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创新连接工艺完美满足汽车轻量化设计需求

来源:荣格 发布时间:2017-09-07 470
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近日,特斯拉(Tesla)宣布提前量产并交付首批30辆Model 3 电动车,该消息一出瞬间刷爆汽车圈。不同于Model S的全铝车身,此次特斯拉Model 3车身使用的是钢铝混合结构,严格控制住了成本。那么,特斯拉是如何克服铝合金的焊接难点呢?

特斯拉Model 3 车身使用的是钢铝混合结构

特斯拉Model 3 车身使用的是钢铝混合结构

在减少环境污染和燃油经济性等多重压力下,汽车轻量化越来越被社会及企业重视。据国际研究机构实验表明,如果汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车整车质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3~0.6升。因此,以轻质铝材替代传统钢材的趋势正在汽车制造行业风行。

为了帮助汽车“瘦身减重”,特斯拉研发并制造的Model S采用了大量的轻量化材料,该车包含了250项专利。其全铝车身兼顾了轻量化与高强度特性,除车身外,其前后悬架大部分材料也采用铝材。从制造的角度看,这款车的制造方式与传统汽车有着本质的不同。由于铝合金材料对“热”较敏感,如果采用传统焊接工艺,会存在材料强度下降的问题,而且由于受热易变形,全铝车身拼合尺寸精度也不易控制。那么,特斯拉是如何克服铝合金焊接过程的难点呢?

据透露,特斯拉电动车焊接工艺选择的是奥地利伏能士焊接技术国际有限公司(Fronius international GmbH.,以下简称“伏能士”)的CMT冷金属过渡技术和DeltaSpot电阻点焊技术。这些技术是如何帮助特斯拉克服铝合金材料遇热易变型的难点呢?

CMT冷金属过渡技术——焊接技术的革命性突破

2005年,伏能士首次推出CMT(Cold Metal Transfer)冷金属过渡技术,引起了轰动,该技术在世界上首次实现了钢和铝的连接。和传统的MIG/MAG焊接相比,CMT工艺真的是“冷过渡”。

◆CMT热输入量低、变形小——CMT将焊丝的运动直接同焊接过程控制相结合,熔滴过渡时电流降至几乎为零,完全通过焊丝的回抽将熔滴送进熔池,使得热输入量迅速减少,而且对焊缝持续的热量输出时间短,从而给焊缝一个冷却的过程,显著降低了薄板焊接变形量,同时使得焊缝形成良好的搭桥能力,进而降低了零部件的装配间隙要求及对夹具精度的要求。据伏能士介绍,CMT可焊接厚度仅为0.3mm的超轻板材。

◆CMT拥有极为稳定的电弧——电弧长度可被机械检测和调整,无论零部件表面情况如何或想以何种速度进行焊接,电弧始终保持稳定,焊接过程几乎无飞溅,更无烧穿现象。

◆CMT稀释率极低——适用于金属材料的堆焊,可实现3D打印制造。

DeltaSpot电阻点焊技术——创新的电阻焊工艺

伏能士的DeltaSpot电阻点焊工艺则是针对铝焊而开发的新技术,其创新之处在于配备了独特的电极带(见图1),这带来了前所未有的优势:

图1 DeltaSpot 电极带

图1 DeltaSpot 电极带

◆ 极高的工艺可靠性,每个电阻焊点均可达到100%的重复精度。母材和电极受到电极带保护,电极带在电极和需要接合的母材之间运动从而实现连续的焊接过程,确保在多个班制中保持恒定的质量水平。

◆ 每个焊点都使用全新的有效电极, 电极使用寿命更长。由于电极带的保护,电极头避免了来自于母材的磨损,同时避免了受到锌、铝或有机残渣的污染。在这样的保护下,电极的使用寿命显著提高。在用铝板(AlMg3合金)做的焊接实验当中,电极的使用寿命高达大约 30,000个焊点。

◆ 焊接表面无飞溅。由于电极与母材不进行直接接触,因此确保了无飞溅的焊接效果。尤其是在焊接铝板时,电极带的涂层能够优化与铝材的接触,避免了飞溅及由此造成的部件损坏。

◆ 利用电极带,可精确控制热输入量。三板连接(两张厚板、一张薄板)对于传统的点焊来说是个老大难问题。焊点在厚板范围内形成,不足以抓住薄板。而DeltaSpot的电极带通过其额外的热输入有针对性地控制焊点的深度。因此,薄板范围中的低热量能够通过电极带利用高电阻来弥补。焊点以这种方式充分深入薄板。同时焊点形状更加对称,在薄板范围内的焊缝体积更大。

图2 DeltaSpot 电焊机

图2 DeltaSpot 电焊机

◆不仅在铝焊方面表现出色,DeltaSpot在不同厚度/不同材料焊接方面也具有不可比拟的优势,例如,高标准的焊点外观、表面镀层的高强钢材料焊接等。DeltaSpot电焊机(见图2)可焊接的母材包括高强钢、表面镀层材料、铝、不锈钢、钛、镁、复合材料等。

新一代智能化MIG/MAG焊机TPS/i

为与不断发展的新式数字总线结构相适应,进一步提高对电弧的控制精度,伏能士重新开发了新一代的智能化MIG/MAG焊机TPS/i系列(见图3)。相比目前应用最广泛的全数字化TPS焊机,新一代TPS/i系列焊机是焊机技术发展的又一次飞跃。TPS/i系列焊机采用SpeedNet高速网络结构,整个系统采用全新设计。无论是控制系统、送丝系统、人机交互系统,还是焊枪与线缆,全部是以新的理念,新的标准来设计制造。它将把MIG焊机的使用引入到现代化的智能工业时代。

图3 TPS-i 智能焊机

图3 TPS-i 智能焊机


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