿?dòng)盤提供有效的抗磨損和抗腐蝕保護(hù)，同時(shí)使加工過(guò)程更加快速經(jīng)濟(jì)。
“使用 EHLA 之后，我們涂覆的涂層可以與光盤的基材形成冶金結(jié)合，因此可以非常牢固地附著在制動(dòng)盤上，并且不會(huì)剝落和剝落。”Fraunhofer ILT 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、新流程的創(chuàng)建者之一 Thomas Schopphoven 表示。
在此過(guò)程中，涂料的粉末顆粒直接在激光束中熔化，而不是在部件表面的熔池中熔化——這是激光材料沉積（LMD）的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)楝F(xiàn)在熔池由材料的液滴而不是粉末的固體顆粒進(jìn)料，所以涂覆過(guò)程可以更快，可以從傳統(tǒng) LMD 的每分鐘 0.5-2m 上升到 EHLA 的每分鐘 500m。Schopphoven 補(bǔ)充說(shuō)：“這也減少了被涂材料的高溫浸潤(rùn)?！盓HLA 與傳統(tǒng)的 LMD 不同的是，在傳統(tǒng)的 LMD 中，熱影響區(qū)的深度可以達(dá)到一個(gè)或多個(gè)毫米，而 EHLA 工藝的高溫浸潤(rùn)仍保持在微米范圍內(nèi)。這樣就可以讓使用新的材料組合成為可能，例如鋁涂層或與制動(dòng)盤一樣的鑄鐵合金?！?/span>
圖 4. 涂有 EHLA 工藝的成品制動(dòng)盤（來(lái)源：Buderus Schleiftechnik /HPL Technologies）
低熱量輸入可防止碳從制動(dòng)盤溶解到熔體中，從而避免在涂層和粘結(jié)區(qū)產(chǎn)生脆性相，氣孔、連接缺陷和裂紋。Schopphoven 講到：“現(xiàn)在，是有史以來(lái)第一次可以提供由灰口鑄鐵制成的制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤具有與基礎(chǔ)材料牢固結(jié)合的有效涂層。此外，EHLA 工藝可以使用多達(dá) 90% 的粉末原料。因此，它非常節(jié)省資源，并且更加經(jīng)濟(jì)?？梢赃_(dá)到在工業(yè)化，批量生產(chǎn)環(huán)境中的要求?！?/span>
實(shí)際上，Schopphoven 認(rèn)為 EHLA 的工業(yè)應(yīng)用很快將成為現(xiàn)實(shí)。他說(shuō)：“初步調(diào)查表明，EHLA 工藝能夠可靠地生產(chǎn)傳統(tǒng)由灰鑄鐵制成的制動(dòng)盤的不同材料組合的涂層。亞琛目前正在建設(shè)一種可用于批量生產(chǎn)的系統(tǒng)，其中包括用于改進(jìn)精加工零件的磨削工藝。”
改善功率器件生產(chǎn)
功率設(shè)備是一種負(fù)責(zé)根據(jù)負(fù)載需求精確控制從電源到負(fù)載的電能的組件。從現(xiàn)代機(jī)械和電動(dòng)汽車的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制到轉(zhuǎn)換器以及超緊湊型移動(dòng)電源裝置，功率設(shè)備無(wú)處不在。
隨著電動(dòng)汽車在汽車市場(chǎng)中的地位日益凸顯，大眾汽車等制造商們現(xiàn)在也已開始著手生產(chǎn)電動(dòng)汽車，并計(jì)劃使電動(dòng)汽車在市場(chǎng)中更加普及，所以據(jù)此預(yù)計(jì)，用于電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的動(dòng)力裝置的需求將不斷增長(zhǎng)。
此類功率器件使用碳化硅（SiC）晶圓制成，并設(shè)計(jì)為可以在高電流，高電壓和高溫下工作。 為方便起見，通常在其背面涂有一層金屬，通常是鎳（Ni），目前正通過(guò)被稱為歐姆接觸形成（OCF）的工藝將其連接在一起，以確保金屬層與半導(dǎo)體材料之間的較低的電阻。
圖 5. 3D-Micromac 的歐姆接觸形成工藝設(shè)備：microPRO RTPsystem。
面臨的挑戰(zhàn)是，發(fā)生 OCF 時(shí)，SiC 晶片的正面已經(jīng)完全結(jié)構(gòu)化，因此 SiC 晶片對(duì)高溫非常敏感。在 OCF 期間，需要約 1000℃的溫度才能將鎳連接到 SiC（形成硅化鎳），因此，為了避免損壞晶片的正面，通常使用閃光連接工藝（flashlumps）。 通過(guò)一次閃光，可以在它們正面達(dá)到臨界溫度之前，將通常在 0.5J/cm 2 -4J/cm 2 的范圍內(nèi)足夠量的能量傳輸?shù)骄A的背面。
根據(jù) 3D-Micromac 半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品經(jīng)理 Hans-UlrichZuehlke 博士的說(shuō)法，解決此問(wèn)題的一種解決方案是用選擇性激光退火工藝代替閃光連接工藝，在該工藝中，晶片的背面將改為使用脈沖輻照的納秒級(jí)紫外線激光。他解釋說(shuō)：“持續(xù)時(shí)間少于 100ns 的激光脈沖已經(jīng)足夠長(zhǎng)，足以形成足夠的硅化物，然而持續(xù)時(shí)間又足夠短，所以可以最大程度地減少向晶圓正面的熱傳導(dǎo)。”
使用激光退火的另一個(gè)好處是，它避免了 OCF 期間在硅化鎳層正下方產(chǎn)生大的碳團(tuán)簇（與使用閃光燈時(shí)一樣），眾所周知，碳團(tuán)簇導(dǎo)致晶片上金屬層的附著力下降。
3D-Micromac 公司已開發(fā)出一種專用于生產(chǎn)條件下的OCF 工藝的激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)名為“microPRO RTP”，是基于該公司開發(fā)的“microDICE”晶圓處理平臺(tái)而制成的，配備了二極管泵浦固態(tài)（DPSS）紫外激光器。Zuehlke 表示：“光束路徑針對(duì)紫外激光器進(jìn)行了優(yōu)化，與聚焦跟蹤相結(jié)合之后，可提供足夠的聚焦深度?！?/span>
microPRO RTP 系統(tǒng)提供兩種不同的光路。“由于大量的脈沖重疊，”祖爾克繼續(xù)說(shuō)道：“在高斯光束剖面中獲得了正確的能量。然后，幾個(gè)脈沖在溫度 - 時(shí)間曲線中可以合并為一個(gè)虛擬平臺(tái)，另外，也可以使用在低重疊頂帽輪廓上。”通過(guò)使用 DPSS 激光器，可以通過(guò)減少維護(hù)工作量來(lái)確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)還降低了運(yùn)營(yíng)成本。該系統(tǒng)還包含一個(gè)可用于與半導(dǎo)體工廠的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)耦合的接口。
“毫無(wú)疑問(wèn)，microPRO RTP 已經(jīng)為下一代 SiC 晶圓設(shè)計(jì)”。Zuehlke 總結(jié)道。
總結(jié)
在新能源汽車進(jìn)入“快速發(fā)展”時(shí)期之后，可以預(yù)見的是，以激光技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)在不斷推動(dòng)汽車制造業(yè)更新?lián)Q代的同時(shí)，也將推動(dòng)激光產(chǎn)業(yè)自身的快速發(fā)展。未
來(lái)，越來(lái)越多的技術(shù)將不斷涌現(xiàn)并配合汽車及新能源汽車的技術(shù)發(fā)展，我們也期待著更多企業(yè)和研究人員配合起來(lái)，給行業(yè)帶來(lái)更多創(chuàng)造性的革新。
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