汽车进入“铝”时代：激光焊接开辟新天地

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。

　　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。

（图为：汉神成功自主开发出国内首款——大型高功率激光焊接成套设备 ）

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。