2021年3月23日-24日，由蓋世汽車主辦的“2021年中國車身大會”隆重召開。本次大會重點圍繞整車輕量化、汽車安全法規(guī)、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、車身先進材料、仿真技術(shù)、模塊化架構(gòu)車身等行業(yè)焦點話題展開探討，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展出謀劃策。會議期間，中國科學院上海光學精密機械研究所 陶武發(fā)表了精彩演講，內(nèi)容如下。
中國科學院上海光學精密機械研究所 陶武
大家好，上海光機所激光智能制造技術(shù)研發(fā)中心主要有四個方向：高功率激光焊接工藝和裝備；超快激光精密制造；激光沖擊強化；激光增減材一體化制造裝備。當前已形成1+X的協(xié)同創(chuàng)新模式，上海光機所為技術(shù)創(chuàng)新源泉，分支機構(gòu)（南京先進激光技術(shù)研究院，杭州光機所，蕪湖激光技術(shù)應用示范中心，九江激光技術(shù)應用示范中心）為技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化基地。此外我們也在先進焊接及連接領(lǐng)域開展相關(guān)研究，包括電阻點焊，膠接，鉚接等。
我們實驗室已有不同的科研儀器設(shè)備。在高功率焊接方向上我們有：10千瓦光纖激光器、15千瓦光纖激光器、6千瓦半導體激光器。在激光精密加工方向上，我們有皮秒激光器、飛秒激光器，1.5千瓦單模激光器，QCW激光器。此外還包括不同的弧焊設(shè)備：CMT冷弧焊機、等離子弧焊機、TPS 500i弧焊機。電阻點焊方向上有基于WTC/OBARA/BOSCH/商科等控制器的點焊系統(tǒng)。此外分析檢測設(shè)備包括：拉伸機、高速相機、電流壓監(jiān)測儀等等。
研發(fā)中心主要圍繞輕質(zhì)、難加工、高性能材料的激光智能制造展開研究，同時也包括材料的認證測試，高端裝備的開發(fā)。
下面就我們在汽車輕量化材料焊接方向上的工作給大家匯報一下：
第一個要介紹的是第三代高強度鋼激光點焊。第三代高強鋼與第一代和第二代汽車鋼相比，其合金元素豐富和熱處理工序較復雜。在使用常規(guī)電阻點焊第三代高強鋼時候，接頭性能極易弱化，通常出現(xiàn)界面斷裂。我們從2012年開始研究激光點焊，當前激光點焊方法在實際應用中還面臨著不同挑戰(zhàn)。我們開發(fā)了不同的激光點焊方法。首先我們采用常規(guī)激光點焊工藝對第三代高強鋼可焊性展開研究，發(fā)現(xiàn)無論是增大焊接輸入或者增大激光功率密度只能在一定程度上使焊點尺寸增大，同時會出現(xiàn)中心的凹陷，這對性能損傷是非常大的。所以我們開發(fā)了不同的激光點焊的方法，用高速相機在焊接過程中實時拍攝上下表面等離子體的變化。等離子體在一定程度上是反映激光能量的位置或者及吸收的變化。左圖顯示的是常規(guī)激光點焊，等離子體主要出現(xiàn)在下板的，這意味著激光能量穿透下板之后，大部分板料損失了，所以激光焊點尺寸難以長大。右圖表明采用新方法激光能量基本上被完全吸收。
這個方法的優(yōu)勢，首先使焊點尺寸增大之后力學性能有所提升，和常規(guī)激光點焊相比提升60%以上，即使和電阻點焊相比也有大概20%的提升。另外一個優(yōu)勢是在焊接鍍鋅鋼板時無需設(shè)置間隙就能獲得非常好質(zhì)量的焊點。
此外，我們在激光拼焊第三代高強度鋼上也取得新突破。采用常規(guī)激光拼焊工藝，拼焊接頭易沿著焊縫處開裂。當前處理方法是，激光拼焊之后先放置一段時間，通常需要2~3天或采用熱處理的方法。采用傳統(tǒng)的方法，需要增加倉儲，降低了制造效率，有潛在的安全風險。我們開發(fā)了新的激光拼焊新工藝，實現(xiàn)焊接之后無需人工或自然時效，接頭直接斷裂在母材，新方法可以很好地降低成本并提高制造質(zhì)量。
在鋁硅鍍層熱成形鋼激光拼焊上我們也實現(xiàn)了新的突破。過去鋁硅涂層熱成型鋼主要受阿米兩個專利的壟斷，一個是鋁硅涂層方法及熱成形工藝，一個是部分去除鋁硅土層+激光焊接。如果不做預處理直接焊接，鋁會進到焊縫里面生成軟化delta鐵素體相，造成接頭性能急劇下降。我們提出的方法是采用激光填絲方法，這個工藝和焊絲成份是我們特殊設(shè)計的，新方法在杯突測試性能良好，熱沖壓之后接頭性能與母材相當，當前該技術(shù)正在跟汽車零部件供應商進行中試。
后面介紹一些我們在鋁合金激光焊接方面的工作。鋁合金被廣泛地應用在汽車、航空航天等領(lǐng)域。由于鋁合金特殊的材料物理性質(zhì)，熔化焊鋁合金非常困難。當前汽車和航空航天上主要采用鉚接的技術(shù)。但鉚接的方法在新一代鋁合金上也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，比如鉚接7xxx鋁合金時候，在連接接頭通常出現(xiàn)裂紋。為實現(xiàn)不同鋁合金之間的連接，我們發(fā)明了牛頓環(huán)電極及相關(guān)鋁合金焊接新工藝。不同于傳統(tǒng)的電阻點焊，牛頓環(huán)電阻點焊技術(shù)從外向內(nèi)定向形核，而普通電阻點焊是從內(nèi)向外形核，而且形核是隨機的。牛頓環(huán)電阻點焊新技術(shù)在控制飛濺的生成及變形上有著良好的效果，此外牛頓環(huán)電阻點焊新方法可以實現(xiàn)不同系列鋁合金的焊接，包括2xxx,5xxx, 6xxx,7xxx，型材，鑄鋁等的連接。
我們做了不同電阻點焊方法電極壽命的測試。 選用6系鋁合金進行電極壽命測試。從開始一直焊到210個點，然后做截面分析，看焊點尺寸的變化，以及接頭力學性能。可以明顯的看到，常規(guī)的大球面電極基本上焊完60個點之后，焊點尺寸就非常不穩(wěn)定了，向著一頭大一頭小方向發(fā)展，但是我們牛頓環(huán)電極焊完120個點之后，同樣可以保持很好的圓度，同時焊點吸能也是比大球面電極高出10%。牛頓環(huán)電極從60點開始在環(huán)周圍出現(xiàn)輕微粘黏，在210點之后依然僅在環(huán)周圍，而大球面電極30點之后即嚴重粘黏。我們采用牛頓環(huán)電阻點焊焊接7xxx鋁合金門檻。同時也在汽車廠商那里測試了電阻點焊+膠接鋁合金車門的中試實驗，焊點質(zhì)量均滿足實際需求。
在鋁合金激光焊接方面我們也開展了很多工作，這些是一些案例。這是薄板1-1.5毫米，對產(chǎn)品有一個密封的要求以及承受保壓要求，對焊接要求非常高。一個是要求沒有氣孔，一個是整個焊縫非常長。我們已完成相關(guān)產(chǎn)品測試，密封性能夠滿足需求。
在鋁合金填絲焊和激光電弧復合焊，包括型材背壁不焊透，以及搭接各種類型的接頭形式。
我們的工作還包括汽車材料的認證。材料主要包括各類鋼種、鋁合金和鎂合金，方法主要包括電阻點焊，激光含，弧焊，膠接的各種方法?？梢园凑詹煌鳈C廠標準，行業(yè)標準，國標，ISO/AWS/SEP等開展相關(guān)測試工作，當前客戶包括國內(nèi)外不同的鋼廠和鋁廠。
在電阻點焊的測試上，我們提供材料的焊接窗口、接頭性能、裂紋傾向、金相硬度、電極壽命等相關(guān)測試。在弧焊方面，我們給客戶提供參數(shù)范圍、接頭性能、氣孔掃描、裂紋檢測等相關(guān)的測試。膠接方面包括膠接制樣，常規(guī)固化、高低溫固化，鹽霧/高溫高濕測試等等。
以上就是今天我們主要介紹的內(nèi)容，這是楊老師和我的聯(lián)系方式，如果大家有什么疑問或者需求可以后面再交流，謝謝大家。