瑞典研究者改进汽车搅拌摩擦焊接工艺

  搅拌摩擦焊接技术(FSW)是一项比较先进的汽车制造工艺,而近日,瑞典西部大学(UniversityWest)研究者指出了这项工艺的两项缺点焊接路径精度低以及焊接温度难以控制。为了给汽车减重,汽车制造商们喜欢将多种材料混搭用于车身,例如铝钢混合。

  传统的方法无法将不同材料焊接在一起。摩擦搅拌焊接技术则能够实现将不同材料结合,利用工业机器臂,能够在工艺复杂的生产线上实现搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针(weldingpin)伸入工件的接缝处,通过焊头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上,焊头边高速旋转,边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌,焊头的肩部与工件表面摩擦生热,并用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。焊接过程中不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。消耗的是焊接搅拌头。同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是铝合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。技术障碍尚存目前,搅拌摩擦焊接法尚面临两项挑战。点就是机器人合规问题。路径精度是搅拌摩擦焊接中保证焊接质量的重要一环。焊接路径出现偏差容易导致焊接缺陷的出现。第二点是针对不同几何形状的材料,该方法的散热性不同。这一问题会导致焊接温度不一致。特别是在力控制机器人操作时,由于机器人的操作力度被事先设定,因此或将会出现焊接缺陷、甚至材料过热损坏。解决方案为了解决个问题,研究者在某此焊接工序完成后测量路径偏差,并用摄像机和激光距离探测器在焊接进行时监控。采用这种方法可以评估出焊接过程中焊头位置偏移量,减少焊接缺陷的出现率。而针对第二个问题,研究者开发出一种全新的温度测量法,基于热电效应,可检测焊接工具和工件表面的温度。温度作为参数输入一个闭环温度控制器,控制器将会调节焊接工具的旋转速度以及轴向载荷。通过以上方法,完成一个三维的焊接工序仅需要几个小时,而采用以前的人工检测,则需要花费1周时间。本文作者Dr.JeroenDeBacker表示,在混合动力和电动车中也可采用全新的焊接方法。电动车和混动车的电池模块中存在多种金属材料,例如铝和铜。摩擦搅拌焊接法或许能够用于将电池直接固定在汽车底盘中,让电池成为车身承载结构的一部分。

瑞典研究者改进汽车搅拌摩擦焊接工艺