鋼和鋁的材料復合在汽車工業(yè)的輕量化設計中有著巨大的應用潛力。它們已經(jīng)在汽車制造領域中得到了廣泛的應用，但它們不是作為一種“復合”材料而使用的。
在“汽車輕量化設計用鋼-鋁混合復合激光拼焊管內高壓變形加工技術(IHU-THT)”的合作項目框架內，合作伙伴們的目標是：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。他們嘗試著利用內高壓變形加工工藝技術(IHU)完成鋼-鋁材料激光拼焊管的變形加工。
德國漢諾威的工藝技術集成研究所(IPH)和漢諾威的激光技術中心(LZH)計劃嘗試實現(xiàn)這一目標。研發(fā)人員承諾，這一新技術將會在汽車的輕量化設計、制造中根據(jù)汽車零部件的具體情況最多把汽車零部件的重量減輕20%。許多企業(yè)對這一合作項目也很感興趣。江森自控公司、奇昊汽車有限公司、Laser on Demang公司、LMB公司和SET Scientific公司等參與到這一項目中。
江森自控公司已制定了具體的計劃：工程師們設計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計的鋼材和鋁合金的材料組合使用來減輕座椅的重量，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，從根本上加速我們全球的生產(chǎn)制造。”江森自控公司主管技術的副總裁Andreas Eppinger博士說道。
另一方面，準確地滿足承載要求的座椅靠背零件設計也開辟了一種新的設計方法：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，上下車也更加方便了，乘坐時的舒適性也明顯地提高了。
釬焊替代激光焊接
汽車生產(chǎn)過程中的一個重要連接工藝技術就是激光焊接。“鋁和鋼熔化后會產(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，我們在IHU-THT合作項目中用釬焊替代了激光焊接，因為與激光焊接技術相比較釬焊傳導到被焊接材料中的熱量明顯要少，金屬材料沒有熔化，只是釬焊材料熔化了。”LZH公司的項目管理員Sarah Nothdurft女士說道。由于在IHU內高壓變形加工時，壓力變形加工系統(tǒng)的壓力高達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備。而激光釬焊技術同樣也是一種適合于大批量、工業(yè)化生產(chǎn)的焊接技術。“這種連接技術采用的是對接接縫的焊接接頭，因為搭接形式的接頭在IHU內高壓加工工藝技術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女士接著說道。
LZH漢諾威的激光技術研究所的另一個任務就是設計一套激光釬焊所需的釬焊頭。“這一釬焊頭應保證激光射線的來回運動，可靠地保證傳統(tǒng)釬焊絲的輸送。”Sarah Nothdurft女士說。通過掃描儀幫助的激光射線與進給速度的合成運動以及與釬焊溫度有關的功率調節(jié)，應能夠保證釬焊過程實現(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，這種混合結構的IHU內高壓變形加工要比單一材料的半成品變形加工要復雜得多。在變形加工開始前要對復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。“通過相對簡單的設備、短時間的內高壓變形預試后，我們得到了第一批有關數(shù)據(jù)。預試時使用的試件是激光拼焊鋼材。”Jonathan Ross先生說道。
有目的地減輕重量
在預試結果的基礎上，IHU內高壓變形加工研發(fā)項目參加人員開發(fā)了一套內高壓變形加工工藝適用的FEM有限元模擬方案。“根據(jù)模擬得出的結果，可以利用IHU內高壓變形加工工藝技術對真實的激光釬焊復合管進行變形加工試驗。”Jonathan Ross先生總結道。通過這樣的材料組合應用，能夠比傳統(tǒng)的激光拼焊件更加有目的地按照材料強度特性和重量要求在激光釬焊管材的局部利用內高壓變形加工工藝完成變形加工，從而實現(xiàn)減輕零件重量、減輕部件、組件重量的目的。由于內高壓變形加工工藝技術把多個傳統(tǒng)的變形加工工步組合到一道工序內了，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，根據(jù)當前的試驗結果，似乎還不需要新的設備技術。估計對現(xiàn)有的內高壓變形加工設備稍加改造就可以完成。
激光釬焊的復合管材適合于在車架生產(chǎn)制造中使用，例如車輛C立柱與車頂?shù)倪B接件、座椅框架和儀表盤支架等，但也可以在軸類零件的支承件中使用。在汽車座椅中和車門的碰撞保護與車門板材的連接件也是可以使用這種復合管材的地方。
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