日前，來自美國俄亥俄州立大學(xué)的研究小組對外宣布成功研發(fā)出了一種蒸汽鋁箔焊接法（VFAW，Vaporized Foil Actuator Welding）。該全新的焊接方法與傳統(tǒng)焊接工藝相比可以降低超過80%的能量消耗，同時(shí)焊接的強(qiáng)度也可以提升50%。

　　全新的蒸汽鋁箔焊接方法的推出對于汽車行業(yè)而言具有非同尋常的意義。由于目前汽車行業(yè)對輕量化設(shè)計(jì)的需要越來越多，那么這也就意味著在同一輛汽車中需要同時(shí)應(yīng)用多種材料，那么不同材料之間的連接問題就成了問題的關(guān)鍵所在。例如常規(guī)材料的鋼材零件有時(shí)候需要與輕量化設(shè)計(jì)的鋁合金零件進(jìn)行焊接，而傳統(tǒng)的焊接工藝根本無法滿足焊接的要求。而通過以上全新蒸汽鋁箔焊接方法就可以很好地解決這個(gè)問題。

　　俄亥俄州立大學(xué)材料科學(xué)與工程方面的教授Glenn Daehn作為以上全新蒸汽鋁箔焊接法研究小組的參與者與領(lǐng)導(dǎo)者，其在2015年材料科學(xué)與工程技術(shù)國際大會上就該技術(shù)的具體工作過程發(fā)表了講話。而此次材料科學(xué)與工程技術(shù)國際大會是由美國陶瓷學(xué)會、鋼鐵技術(shù)協(xié)會、先進(jìn)半導(dǎo)體材料國際組織以及礦物、金屬材料協(xié)會共同組織舉辦的。
 

美研發(fā)蒸汽鋁箔焊接方法應(yīng)用汽車業(yè) 
 

　　Glenn Daehn表示盡管目前材料創(chuàng)新方面取得了大幅的進(jìn)步，但是按照現(xiàn)有的焊接工藝來說新材料的焊接加工問題是目前最為關(guān)鍵的難點(diǎn)。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)的焊接工藝新材料在焊接加工過程中可能會因?yàn)檫^熱或重塑過程而降低材料原有的特性。

　　在目前常用的電阻點(diǎn)焊中，用戶需要為待焊接金屬通入一個(gè)較大的電流，在這種大電流情況下金屬自身帶有的阻抗就會因此發(fā)熱，而通過發(fā)熱就可以將金屬加熱到熔融狀態(tài)從而達(dá)到焊接的目的。然而電阻點(diǎn)焊需要大電流就意味著焊接過程需要消耗的能量就會較大，同時(shí)由此得到的焊接焊縫的力學(xué)性能一定不可能達(dá)到與原材料相同的性能表現(xiàn)。

　　在過去的十幾年中，Glenn Daehn與其研發(fā)小組成員針對以上問題進(jìn)行了大量的研究工作。截止至今Glenn Daehn領(lǐng)導(dǎo)的研究小組針對以上蒸汽鋁箔焊接方法已經(jīng)成功申請到了超過6份的技術(shù)專利。

　　全新蒸汽鋁箔焊接法具體工作原理為：先將兩塊待焊接金屬緊密疊放，然后再在兩側(cè)分別放置超薄的導(dǎo)電體，再接通高壓電流，在接通電流的一瞬間導(dǎo)電體溫度會急劇上升從而達(dá)到沸點(diǎn)的溫度從而蒸發(fā)，導(dǎo)電體蒸發(fā)產(chǎn)生的巨大熱氣沖力會將金屬向彼此的方向按壓，最終兩塊金屬便焊接在了一起。在該焊接過程中兩種金屬的原子發(fā)生了重新排列，彼此嵌套，因此焊接部位的牢固程度可以提升50%。

　　同時(shí)由于高壓電流的施加時(shí)間為一瞬間，因此該焊接過程所消耗的能量也可以大幅降低約80%。在以上Glenn Daehn研究小組研發(fā)推出的全新蒸汽鋁箔焊接法中采用了一個(gè)高壓的電容器和超薄的鋁箔。其中通過高壓電容器就可以產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的超高壓電流脈沖，該高壓電流脈沖持續(xù)時(shí)間大約僅維持在幾毫秒，而就在這幾毫秒內(nèi)超薄的鋁箔會因?yàn)楦邏弘娏鞯淖饔谜舭l(fā)，而由此產(chǎn)生的巨大的熱氣沖力就可以將兩種金屬緊緊地焊接結(jié)合到一起。在此過程中兩者相對運(yùn)動的速度竟可以達(dá)到數(shù)千英里/小時(shí)。由于在以上焊接過程中并不會產(chǎn)生金屬熔融的過程，因此焊接的焊縫也并不會因此而損失一些原有的力學(xué)性能。與此相反的是在該焊接過程中兩種金屬的原子會進(jìn)行重新排列最終彼此嵌套，因此焊接部位的牢固程度可以得到大幅的提升。

　　以上全新蒸汽鋁箔焊接法由于在焊接時(shí)所需要的電流脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，所以其需要消耗的能量也更少。同時(shí)鋁箔蒸發(fā)所需要的能量與金屬熔融需要的能量相比也要少很多，所以全新蒸汽鋁箔焊接法更加節(jié)能環(huán)保。

　　截止至目前，Glenn Daehn領(lǐng)導(dǎo)的俄亥俄州立大學(xué)研究小組已經(jīng)成功對銅、鋁、鎂、鐵、鎳和鈦等金屬材料分別進(jìn)行了排列組合焊接實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)可知，采用以上全新蒸汽鋁箔焊接法焊接得到的普通碳鋼與鋁的焊接部位以及高強(qiáng)度鋼與鋁的焊接部位連接的非常牢固，其焊接部位的力學(xué)性能與原材料相比還提高了許多。

　　全新蒸汽鋁箔焊接法在進(jìn)行焊接的過程中還可以同時(shí)進(jìn)行零件整形工作，這樣一來就可以為進(jìn)一步為制造廠商節(jié)約成本。對此，Glenn Daehn與其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組希望可以與制造廠商建立合作關(guān)系從而共同研發(fā)利用該先進(jìn)的焊接方法。關(guān)于以上與制造廠商建立合作關(guān)系的提議最終將需要得到俄亥俄州立大學(xué)技術(shù)商業(yè)化辦公室的批準(zhǔn)。

　　蒸汽鋁箔焊接法項(xiàng)目得到了美國能源部和美國國家科學(xué)基金會的贊助支持，同時(shí)該項(xiàng)目也是美國國家科學(xué)基金會一期商業(yè)化項(xiàng)目的合作范例。此外該項(xiàng)目還得到了俄亥俄州的全力贊助支持，除以上外該項(xiàng)目還得到了俄亥俄州高等教育部的贊助支持。

責(zé)任編輯：李玲珊

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