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

　　自從今年1月在底特律車展上亮相以來，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身結(jié)構(gòu)。今年秋天，福特花了十周對(duì)迪爾伯恩卡車工廠重新改造，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，在幫助汽車制造商減輕車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、特斯拉等車企也采用了全鋁車身。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，以便創(chuàng)造結(jié)實(shí)、輕量化的車身。鋁材在高速行駛過程中容易變形，因此全鋁車型一般不采用傳統(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金屬材料。近年來，隨著鋁合金在汽車、造船、國防、航空航天、娛樂和體育器材等制造領(lǐng)域越來越廣泛的運(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，很多科技工作者開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)備的不斷開發(fā)，鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展很快，是未來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，該工藝在德國和日本等發(fā)達(dá)國家研究比較多，并在汽車業(yè)中已有一定的應(yīng)用，如大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復(fù)合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國內(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，在未來的汽車生產(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)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　減輕汽車重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車節(jié)能和環(huán)保問題的最有效的措施。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的方法主要有修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、縮小汽車規(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)，能滿足汽車工業(yè)的上述要求，故在汽車業(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)汽車輕量化的有效途徑。鋁合金在汽車中的應(yīng)用不僅帶來明顯的減重效益，并且能提高燃油效率、減少尾氣排放、改善汽車的動(dòng)力性能等，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　目前，適合汽車用的鋁合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列，這3類合金各有特點(diǎn)，用在汽車的不同部位。一般，汽車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)、開發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法對(duì)鋁合金在汽車中的廣泛應(yīng)用具有重要的意義，這也是真正實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)關(guān)鍵之一。

　　為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，解決節(jié)能、環(huán)保等問題，鋁合金在汽車中的應(yīng)用不斷增加，這是汽車發(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中的廣泛應(yīng)用。提高鋁合金的焊接技術(shù)、開發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法是提高汽車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)展起來的焊接鋁合金的新工藝，在國外轎車生產(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中的應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也為我國汽車鋁合金化程度的進(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制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金結(jié)構(gòu)，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司競(jìng)相將激光焊接引入汽車制造，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)、本田和豐田汽車公司在制造車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)良在汽車車身制造中使用得越來越多。

　　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、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造，成為汽車零部件制造的標(biāo)準(zhǔn)工藝。應(yīng)當(dāng)看到我國一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車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。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。
　編者語：

　　福特、通用、路虎、奧迪及特斯拉等一線汽車品牌先后進(jìn)入“鋁”時(shí)代，為激光焊接應(yīng)用帶來了新機(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絹碓蕉嗟倪M(jìn)入到汽車制造各個(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。