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汽车进入“铝”时代:激光焊接开辟新天地

作者:admin 来源:未知 点击:117 更新时间:2019-04-03

近日,美国汽车巨头福特在总部迪尔伯恩的卡车工厂风风火火地启动了2015款F-150皮卡的生产,汽车史上规模最大的全铝车型量产揭开帷幕。同为“底特律三大”之一的通用汽车也跟随福特,加入全金属“铝”狂潮。

  自从今年1月在底特律车展上亮相以来,全新F-150皮卡受到了业内外的广泛关注。比起前款,2015款F-150皮卡最大不同在于采用了全铝车身结构。今年秋天,福特花了十周对迪尔伯恩卡车工厂重新改造,安装了不少新设备,包括500个机器人。比起前款,全新F-150皮卡采用了完全不同的装配技术,包括铆接、粘接和 激光焊接 。福特计划明年年初对其位于密苏里州堪萨斯城的卡车工厂也进行同样的改造。

  铝是一种轻量化材料,在帮助汽车制造商减轻车身重量方面可以起到显著作用。比起前款,全新F-150 皮卡的车身“瘦身”700磅(318公斤)。福特表示,2015款F-150皮卡的燃油经济性比起前款提升了将近20%。

  除了福特之外,路虎、奥迪、特斯拉等车企也采用了全铝车身。他们大都是采用工业粘胶剂和铆钉连接铝材,比如路虎揽胜SUV、奥迪A8豪华轿车,以便创造结实、轻量化的车身。铝材在高速行驶过程中容易变形,因此全铝车型一般不采用传统的焊接工艺,而是用铆接代替点焊。比起焊接工艺,铆合系统更加复杂,成本也更加昂贵。

 

激光焊接

  铝合金 激光焊接 技术分析

  铝及其合金因具有良好的耐蚀性、导电性、导热性和高的比强度而广泛应用于工业领域,在产量上是仅次于钢铁的第二类金属材料。近年来,随着铝合金在汽车、造船、国防、航空航天、娱乐和体育器材等制造领域越来越广泛的运用,铝合金焊接技术也在突飞猛进地发展,其表现可归为3方面。其一,基于对传统焊接技术的改进和创新而出现的新型铝合金焊接技术,如低频调制型脉冲MIG焊、交流MIG焊、双焊枪TIG焊、穿孔型等离子弧立焊等;其二,高能密度焊接技术在铝合金焊接领域的进一步推广和应用,如电子束焊、YAG激光焊等;其三,搅拌摩擦焊在铝合金焊接领域中的出现。

  目前,生产中常用MIG 焊、TIG 焊方法来焊接铝合金材料。虽然使用这2种方法能够得到良好的焊接接头,但是,这2种方法却有熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。近年来,很多科技工作者开始探讨焊接铝合金的新方法,如激光焊、双光束激光焊、激光-电弧复合焊及摩擦搅拌焊等,下面主要介绍前3种焊接方法的主要特点。

  1、铝合金的激光焊

  随着大功率、高性能激光加工设备的不断开发,铝合金激光焊接技术发展很快,是未来焊接铝合金的主要发展方向之一。目前,铝合金激光焊接已经被使用在车体部件的连接上,在Audi A2(全铝结构)上,就有30m 激光焊缝。

  与传统的TIG、MIG 焊相比,用激光来焊接铝合金具有以下优点:

  (1)能量密度高,热输入量小,焊接变形小,能得到熔化区和热影响区窄而熔深大的焊缝。

  (2)冷却速度快,能得到组织微细的焊缝,故焊接接头性能良好。

  (3)焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高且不需要真空装置,所以在焊接精度、效率、自动化等方面具有无可比拟的优势。

  激光焊接是一种高能密度的焊接工艺,焊接铝合金可以有效防止传统焊接工艺产生的缺陷,强度系数提高很大。但激光器功率一般都比较低,对铝合金厚板焊接困难,同时铝合金表面对激光束的吸收率很低,以及要达到深熔焊时存在阈值问题,所以工艺上有一定难度。

  2、铝合金的激光一电弧复合焊

  虽然用激光焊接铝合金有许多优势,但仍存在较大的局限性,如设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等。为了更有效地焊接铝合金,人们发展了激光-电弧复合焊接工艺。激光-电弧复合主要是激光与TIG 电弧、MIG 电弧及等离子体的复合。目前,该工艺在德国和日本等发达国家研究比较多,并在汽车业中已有一定的应用,如大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-MIG焊道,而且激光复合焊还可以用来焊接车体及轮轴。不过国内在该工艺的研究和应用上基本还是空白。

  铝合金激光-电弧复合焊很好地解决了激光焊接的功率、铝合金表面对激光束的吸收率以及深熔焊的阈值问题,是极具前景的铝合金焊接工艺之一,目前工艺还不成熟,处于研究探索阶段。

  用激光和电弧复合焊接方法来焊接铝合金时,激光与电弧相互影响,可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足,产生良好的复合效应。能显著提高焊接效率,这主要基于2种效应:一方面是高的能量密度导致了高的焊接速度;另一方面是2种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应。这种复合工艺的优势很多,潜力很大,在未来的汽车生产中必将具有广泛的应用前景。
3、铝合金的双光束激光焊

  激光单独焊接铝合金时会产生由于钥孔塌陷而产生的气孔。针对这个问题,人们又研究了双束激光焊,发现双束激光焊有相对较宽的焊宽和较低的焊缝深宽比,能提高钥孔的稳定性,可以明显地降低气孔敏感性。其原因在于双束激光焊接时第一束激光产生熔池,并对附近区域进行预热,累积的热量使第二束激光照射该处时,可以熔化更多的母材,从而形成较宽的焊缝。此外,由于第二束激光可以把第一束激光形成的钥孔后壁气化,避免了钥孔的塌陷,所以形成气孔的几率就要小一些。

  铝合金焊接技术在汽车生产中的应用

  减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率,这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施。实现汽车轻量化的方法主要有修改结构设计、缩小汽车规格和采用新型材料。其中采用轻型的结构材料是最有潜力的一种方法。由于铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性好和简化结构等一系列优点,能满足汽车工业的上述要求,故在汽车业中倍受青睐。大量的对比研究和反复实践证明,选用铝合金材料是实现汽车轻量化的有效途径。铝合金在汽车中的应用不仅带来明显的减重效益,并且能提高燃油效率、减少尾气排放、改善汽车的动力性能等,带来巨大的经济效益和社会效益。

  目前,适合汽车用的铝合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列,这3类合金各有特点,用在汽车的不同部位。一般,汽车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金,而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。由于铝合金较活泼、导热导电性好、线膨胀系数大,焊接时常会有气孔、裂纹、咬边、焊缝成形差等缺陷出现,并且焊后接头力学性能下降。为了实现汽车生产中高的生产率和高的焊接质量相容性的要求,提高铝合金的焊接技术、开发和应用新的焊接方法对铝合金在汽车中的广泛应用具有重要的意义,这也是真正实现汽车轻量化的技术关键之一。

  为了实现汽车轻量化,解决节能、环保等问题,铝合金在汽车中的应用不断增加,这是汽车发展的趋势,也是社会发展的需求。由于铝合金的物理化学性能特殊,焊接时有一定困难,很大程度上制约了铝合金在汽车中的广泛应用。提高铝合金的焊接技术、开发和应用新的焊接方法是提高汽车铝化率所必须攻克的技术关键之一。其中激光焊、激光-电弧复合焊、双光束激光焊及摩擦搅拌焊就是近年发展起来的焊接铝合金的新工艺,在国外轿车生产中已有了一定的应用。随着这些焊接方法的不断成熟,必定为铝合金在汽车中的应用提供更坚实的技术支撑,也为我国汽车铝合金化程度的进一步提高提供了宝贵的借鉴和经验。

  奥迪、奔驰、大众、沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金结构,90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竞相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快。意大利菲亚特在大多数钢板组件的焊接装配中采用了激光焊接,日本的日产、本田和丰田汽车公司在制造车身覆盖件中都使用了激光焊接和切割工艺,高强钢激光焊接装配件因其性能优良在汽车车身制造中使用得越来越多。

  激光焊接还广泛应用到变速箱齿轮、半轴、传动轴、散热器、离合器、发动机排气管、增压器轮轴及底盘等汽车部件的制造,成为汽车零部件制造的标准工艺。应当看到我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术,而且从激光焊接技术本身研究的角度看,我国一些科研院所在一些具有特色的领域取得了具有特色的成果。随着我国汽车工业的快速发展,激光焊接技术一定会在汽车制造领域取得丰硕的成果和广泛的应用。
 编者语:

  福特、通用、路虎、奥迪及特斯拉等一线汽车品牌先后进入“铝”时代,为激光焊接应用带来了新机遇。随着环保节能、智能化等趋势的盛行,激光技术或将越来越多的进入到汽车制造各个环节。目前导入成本以及新工艺效果稳定性仍是制约其发展的首要因素。

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