美国研究搅拌摩擦焊替代激光焊接 应用于汽车铝板

2022-05-14 11:29:11

在与通用汽车、美国铝业和TWB公司的合作中,能源部太平洋西北国家实验室的研究人员已经开发出一种高速搅拌摩擦焊工艺,实现了批量化地快速接合不同厚度的铝板,制成车用高强度轻量化部件。这种新工艺比当前的摩擦搅拌焊接技术快十倍,终于可以满足大批量组装的要求。这项新进展报道在刊物《JOM》上。《JOM》是矿物、金属与材料学会的下属期刊。
为了制造汽车门框、发动机罩等配件,金属板们头尾相接地焊接在一起变成“拼焊板”(TWB),然后被切成适当的大小,最后进行冲压。这个过程允许更高的定制度。例如,某个部件在需要高强度的一侧可以采用更厚的金属板材,该部件在仅需要较低强度的一侧,金属板材更薄,它们之间通过摩擦搅拌焊接相接合。
传统激光焊接可以很好地接合不同厚度的钢,但是由于熔融铝与空气的反应性,当用于铝材时可能会产生问题。另一方面,虽然电流焊接技术生产铝拼焊板被用于小批量和小众应用,但是它们仍不适用于大批量汽车市场。所以今天的铝板汽车部件必须由单一厚度铝片制成,在冲压后,铆接在一起,造成生产工序和部件数目过多,提高了成本和重量。然而能源部太平洋西北国家实验室的新工艺利用大批量、拼焊铝板的摩擦搅拌焊接技术,减少了重量、成本和部件数量。
这项适合于汽车工业大批量生产的高速摩擦搅拌焊接工艺(FSW)有潜力彻底改变目前铝材冲压件的接合工艺和组装模式。虽然激光焊接有效地将钢材拼接板技术推向了市场,但是铝材独特的材料特性使其并不适用于激光焊接技术。铝材冲压板一般不使用廉价的拼焊工艺,而是使用更为昂贵的铆接工艺就是显著的证明。创新的高速摩擦搅拌焊接技术使得铝材拼焊板成为可能,实现了部件简化、轻量化、生产工艺去耦化并降低了成本。简单地说,高速摩擦搅拌焊接技术制成的铝材拼焊板有潜力同时既减少重量和成本。
十几年来,铝材焊接方面的研究成果层出不穷。这些关于铝板焊接性的研究催生出了众多的接合技术,包括激光、电子束、钨极气体保护和摩擦搅拌焊接等。各方法都是有利有弊,但是对于汽车工业来讲,它们都是弊大于利。这些困难源于铝合金固有的物理化学特性,体现在熔融铝熔池的控制上面,最为明显:在熔融状态下,与周围大气相比,铝材对氢气具有更高的亲和力,因此即使使用传统的保护气体进行焊接,铝材仍可以很大程度上和氢气发生反应。凝固后,在去掉焊皮的过程中,这些位置通常会产生有害的体积缺陷。这种现象进一步被工序中所采用的有机润滑剂所加剧。在焊接之前的剪切过程中,这些润滑剂可能被困在片材上的焊接边缘,因此,它们不能被在焊接过程中所使用的保护气体所消除。因此,它们存在在整个焊接过程中,让熔融态铝材更容易和氢气相结合。
传统焊接技术还面临着其他的困难,包括相比铁基材料,更高的散热量;更复杂的凝固动力学;熔融粘度;表面氧化物等。由此催生的更新颖的焊接技术,诸如摩擦搅拌焊接,正在被普遍研究,并克服了之前的难点。摩擦搅拌焊接这种固态接合工艺,因为焊接时低于熔点,规避了与熔化和凝固相关的技术难度,而且在加温条件下,屈服应力和流动应力双双降低,方便了铝板的局部“流动”和互相融合。