鋼鋁復(fù)合輕量化材料加工難題解決辦法

鋼和鋁的材料復(fù)合在汽車(chē)工業(yè)的輕量化設(shè)計(jì)中有著巨大的應(yīng)用潛力。它們已經(jīng)在汽車(chē)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但它們不是作為一種“復(fù)合”材料而使用的。

在“汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)用鋼-鋁混合復(fù)合激光拼焊管內(nèi)高壓變形加工技術(shù)(IHU-THT)”的合作項(xiàng)目框架內(nèi)，合作伙伴們的目標(biāo)是：制造出重量非常輕的、量身定制的空心管材——其承載較大的部位使用高強(qiáng)度的鋼材，而承載較低的部位則采用鋁材。他們嘗試著利用內(nèi)高壓變形加工工藝技術(shù)(IHU)完成鋼-鋁材料激光拼焊管的變形加工。

德國(guó)漢諾威的工藝技術(shù)集成研究所(IPH)和漢諾威的激光技術(shù)中心(LZH)計(jì)劃嘗試實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。研發(fā)人員承諾，這一新技術(shù)將會(huì)在汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)、制造中根據(jù)汽車(chē)零部件的具體情況最多把汽車(chē)零部件的重量減輕20%。許多企業(yè)對(duì)這一合作項(xiàng)目也很感興趣。江森自控公司、奇昊汽車(chē)有限公司、Laser on Demang公司、LMB公司和SET Scientific公司等參與到這一項(xiàng)目中。

江森自控公司已制定了具體的計(jì)劃：工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一套座椅靠背的完整方案。“一方面，我們想利用激光拼焊管材大幅度地減輕座椅靠背的重量。不僅僅只是依靠輕量化設(shè)計(jì)的鋼材和鋁合金的材料組合使用來(lái)減輕座椅的重量，而且也嘗試著減少座椅部件的零件數(shù)量。我們嘗試的是座椅斜倚器零部件高強(qiáng)度零件的直接集成。這樣，我們就可以省略一些迄今為止所必需使用的附件，從根本上加速我們?nèi)虻纳a(chǎn)制造。”江森自控公司主管技術(shù)的副總裁Andreas Eppinger博士說(shuō)道。

另一方面，準(zhǔn)確地滿(mǎn)足承載要求的座椅靠背零件設(shè)計(jì)也開(kāi)辟了一種新的設(shè)計(jì)方法：超薄座椅框架后方的空間更加寬敞，為后排座椅乘客的膝部留下了更大的空間，上下車(chē)也更加方便了，乘坐時(shí)的舒適性也明顯地提高了。

釬焊替代激光焊接

汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要連接工藝技術(shù)就是激光焊接。“鋁和鋼熔化后會(huì)產(chǎn)生脆性的金屬間化合物相;它們的存在大大降低了材料的變形加工工藝性能。因此，我們?cè)贗HU-THT合作項(xiàng)目中用釬焊替代了激光焊接，因?yàn)榕c激光焊接技術(shù)相比較釬焊?jìng)鲗?dǎo)到被焊接材料中的熱量明顯要少，金屬材料沒(méi)有熔化，只是釬焊材料熔化了。”LZH公司的項(xiàng)目管理員Sarah Nothdurft女士說(shuō)道。由于在IHU內(nèi)高壓變形加工時(shí)，壓力變形加工系統(tǒng)的壓力高達(dá)100MPa，因此也要求鋼-鋁釬焊后的管材也能夠在這一高壓下一起發(fā)生變形。這就省去使用激光焊接設(shè)備。而激光釬焊技術(shù)同樣也是一種適合于大批量、工業(yè)化生產(chǎn)的焊接技術(shù)。“這種連接技術(shù)采用的是對(duì)接接縫的焊接接頭，因?yàn)榇罱有问降慕宇^在IHU內(nèi)高壓加工工藝技術(shù)中是不合適的接頭形式。另外，也要考慮被釬焊材料和釬焊材料不同的變形加工性能。”Sarah Nothdurft女士接著說(shuō)道。

LZH漢諾威的激光技術(shù)研究所的另一個(gè)任務(wù)就是設(shè)計(jì)一套激光釬焊所需的釬焊頭。“這一釬焊頭應(yīng)保證激光射線的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，可靠地保證傳統(tǒng)釬焊絲的輸送。”Sarah Nothdurft女士說(shuō)。通過(guò)掃描儀幫助的激光射線與進(jìn)給速度的合成運(yùn)動(dòng)以及與釬焊溫度有關(guān)的功率調(diào)節(jié)，應(yīng)能夠保證釬焊過(guò)程實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

像鋼材和鋁材這樣兩種不同材料的組合還給研發(fā)人員提出了許多挑戰(zhàn)：大多數(shù)的鋁合金材料都比鋼材要軟很多，因此它們也非常容易變形。因此，這種混合結(jié)構(gòu)的IHU內(nèi)高壓變形加工要比單一材料的半成品變形加工要復(fù)雜得多。在變形加工開(kāi)始前要對(duì)復(fù)合鋼材的鋼材部分略微加熱一下，以便使鋼材段的變形性能與鋁材段保持一致。“通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備、短時(shí)間的內(nèi)高壓變形預(yù)試后，我們得到了第一批有關(guān)數(shù)據(jù)。預(yù)試時(shí)使用的試件是激光拼焊鋼材。”Jonathan Ross先生說(shuō)道。

有目的地減輕重量

在預(yù)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，IHU內(nèi)高壓變形加工研發(fā)項(xiàng)目參加人員開(kāi)發(fā)了一套內(nèi)高壓變形加工工藝適用的FEM有限元模擬方案。“根據(jù)模擬得出的結(jié)果，可以利用IHU內(nèi)高壓變形加工工藝技術(shù)對(duì)真實(shí)的激光釬焊復(fù)合管進(jìn)行變形加工試驗(yàn)。”Jonathan Ross先生總結(jié)道。通過(guò)這樣的材料組合應(yīng)用，能夠比傳統(tǒng)的激光拼焊件更加有目的地按照材料強(qiáng)度特性和重量要求在激光釬焊管材的局部利用內(nèi)高壓變形加工工藝完成變形加工，從而實(shí)現(xiàn)減輕零件重量、減輕部件、組件重量的目的。由于內(nèi)高壓變形加工工藝技術(shù)把多個(gè)傳統(tǒng)的變形加工工步組合到一道工序內(nèi)了，因此由其很高的加工速度和很少的工序、工步而能夠節(jié)約大量的生產(chǎn)成本。據(jù)Jonathan Ross先生估計(jì)，根據(jù)當(dāng)前的試驗(yàn)結(jié)果，似乎還不需要新的設(shè)備技術(shù)。估計(jì)對(duì)現(xiàn)有的內(nèi)高壓變形加工設(shè)備稍加改造就可以完成。

激光釬焊的復(fù)合管材適合于在車(chē)架生產(chǎn)制造中使用，例如車(chē)輛C立柱與車(chē)頂?shù)倪B接件、座椅框架和儀表盤(pán)支架等，但也可以在軸類(lèi)零件的支承件中使用。在汽車(chē)座椅中和車(chē)門(mén)的碰撞保護(hù)與車(chē)門(mén)板材的連接件也是可以使用這種復(fù)合管材的地方。