大眾集團最早應用激光焊接技術在白車身加工上，對激光技術在汽車上的應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廠商------豐田汽車株式會社，在激光技術的方方面面上也有自己的技術探索與追逐，無論是激光切割、激光焊接還是激光熔覆、激光淬火，甚至用在自動駕駛方面的激光雷達技術，豐田都有涉足于其中。
本期會客室本刊有幸邀請到豐田汽車株式會社GAZOO賽車品牌發展部集團長谷中耕平先生，為大家分享激光熔覆技術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
谷中耕平先生在轉去豐田旗下GAZOO事業部前，曾擔任豐田表面改造技術部鍛壓設備技術室集團長一職多年，對激光表面處理有著深刻的理解和見識。結合實踐經驗，谷中耕平先生在采訪時著重介紹了豐田汽車公司開發的耐磨合金直接沉積在氣缸蓋氣門座上的激光熔覆技術。他表示：“與傳統的壓配燒結閥座相比，這種直接沉積工藝通過提高導熱系數來提高抗爆震性，同時通過增加氣門設計靈活性來改善燃燒效率。”
這項技術已在Toyota New Global Architecture發動機系列中采用，谷中耕平先生進一步解釋道，“通過這項技術，我們還實現了創新的氣缸蓋設計，這能夠幫助我們改善熱效率與功率之間的權衡關系。”他繼續談到：“為了使該技術能夠作為豐田發動機陣容中的全球標準得以應用，豐田還開發了一種具有高度可靠設備的新型節能制造工藝來促進將該技術實施到日本以外的生產工廠。”
采訪中，谷中耕平先生介紹了：Toyota New Global Architecture（TNGA）是一種豐田的設計理念，旨在實現世界領先的熱效率和特定功率水平。他解釋道：“想要達成這些目標，就需要通過高速燃燒形成強烈的滾流和降低進氣阻力來實現，而這兩個目標通常不能共存。”因此，為了達成目標，需要創新性的閥座設計。“傳統的壓配燒結閥座需要一定的基板厚度才能將閥座固定在適當的位置，從而對端口形狀產生約束并產生壓力損失，”他講到，“然而，采用激光熔覆的閥座讓進氣口能被設計成直的流路，從而可以在保持高流速的同時將進氣吸入燃燒室。”
Mirai（日語：未來）是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市，這個命名代表了豐田對新能源汽車未來市場的看法和信心，2020最新款Mirai是基于豐田的高檔后輪驅動TNGA平臺完全重新設計的，激光熔覆技術同樣起到了突出作用。
受益于汽業產業蓬勃發展激光熔覆技術闊步向前
激光熔覆閥座于1997年在豐田日本工廠的生產線上采用，隨后進行了批量生產。據谷中耕平先生表示，豐田是全世界最先擁抱這項技術的為數不多的公司之一。“在最初的過程中，我們只需要通過固定激光光源、粉末和保護氣體的加工點并旋轉工件，就可以實現穩定的熔覆質量。但是，那時候的激光熔覆機非常大，并且當時使用的是二氧化碳激光作為熱源，會消耗大量能量。由于二氧化碳激光器的轉換效率低和介質氣體的替代，熔覆設備的成本不僅很高，而且那時候設備中的激光器、粉末和氣體的相對結構位置非常復雜。”
TNGA發動機系列的全球生產要求減小包層機的尺寸，降低工藝能耗，并簡化維護和控制方法。為了解決這些問題，豐田開發了一種創新的熔覆工藝，來取代傳統的工件旋轉工藝，該工藝使用多個主軸的同時控制功能，通過刀具旋轉工藝來旋轉加工點，同時使用緊湊高效的半導體激光器作為光源。
谷中耕平先生介紹：“緊湊高效的半導體激光器能量密度低，光的能量輸出更為穩定，所以在過程中實現了溫和的無濺射目標。我們還針對激光熔覆的送粉設備進行了改善，由于送粉設備十分精密，如果和工具同步旋轉的話，極有可能導致故障，所以我們使用了一種用恒定速率流動的載氣輸送粉末，這個載氣輸送的粉末設備是我們由傳統的進料設備改造而成，”他進一步解釋，“我們把進料設備封閉在一個氣密的容器中，并設置了一個從送粉器到加工點的封閉系統，以防粉末污染。”
上述改進措施配合刀具旋轉工藝，不僅把機器占地面積降低到傳統工藝的三分之一以下，還把能耗降低到了傳統方法的五分之一以下。此外，開發的處理噴嘴可自動定位和固定三個處理元件（激光，粉末和氣體），進一步簡化了生產現場需要的維護和控制。
“未來，汽車行業會越來越聚焦新能源汽車，作為世界上最早量產混動汽車的品牌，豐田在新能源領域也一直在努力嘗試，除了混合動力汽車以外，豐田還對增程插電、氫能源電池汽車進行了戰略布局。而我們如上所述的激光熔覆技術，不僅可以應用在傳統的內燃機上，在新能源汽車上也會大有作為。”谷中耕平先生如是表示，“Mirai（日語：未來）是一款氫燃料電池車，于2014年12月15日在日本正式上市，這個命名代表了豐田對新能源汽車未來市場的看法和信心，2020最新款Mirai是基于豐田的高檔后輪驅動TNGA平臺完全重新設計的，激光熔覆技術同樣起到了突出作用。”
采訪最后，谷中耕平先生表示，相信隨著新能源汽車技術地不斷發展，會對配套的激光技術同樣提出許多新的要求，也會有更多挑戰亟待解決，豐田汽車也會緊隨技術與時代的潮流，結合自身豐富的工程應用經驗，開發出更多的激光技術。
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