2021车身大会 | 陶武：汽车轻量化材料的焊接及连接

2021年3月23 -24日，由加斯帕主办的“2021中国体大会”隆重举行。本次会议围绕车辆轻量化、车辆安全法规、车身结构设计、先进车身材料、仿真技术、模块化车身结构等行业焦点话题展开。并对产业发展提出建议。会议期间，中科院上海光机所的吴涛做了精彩的演讲，内容如下。

中国科学院上海光学精密机械研究所吴涛

大家好，上海光机所激光智能制造技术研发中心主要有四个方向:大功率激光焊接技术与装备；超快激光精密制造:激光冲击强化；激光加减料一体化制造设备。目前已经形成了1+X的协同创新模式。上海光机所是技术创新的源头，其分支机构(南京先进激光技术研究所、杭州光机所、芜湖激光技术应用示范中心、九江激光技术应用示范中心)是技术转移转化基地。此外，我们还开展先进焊接与连接领域的相关研究，包括电阻点焊、胶接、铆接等。

我们实验室有不同的科研仪器和设备。在大功率焊接方向，我们有:10 kW光纤激光器，15 kW光纤激光器，6 kW半导体激光器。在激光精密加工方向，我们有皮秒激光、飞秒激光、1.5 kW单模激光、QCW激光。此外，它还包括不同的弧焊设备:CMT冷弧焊机，等离子弧焊机和TPS 500i弧焊机。在电阻点焊方向，有基于WTC/奥巴拉/博世/尚可等控制器的点焊系统。此外，分析测试设备还包括:拉伸机、高速摄像机、电流电压监测仪等。

R&D中心主要致力于轻型、难加工和高性能材料的激光智能制造，还包括材料的认证和测试以及高端设备的开发。

让我们报告一下我们在汽车用轻质材料焊接方向的工作:

第一个是第三代高强度钢激光点焊。与第一代和第二代汽车用钢相比，第三代高强度钢合金元素丰富，热处理工艺复杂。使用第三代高强度钢的常规电阻点焊时，接头性能容易减弱，并且经常发生界面断裂。我们从2012年开始研究激光点焊，目前的激光点焊方法在实际应用中仍然面临着不同的挑战。我们开发了不同的激光点焊方法。首先，我们用常规激光点焊技术研究了第三代高强度钢的焊接性，发现增加焊接输入量或提高激光功率密度只能在一定程度上增加焊点的尺寸，同时中心会出现凹陷，这对性能是非常有害的。因此，我们开发了不同的激光点焊方法，利用高速摄像机实时拍摄焊接过程中上下表面等离子体的变化。等离子体在一定程度上反映了激光能量的位置或吸收变化。左图是常规的激光点焊，等离子体主要出现在下板，也就是说激光能量穿透下板后，大部分板都损失掉了，所以激光点焊的尺寸很难增长。右图是新方法基本上完全吸收了激光能量。

这种方法的优点是:第一，焊点尺寸增大后机械性能提高，比常规激光点焊提高60%以上，甚至比电阻点焊提高20%左右。另一个优点是，当焊接镀锌钢板时，可以获得质量非常好的焊点，而无需设置间隙。

此外，我们还在激光拼焊第三代高强度钢方面取得了新的突破。采用传统的激光拼焊工艺，拼焊接头容易沿焊缝开裂。目前的处理方法是激光拼焊后放置一段时间，一般需要2~3天或热处理。传统方法需要增加存储，降低了制造效率，存在安全隐患。我们开发了新的激光拼焊工艺，实现了焊接后无需人工或自然时效，接头直接在基材上断开。新方法能很好地降低成本，提高制造质量。

我们还在铝硅涂层热成型钢的激光拼焊方面取得了新的突破。过去，铝硅涂层热成型钢主要由Ami的两项专利垄断，一项是铝硅涂层方法和热成型工艺，另一项是部分去除铝硅s……l层和激光焊接。如果不经预处理直接焊接，铝会进入焊缝形成软化的δ铁素体相，导致接头性能急剧下降。我们提出的方法是用激光填丝法。这项技术和焊丝成分是我们特别设计的。新方法在杯突试验中表现良好，热冲压后的接头性能与母材相当。目前，这项技术正在与汽车零部件供应商进行试点。

我们在铝合金激光焊接方面的一些工作将在后面介绍。铝合金广泛应用于汽车、航空航天等领域。由于铝合金特殊的物理性能，铝合金的熔化焊接非常困难。目前铆接技术主要应用于汽车和航空航天领域。然而，铆接方法在新一代铝合金中也面临着巨大的挑战。比如铆接7xxx铝合金时，连接处通常会出现裂纹。为了实现不同铝合金之间的连接，我们发明了牛顿环电极以及相关的铝合金焊接新技术。与传统电阻点焊不同的是，牛顿环电阻点焊技术是从外向内成核，而普通电阻点焊是从内部成核，成核是随机的。牛顿环电阻点焊新工艺在控制飞溅的形成和变形方面有很好的效果。此外，牛顿环电阻点焊新方法可以实现不同系列铝合金的焊接，包括2xxx、5xxx、6xxx、7xxx、型材、铸铝的连接。

我们测试了不同电阻点焊方法的电极寿命。电极寿命试验选用6系铝合金。从开始焊接到210点，然后进行截面分析，看焊点尺寸的变化，以及接头的力学性能。可以清楚的看到，常规的球形电极基本焊完60个点后，焊点的大小就很不稳定，在向一大一小的方向发展。而我们的牛顿环电极在焊接120点后，也能保持很好的圆度，焊点的能量吸收比球形电极高10%。牛顿环电极从60点钟开始在环周围出现轻微粘性，210点以后只在环周围保持，而大球形电极在30点以后粘性严重。我们用牛顿环电阻点焊来焊接7xxx铝合金门槛。同时在汽车厂家进行了电阻点焊+粘接铝合金车门的中试实验，焊点质量满足实际需求。

在铝合金激光焊接方面我们也做了很多工作。这是一些案例。这是1-1.5 mm的薄片，对产品有密封要求和保压要求，对焊接有非常高的要求。一是没有气孔，二是整个焊缝很长。我们已经完成了相关的产品测试，密封性能能够满足需求。

铝合金的填丝焊和激光电弧复合焊，包括型材后壁未焊透和各种类型的搭接。

我们的工作还包括汽车材料的认证。材料主要包括各种钢、铝合金、镁合金，方法主要有电阻点焊、激光熔覆、电弧焊、胶接等。我们可以根据不同的OEM标准、行业标准、国家标准、ISO/AWS/SEP等进行相关测试。目前，我们的客户包括国内外不同的钢厂和铝厂。

在电阻点焊测试中，我们提供了焊接窗口、接头性能、裂纹倾向、金相硬度、电极寿命等相关测试。在电弧焊方面，我们为客户提供参数范围、接头性能、气孔扫描、裂纹检测等相关测试。粘接包括粘接样品制备、常规固化、高低温固化、盐雾/高温高湿测试等。

以上是我们今天主要介绍的内容。这是我和杨老师的联系方式。如果有什么问题或者需求，可以以后再交流。谢谢你。2021年3月23 -24日，由加斯帕主办的“2021中国体大会”隆重举行。本次会议聚焦于……行业车辆轻量化、车辆安全法规、车身结构设计、先进车身材料、仿真技术、模块化车身结构等。并对产业发展提出建议。会议期间，中科院上海光机所的吴涛做了精彩的演讲，内容如下。

中国科学院上海光学精密机械研究所吴涛

大家好，上海光机所激光智能制造技术研发中心主要有四个方向:大功率激光焊接技术与装备；超快激光精密制造:激光冲击强化；激光加减料一体化制造设备。目前已经形成了1+X的协同创新模式。上海光机所是技术创新的源头，其分支机构(南京先进激光技术研究所、杭州光机所、芜湖激光技术应用示范中心、九江激光技术应用示范中心)是技术转移转化基地。此外，我们还开展先进焊接与连接领域的相关研究，包括电阻点焊、胶接、铆接等。

我们实验室有不同的科研仪器和设备。在大功率焊接方向，我们有:10 kW光纤激光器，15 kW光纤激光器，6 kW半导体激光器。在激光精密加工方向，我们有皮秒激光、飞秒激光、1.5 kW单模激光、QCW激光。此外，它还包括不同的弧焊设备:CMT冷弧焊机，等离子弧焊机和TPS 500i弧焊机。在电阻点焊方向，有基于WTC/奥巴拉/博世/尚可等控制器的点焊系统。此外，分析测试设备还包括:拉伸机、高速摄像机、电流电压监测仪等。

R&D中心主要致力于轻型、难加工和高性能材料的激光智能制造，还包括材料的认证和测试以及高端设备的开发。

让我们报告一下我们在汽车用轻质材料焊接方向的工作:

第一个是第三代高强度钢激光点焊。与第一代和第二代汽车用钢相比，第三代高强度钢合金元素丰富，热处理工艺复杂。使用第三代高强度钢的常规电阻点焊时，接头性能容易减弱，并且经常发生界面断裂。我们从2012年开始研究激光点焊，目前的激光点焊方法在实际应用中仍然面临着不同的挑战。我们开发了不同的激光点焊方法。首先，我们用常规激光点焊技术研究了第三代高强度钢的焊接性，发现增加焊接输入量或提高激光功率密度只能在一定程度上增加焊点的尺寸，同时中心会出现凹陷，这对性能是非常有害的。因此，我们开发了不同的激光点焊方法，利用高速摄像机实时拍摄焊接过程中上下表面等离子体的变化。等离子体在一定程度上反映了激光能量的位置或吸收变化。左图是常规的激光点焊，等离子体主要出现在下板，也就是说激光能量穿透下板后，大部分板都损失掉了，所以激光点焊的尺寸很难增长。右图是新方法基本上完全吸收了激光能量。

这种方法的优点是:第一，焊点尺寸增大后机械性能提高，比常规激光点焊提高60%以上，甚至比电阻点焊提高20%左右。另一个优点是，当焊接镀锌钢板时，可以获得质量非常好的焊点，而无需设置间隙。

此外，我们还在激光拼焊第三代高强度钢方面取得了新的突破。采用传统的激光拼焊工艺，拼焊接头容易沿焊缝开裂。目前的处理方法是激光拼焊后放置一段时间，一般需要2~3天或热处理。传统方法需要增加存储，降低了制造效率，存在安全隐患。我们开发了新的激光拼焊工艺，实现了焊接后无需人工或自然时效，接头直接在基材上断开。新方法能很好地降低成本，提高制造质量。

我们还在铝硅涂层热成型钢的激光拼焊方面取得了新的突破。过去，铝硅涂层热成型钢主要由Ami的两项专利垄断，一项是铝硅涂层方法和热成型工艺，另一项是部分去除铝硅s……l层和激光焊接。如果不经预处理直接焊接，铝会进入焊缝形成软化的δ铁素体相，导致接头性能急剧下降。我们提出的方法是用激光填丝法。这项技术和焊丝成分是我们特别设计的。新方法在杯突试验中表现良好，热冲压后的接头性能与母材相当。目前，这项技术正在与汽车零部件供应商进行试点。

我们在铝合金激光焊接方面的一些工作将在后面介绍。铝合金广泛应用于汽车、航空航天等领域。由于铝合金特殊的物理性能，铝合金的熔化焊接非常困难。目前铆接技术主要应用于汽车和航空航天领域。然而，铆接方法在新一代铝合金中也面临着巨大的挑战。比如铆接7xxx铝合金时，连接处通常会出现裂纹。为了实现不同铝合金之间的连接，我们发明了牛顿环电极以及相关的铝合金焊接新技术。与传统电阻点焊不同的是，牛顿环电阻点焊技术是从外向内成核，而普通电阻点焊是从内部成核，成核是随机的。牛顿环电阻点焊新工艺在控制飞溅的形成和变形方面有很好的效果。此外，牛顿环电阻点焊新方法可以实现不同系列铝合金的焊接，包括2xxx、5xxx、6xxx、7xxx、型材、铸铝的连接。

我们测试了不同电阻点焊方法的电极寿命。电极寿命试验选用6系铝合金。从开始焊接到210点，然后进行截面分析，看焊点尺寸的变化，以及接头的力学性能。可以清楚的看到，常规的球形电极基本焊完60个点后，焊点的大小就很不稳定，在向一大一小的方向发展。而我们的牛顿环电极在焊接120点后，也能保持很好的圆度，焊点的能量吸收比球形电极高10%。牛顿环电极从60点钟开始在环周围出现轻微粘性，210点以后只在环周围保持，而大球形电极在30点以后粘性严重。我们用牛顿环电阻点焊来焊接7xxx铝合金门槛。同时在汽车厂家进行了电阻点焊+粘接铝合金车门的中试实验，焊点质量满足实际需求。

在铝合金激光焊接方面我们也做了很多工作。这是一些案例。这是1-1.5 mm的薄片，对产品有密封要求和保压要求，对焊接有非常高的要求。一是没有气孔，二是整个焊缝很长。我们已经完成了相关的产品测试，密封性能能够满足需求。

铝合金的填丝焊和激光电弧复合焊，包括型材后壁未焊透和各种类型的搭接。

我们的工作还包括汽车材料的认证。材料主要包括各种钢、铝合金、镁合金，方法主要有电阻点焊、激光熔覆、电弧焊、胶接等。我们可以根据不同的OEM标准、行业标准、国家标准、ISO/AWS/SEP等进行相关测试。目前，我们的客户包括国内外不同的钢厂和铝厂。

在电阻点焊测试中，我们提供了焊接窗口、接头性能、裂纹倾向、金相硬度、电极寿命等相关测试。在电弧焊方面，我们为客户提供参数范围、接头性能、气孔扫描、裂纹检测等相关测试。粘接包括粘接样品制备、常规固化、高低温固化、盐雾/高温高湿测试等。

以上是我们今天主要介绍的内容。这是我和杨老师的联系方式。如果有什么问题或者需求，可以以后再交流。谢谢你。

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