近日，美國(guó)汽車(chē)巨頭福特在總部迪爾伯恩的卡車(chē)工廠風(fēng)風(fēng)火火地啟動(dòng)了2015款F-150皮卡的生產(chǎn)，汽車(chē)史上規(guī)模最大的全鋁車(chē)型量產(chǎn)揭開(kāi)帷幕。同為“底特律三大”之一的通用汽車(chē)也跟隨福特，加入全金屬“鋁”狂潮。

　　自從今年1月在底特律車(chē)展上亮相以來(lái)，全新F-150皮卡受到了業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。比起前款，2015款F-150皮卡最大不同在于采用了全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)。今年秋天，福特花了十周對(duì)迪爾伯恩卡車(chē)工廠重新改造，安裝了不少新設(shè)備，包括500個(gè)機(jī)器人。比起前款，全新F-150皮卡采用了完全不同的裝配技術(shù)，包括鉚接、粘接和激光焊接。福特計(jì)劃明年年初對(duì)其位于密蘇里州堪薩斯城的卡車(chē)工廠也進(jìn)行同樣的改造。

　　鋁是一種輕量化材料，在幫助汽車(chē)制造商減輕車(chē)身重量方面可以起到顯著作用。比起前款，全新F-150 皮卡的車(chē)身“瘦身”700磅（318公斤）。福特表示，2015款F-150皮卡的燃油經(jīng)濟(jì)性比起前款提升了將近20%。

　　除了福特之外，路虎、奧迪、特斯拉等車(chē)企也采用了全鋁車(chē)身。他們大都是采用工業(yè)粘膠劑和鉚釘連接鋁材，比如路虎攬勝SUV、奧迪A8豪華轎車(chē)，以便創(chuàng)造結(jié)實(shí)、輕量化的車(chē)身。鋁材在高速行駛過(guò)程中容易變形，因此全鋁車(chē)型一般不采用傳統(tǒng)的焊接工藝，而是用鉚接代替點(diǎn)焊。比起焊接工藝，鉚合系統(tǒng)更加復(fù)雜，成本也更加昂貴。

激光焊接

　　鋁合金激光焊接技術(shù)分析

　　鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高的比強(qiáng)度而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在產(chǎn)量上是僅次于鋼鐵的第二類(lèi)金屬材料。近年來(lái)，隨著鋁合金在汽車(chē)、造船、國(guó)防、航空航天、娛樂(lè)和體育器材等制造領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，鋁合金焊接技術(shù)也在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，其表現(xiàn)可歸為3方面。其一，基于對(duì)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新而出現(xiàn)的新型鋁合金焊接技術(shù)，如低頻調(diào)制型脈沖MIG焊、交流MIG焊、雙焊槍TIG焊、穿孔型等離子弧立焊等；其二，高能密度焊接技術(shù)在鋁合金焊接領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，如電子束焊、YAG激光焊等；其三，攪拌摩擦焊在鋁合金焊接領(lǐng)域中的出現(xiàn)。

　　目前，生產(chǎn)中常用MIG 焊、TIG 焊方法來(lái)焊接鋁合金材料。雖然使用這2種方法能夠得到良好的焊接接頭，但是，這2種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。近年來(lái)，很多科技工作者開(kāi)始探討焊接鋁合金的新方法，如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧復(fù)合焊及摩擦攪拌焊等，下面主要介紹前3種焊接方法的主要特點(diǎn)。

　　1、鋁合金的激光焊

　　隨著大功率、高性能激光加工設(shè)備的不斷開(kāi)發(fā)，鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展很快，是未來(lái)焊接鋁合金的主要發(fā)展方向之一。目前，鋁合金激光焊接已經(jīng)被使用在車(chē)體部件的連接上，在Audi A2(全鋁結(jié)構(gòu))上，就有30m 激光焊縫。

　　與傳統(tǒng)的TIG、MIG 焊相比，用激光來(lái)焊接鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大的焊縫。

　　(2)冷卻速度快，能得到組織微細(xì)的焊縫，故焊接接頭性能良好。

　　(3)焊接速度快、功能多、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高且不需要真空裝置，所以在焊接精度、效率、自動(dòng)化等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　激光焊接是一種高能密度的焊接工藝，焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，強(qiáng)度系數(shù)提高很大。但激光器功率一般都比較低，對(duì)鋁合金厚板焊接困難，同時(shí)鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率很低，以及要達(dá)到深熔焊時(shí)存在閾值問(wèn)題，所以工藝上有一定難度。

　　2、鋁合金的激光一電弧復(fù)合焊

　　雖然用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢(shì)，但仍存在較大的局限性，如設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發(fā)展了激光-電弧復(fù)合焊接工藝。激光-電弧復(fù)合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復(fù)合。目前，該工藝在德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較多，并在汽車(chē)業(yè)中已有一定的應(yīng)用，如大眾汽車(chē)公司的Phaeton前門(mén)上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復(fù)合焊還可以用來(lái)焊接車(chē)體及輪軸。不過(guò)國(guó)內(nèi)在該工藝的研究和應(yīng)用上基本還是空白。

　　鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率以及深熔焊的閾值問(wèn)題，是極具前景的鋁合金焊接工藝之一，目前工藝還不成熟，處于研究探索階段。

　　用激光和電弧復(fù)合焊接方法來(lái)焊接鋁合金時(shí)，激光與電弧相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。能顯著提高焊接效率，這主要基于2種效應(yīng)：一方面是高的能量密度導(dǎo)致了高的焊接速度；另一方面是2種熱源同時(shí)作用在一個(gè)相同區(qū)域的疊加效應(yīng)。這種復(fù)合工藝的優(yōu)勢(shì)很多，潛力很大，在未來(lái)的汽車(chē)生產(chǎn)中必將具有廣泛的應(yīng)用前景。
3、鋁合金的雙光束激光焊

　　激光單獨(dú)焊接鋁合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生由于鑰孔塌陷而產(chǎn)生的氣孔。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，人們又研究了雙束激光焊，發(fā)現(xiàn)雙束激光焊有相對(duì)較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩(wěn)定性，可以明顯地降低氣孔敏感性。其原因在于雙束激光焊接時(shí)第一束激光產(chǎn)生熔池，并對(duì)附近區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時(shí)，可以熔化更多的母材，從而形成較寬的焊縫。此外，由于第二束激光可以把第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，避免了鑰孔的塌陷，所以形成氣孔的幾率就要小一些。

　　鋁合金焊接技術(shù)在汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　減輕汽車(chē)重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車(chē)節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題的最有效的措施。實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的方法主要有修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、縮小汽車(chē)規(guī)格和采用新型材料。其中采用輕型的結(jié)構(gòu)材料是最有潛力的一種方法。由于鋁合金具有高比強(qiáng)度、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)的上述要求，故在汽車(chē)業(yè)中倍受青睞。大量的對(duì)比研究和反復(fù)實(shí)踐證明，選用鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效途徑。鋁合金在汽車(chē)中的應(yīng)用不僅帶來(lái)明顯的減重效益，并且能提高燃油效率、減少尾氣排放、改善汽車(chē)的動(dòng)力性能等，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　目前，適合汽車(chē)用的鋁合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列，這3類(lèi)合金各有特點(diǎn)，用在汽車(chē)的不同部位。一般，汽車(chē)外殼多用耐蝕可焊的5000系合金，而梁柱等強(qiáng)度要求較高的部位則用6000系或7000系合金。由于鋁合金較活潑、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、線(xiàn)膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)常會(huì)有氣孔、裂紋、咬邊、焊縫成形差等缺陷出現(xiàn)，并且焊后接頭力學(xué)性能下降。為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)生產(chǎn)中高的生產(chǎn)率和高的焊接質(zhì)量相容性的要求，提高鋁合金的焊接技術(shù)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法對(duì)鋁合金在汽車(chē)中的廣泛應(yīng)用具有重要的意義，這也是真正實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的技術(shù)關(guān)鍵之一。

　　為了實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，解決節(jié)能、環(huán)保等問(wèn)題，鋁合金在汽車(chē)中的應(yīng)用不斷增加，這是汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，也是社會(huì)發(fā)展的需求。由于鋁合金的物理化學(xué)性能特殊，焊接時(shí)有一定困難，很大程度上制約了鋁合金在汽車(chē)中的廣泛應(yīng)用。提高鋁合金的焊接技術(shù)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法是提高汽車(chē)鋁化率所必須攻克的技術(shù)關(guān)鍵之一。其中激光焊、激光-電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊及摩擦攪拌焊就是近年發(fā)展起來(lái)的焊接鋁合金的新工藝，在國(guó)外轎車(chē)生產(chǎn)中已有了一定的應(yīng)用。隨著這些焊接方法的不斷成熟，必定為鋁合金在汽車(chē)中的應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也為我國(guó)汽車(chē)鋁合金化程度的進(jìn)一步提高提供了寶貴的借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

　　奧迪、奔馳、大眾、沃爾沃等歐洲的汽車(chē)制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車(chē)頂、車(chē)身、側(cè)框等鈑金結(jié)構(gòu)，90年代美國(guó)通用、福特和克萊斯勒公司競(jìng)相將激光焊接引入汽車(chē)制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車(chē)公司在制造車(chē)身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車(chē)車(chē)身制造中使用得越來(lái)越多。

　　激光焊接還廣泛應(yīng)用到變速箱齒輪、半軸、傳動(dòng)軸、散熱器、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、增壓器輪軸及底盤(pán)等汽車(chē)部件的制造，成為汽車(chē)零部件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。應(yīng)當(dāng)看到我國(guó)一些汽車(chē)制造廠家已經(jīng)在部分新車(chē)型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國(guó)一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車(chē)制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。
　編者語(yǔ)：

　　福特、通用、路虎、奧迪及特斯拉等一線(xiàn)汽車(chē)品牌先后進(jìn)入“鋁”時(shí)代，為激光焊接應(yīng)用帶來(lái)了新機(jī)遇。隨著環(huán)保節(jié)能、智能化等趨勢(shì)的盛行，激光技術(shù)或?qū)⒃絹?lái)越多的進(jìn)入到汽車(chē)制造各個(gè)環(huán)節(jié)。目前導(dǎo)入成本以及新工藝效果穩(wěn)定性仍是制約其發(fā)展的首要因素。