阿拉巴马大学研究者探索---超高强钢点焊
发布日期：
2018-03-30 点击数:100
图片内容：研究生纳撒尼尔·布里特（图左）、卢克·布鲁尔博士（图中）和本科生米切尔·罗兹用梅塞德斯捐赠的机器进行焊缝的测试。（阿拉巴马大学）
在过去的几十年里，随着汽车线条越来越流畅，车体的质量也越来越轻。但出于怀旧，人们往往浪漫地认为昔日汽车那笨重的车身可以承受任何冲击。然而，这些怀念往往并不是现实，人们往往忽略了现今现实中汽车安全性的实际状况。“几十年来，人们一直未在减轻汽车重量上投入精力，因为他们认为大而重的车型往往具有更高的安全性，但情况并非总是如此。”如果我能用更坚固的钢材制作车身结构，那么我就可以节省一部分原材料”。阿拉巴马大学的工程研究员卢克·布鲁尔博士说。“这样就能保证在汽车减重的情况下仍然能够保证车身本身的防撞性。”从古代开始人类就在通过铁、碳元素冶炼钢铁，钢材的强度在不断的增加。发展到现在，那些新型的先进或超高强度钢材已经在汽车制造领域中崭露头角。
图：研究生刘甜（音）在使用大功率显微镜观察钢材焊接前后的显微组织（阿拉巴马大学）
在汽车制造中，钢的强度越高，用量也就越来越少。随之带来的就是车体自重的减轻，因此对发动机动力的需求就可以减弱。发动机动力的减弱明显会降低自身的工作量，那么发动机所需要的燃料也会随之降低。所以使用高强钢替代传统的钢材制造车身，能够满足政府关于节能减排的要求，也符合消费者降低燃油成本的需要。但是过渡到新型钢种并不像在工厂里置换金属那样简单。超高强度钢与其他钢材的组织不同，所以针对现有钢材的加工制造方法可能并不适用于未来的新型钢种。在汽车制造中，钢身结构需要通过机械方法进行连接，例如紧固、联锁以及焊接。在现代汽车中广泛使用的一种连接方法是电阻点焊，但针对超高强钢进行点焊是一项极大的挑战。
对于企业来讲，焊接加工方式的变革往往伴随着昂贵的投资成本，这对于大多数生产工序已经成熟或颇具规模的企业来讲都难以接受，因此在车身制造中更换材料的问题就转变为现有的汽车制造技术是否仍然能够驾驭新型的钢铁材料。接受挑战对此类问题进行研究的其中一家企业就是德国汽车巨头戴姆勒公司，该公司是一家制造工厂，距离阿拉巴马大学不远，是梅赛德斯-奔驰的美国国际公司。德国的研究人员和阿拉巴马州的工程师们正与布鲁尔和其他大学的人员合作来熟悉这种新型钢材的焊接，并探究焊接方式能否被集成到现有的生产线中。布鲁尔说:“我们正在努力尝试获得更高性能，但更高性能的设计却带来焊接方面的挑战。梅塞德斯想要获得更高性能，但如何能以最佳的方式焊接这一新型钢种确是最大的障碍之一。”
液态金属
在阿拉巴马州奔驰的工厂，工人使用机器人电阻点焊对未喷漆或未添加机械、电气部件之前的白色车身进行连接。不同于常规的焊接手段，这是利用焊枪将金属熔化再连接，电阻点焊使用定向电流产生热和力从而将金属挤压在一起。
图：点焊是在不到一秒的焊接时间，迅速通入7000A的电流，形成比一角硬币略小的焊点。（阿拉巴马大学）
点焊以其具有快速、有力及清洁特点而著称。在阿拉巴马州奔驰公司使用的机器人电阻点焊机器，在不到一秒的时间内，通过瞬时注入大约7000A的电流，形成不超过一枚一角硬币大小的焊点。每一处焊点都可以容纳4000磅的力，不过具体还是要取决于使用情况，而且一辆车有成千上万的焊点，就像汽车被电流钉起来一样。为了防止腐蚀，钢材表面通常要进行镀锌，但是在焊接过程中，当锌涂层熔化并与底层钢发生反应时，就会在加热区域形成裂纹，这种情况称为液态金属脆化。
因此采用超高强度钢进行车身的制造，焊接接头的脆化就会对车身结构的安全性带来潜在的威胁。如果梅塞德斯计划仍然采用电阻点焊进行超高强度钢的焊接，那么其研究人员和工程师就必须要了解这种现象。“大学善于挖掘问题的机理，”布鲁尔说。“在行业内你可能会解决这些问题，但你可能没有机会去了解这些问题消失的根本原因。而如果你想在未来更有效地进行生产，你就需要明白具体的原因。”
理解基本原理
为了更为深入的理解超高强钢的电阻点焊本质，梅塞德斯向阿拉巴马大学捐赠了在阿拉巴马工厂使用的同样的电阻点焊系统。布鲁尔说:“使用相同系统的目的是为了让研究的项目成果能够更好地融入到工厂的生产过程中。”使用相同的材料和相同的机器人，阿拉巴马大学的研究人员使用两种方法进行焊缝的检验-微观尺度检测及计算机模拟计算。
图：马克·巴基博士(图右)和本科生布莱恩·费进行了点焊应力模拟，通过颜色的变化绘制出了剪切时的应力水平。（阿拉巴马大学）
布鲁尔说:“我们希望更好地了解这种钢焊接的基本原理，来制定出改善焊接性能和抑制脆化的工艺条件。”焊接的样品通过美国联合航空中心的分析设备进行检测，该设备拥有高功率的显微镜和探头，可以在微米级尺度上观察焊缝。在那里，博士生刘甜可以观察焊缝及钢材本身的显微结构，这有助于研究团队掌握钢和锌在焊接过程中和之后的表现。另外，阿拉巴马大学的的马克·巴基博士和他的学生通过计算机建模来模拟焊接过程，并通过焊接系统焊接的试验数据来验证计算机模型的准确性。
巴基说:“我们可以通过电脑来节省大量的试验时间，因为我们可以探索和研究更多的焊接参数。”“同时我们能够根据实验室计算出的这些信息提供最好或者更坏的试验数据。”“毕竟，现在我们的问题不是‘这些镀锌钢板可以焊接吗?’，而是该如何能够通过改善焊接工艺实现良好性能的焊接接头从而构成结实的车身”巴基博士如是说。布鲁尔说，两名本科生和一名硕士学位的学生与布鲁尔和巴基合作，并为他们提供汽车行业面临的前沿材料挑战的经验数据。布鲁尔是冶金和材料工程方向的副教授，巴基是航天工程和力学方向的教授。
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