钢铝复合轻量化材料加工难题解决办法

钢和铝的材料复合在汽车工业的轻量化设计中有着巨大的应用潜力。它们已经在汽车制造领域中得到了广泛的应用，但它们不是作为一种“复合”材料而使用的。

在“汽车轻量化设计用钢-铝混合复合激光拼焊管内高压变形加工技术(IHU-THT)”的合作项目框架内，合作伙伴们的目标是：制造出重量非常轻的、量身定制的空心管材——其承载较大的部位使用高强度的钢材，而承载较低的部位则采用铝材。他们尝试着利用内高压变形加工工艺技术(IHU)完成钢-铝材料激光拼焊管的变形加工。

德国汉诺威的工艺技术集成研究所(IPH)和汉诺威的激光技术中心(LZH)计划尝试实现这一目标。研发人员承诺，这一新技术将会在汽车的轻量化设计、制造中根据汽车零部件的具体情况最多把汽车零部件的重量减轻20%。许多企业对这一合作项目也很感兴趣。江森自控公司、奇昊汽车有限公司、Laser on Demang公司、LMB公司和SET Scientific公司等参与到这一项目中。

江森自控公司已制定了具体的计划：工程师们设计了一套座椅靠背的完整方案。“一方面，我们想利用激光拼焊管材大幅度地减轻座椅靠背的重量。不仅仅只是依靠轻量化设计的钢材和铝合金的材料组合使用来减轻座椅的重量，而且也尝试着减少座椅部件的零件数量。我们尝试的是座椅斜倚器零部件高强度零件的直接集成。这样，我们就可以省略一些迄今为止所必需使用的附件，从根本上加速我们全球的生产制造。”江森自控公司主管技术的副总裁Andreas Eppinger博士说道。

另一方面，准确地满足承载要求的座椅靠背零件设计也开辟了一种新的设计方法：超薄座椅框架后方的空间更加宽敞，为后排座椅乘客的膝部留下了更大的空间，上下车也更加方便了，乘坐时的舒适性也明显地提高了。

钎焊替代激光焊接

汽车生产过程中的一个重要连接工艺技术就是激光焊接。“铝和钢熔化后会产生脆性的金属间化合物相;它们的存在大大降低了材料的变形加工工艺性能。因此，我们在IHU-THT合作项目中用钎焊替代了激光焊接，因为与激光焊接技术相比较钎焊传导到被焊接材料中的热量明显要少，金属材料没有熔化，只是钎焊材料熔化了。”LZH公司的项目管理员Sarah Nothdurft女士说道。由于在IHU内高压变形加工时，压力变形加工系统的压力高达100MPa，因此也要求钢-铝钎焊后的管材也能够在这一高压下一起发生变形。这就省去使用激光焊接设备。而激光钎焊技术同样也是一种适合于大批量、工业化生产的焊接技术。“这种连接技术采用的是对接接缝的焊接接头，因为搭接形式的接头在IHU内高压加工工艺技术中是不合适的接头形式。另外，也要考虑被钎焊材料和钎焊材料不同的变形加工性能。”Sarah Nothdurft女士接着说道。

LZH汉诺威的激光技术研究所的另一个任务就是设计一套激光钎焊所需的钎焊头。“这一钎焊头应保证激光射线的来回运动，可靠地保证传统钎焊丝的输送。”Sarah Nothdurft女士说。通过扫描仪帮助的激光射线与进给速度的合成运动以及与钎焊温度有关的功率调节，应能够保证钎焊过程实现最优化。

像钢材和铝材这样两种不同材料的组合还给研发人员提出了许多挑战：大多数的铝合金材料都比钢材要软很多，因此它们也非常容易变形。因此，这种混合结构的IHU内高压变形加工要比单一材料的半成品变形加工要复杂得多。在变形加工开始前要对复合钢材的钢材部分略微加热一下，以便使钢材段的变形性能与铝材段保持一致。“通过相对简单的设备、短时间的内高压变形预试后，我们得到了第一批有关数据。预试时使用的试件是激光拼焊钢材。”Jonathan Ross先生说道。

有目的地减轻重量

在预试结果的基础上，IHU内高压变形加工研发项目参加人员开发了一套内高压变形加工工艺适用的FEM有限元模拟方案。“根据模拟得出的结果，可以利用IHU内高压变形加工工艺技术对真实的激光钎焊复合管进行变形加工试验。”Jonathan Ross先生总结道。通过这样的材料组合应用，能够比传统的激光拼焊件更加有目的地按照材料强度特性和重量要求在激光钎焊管材的局部利用内高压变形加工工艺完成变形加工，从而实现减轻零件重量、减轻部件、组件重量的目的。由于内高压变形加工工艺技术把多个传统的变形加工工步组合到一道工序内了，因此由其很高的加工速度和很少的工序、工步而能够节约大量的生产成本。据Jonathan Ross先生估计，根据当前的试验结果，似乎还不需要新的设备技术。估计对现有的内高压变形加工设备稍加改造就可以完成。

激光钎焊的复合管材适合于在车架生产制造中使用，例如车辆C立柱与车顶的连接件、座椅框架和仪表盘支架等，但也可以在轴类零件的支承件中使用。在汽车座椅中和车门的碰撞保护与车门板材的连接件也是可以使用这种复合管材的地方。