轻量化是当今汽车工程师面临的最大挑战。汽车制造商们正在争先恐后地生产含有多种减重材料的汽车，比如铝、碳纤维复合材料、高强度钢、镁和塑料。
找到这些材料相对容易。硬的部分是连接不同的材料，如铝和钢。
根据最近由杜邦汽车赞助的一项研究，脱离车辆的重量是汽车行业最大的技术问题。汽车制造商和供应商的难以实现的目标是2025咖啡馆（企业平均燃料经济经济）任务，这需要新车和卡车达到每加仑55英里。
实现更好的燃油经济性的最佳方式是使用更轻的材料。这就是为什么汽车一直在多年的饮食习惯。2015年车辆是于2014年机型轻25磅。今年以来，平均新车将摆脱至少还有50磅。
“轻质和轻质结构材料的使用继续将行业仍然专注的策略列表，”德国丹麦州营销经理Brian Fish说，Brian Fish说。“轻量化可以应用于几乎每个组件和部分。然而，动力总成和底盘[是主要领域]汽车制造商瞄准轻质。“
Fish说，制造商为了达到CAFE标准，最受欢迎的两个材料家族是铝(25%)和多材料解决方案(21%)。除了动力总成和底盘部件，工程师们还将注意力集中在悬挂部件和关闭面板上，如门、遮阳盖、引擎盖和升降门。其他受欢迎的轻量化方案包括发动机支架、座椅框架、座椅轨道和舵机。
诱人的铝
2009年以来，的铝作为车辆重量的组分的百分比冲高17％，平均为379磅每车辆。而且，最近全球达科LLC进行的一项研究预测，在汽车铝含量最多增加至30％，在未来的十年。
这种冲击主要来自轧制和挤压产品。汽车车身板领涨，预计在10年期间增长110%。
铝比钢有许多优点。例如，1公斤的铝可以代替2公斤的钢。轻质材料还能抗腐蚀，提供了良好的强度和低质量的混合，有助于提高燃油经济性。
此外，整体性能得以提高。汽车的轻量化铝可以加速更快，刹车比他们的同行更重更快。
Depsite铝的进展，钢不会很快消失的任何时间。事实上，先进高强度钢新牌号有更强，更轻，比材料的传统等级更成型。而且，新一代的先进的，高强度合金，目前正在为汽车行业而开发。
“铝 - 钢连接应用已经很长一段时间的增加，”艾伦·陶布，在明日（LIFT）轻型创新的技术总监说。“虽然减肥是所有运输应用[重要]，它是在汽车行业尤为关键。
Taub曾在福特、通用汽车和通用电气的研发部门工作过，他补充道:“一般来说，为了达到最佳的重量，工程师需要在每个部件中使用最好的材料。”“这种灵活性的结果往往是混合材料的解决方案。
“这是导致在需要加入的钢和铝，急剧增加由于整体需要掺入的材料具有不同的在特定位置的属性，以优化两者的质量和性能的整体设计，”托布指出。
“有在汽车行业需求较大的工艺加入铝和钢，补充说：”迈克尔Eff为，在搅拌摩擦在EWI焊接组的应用工程师。“一个很好的例子是铝体驱动轴每端钢的连接器。
Eff解释道:“传动轴的末端容易磨损，而钢制的更抗磨损，而铝制的车身极大地减轻了传动轴的重量。”“通过平衡铝和钢的性能，人们能够获得一个更轻的传动轴，在组件的寿命期内没有损失。”
“我们看到了这方面的巨大关注，特别是在将先进的超高合金钢与铝连接方面，”冷水机械公司(Coldwater Machine Co.)总裁蒂姆•麦考赫(Tim McCaughey)指出。该公司开发了摩擦焊接技术，可将多种不同材料连接起来。“汽车制造商非常关注能够提高行驶里程性能的新汽车技术。”
众多挑战
把铝和钢零件焊接在一起说起来容易做起来难。这是因为铝的性能与钢有很大的不同。例如，它有三倍的导热系数，四倍的导电性，需要三倍高的焊接电流。
铝的熔化温度约为650℃，钢为1538℃。这意味着铝接头会在钢接头熔化之前熔化并流走。铝和钢在导热系数和比热上的巨大差异造成了显著的热应力。
Eff说:“将铝焊接到钢上最大的挑战是金属间化合物的形成，这是一种高度有序的化合物，尽管是由金属元素组成，但其行为却像陶瓷一样。”“这些化合物形成非常快，非常脆弱，很难预防。控制或消除这些金属间化合物是产生良好焊缝的关键。”
“将铝加入其他金属时最关键的因素是冶金问题，”麦克约特添加了。“在热量的影响下，在两种材料之间的界面处形成金属间相。
“金属间化合物是具有晶体结构，它是从主组件的不同两个主要组件之间的中间组合物”，麦考伊解释。“越施加热，较大的含有金属间相和关节的较差的机械性能的区域”。
当加入不同材料时的另一个问题是电偶腐蚀。不同的导电材料具有不同的电极电位。当它们与电解液接触时，一种材料可以作为阳极，另一种材料可以作为阴极。这导致其中一种金属优先腐蚀另一种金属。
焊接优势
焊接提供了几个优势，其他钢-铝连接方法，如铆接和结构粘接。
根据McCaughey的说法，目前的机械连接过程“尚未证明能够生产出优于传统焊接的关节。例如，铆钉不能提供与融合或粘合焊接接头相同的质量接头。“
“焊接允许对结构增加或没有重量的联合设计，”添加效果。“铆接和粘合剂需要重叠，这增加了材料成本，并以粘合剂或铆钉的形式添加第三个体，进一步增加了结构的重量和成本。
“焊接提供低成本的联合准备，”EFF解释。“焊接接头制剂通过工艺变化，但最多需要清洁相对直的边缘。粘合剂通常可包括非常复杂的折叠以增加强度，以提高成本和重量。传统的铆接需要为每个铆钉钻孔，该铆钉为组装增加了大量成本。
“焊接可以提供最快的组装周期，”Eff说。“当使用电阻焊或摩擦焊将铝与钢连接时，焊接可以在300毫秒内完成。一旦焊接完成，它的结构立即稳定，并为下一步的生产做好准备。
Eff指出:“铆接装配时间要长得多，每个铆钉必须单独放置。“像摩擦搅拌焊接这样的技术可以实现连续焊接。
Eff补充道:“粘合剂需要一定的固化时间，在结构稳定之前，通常会有热威胁，在生产过程中需要用铆钉或固定装置将组件固定在一起。”
“焊接提供了匹配或超过其他加入过程的优势”，“注意事项”。“然而，焊接过程窗户可能会变小，需要比其他加入替代方案更多的开发。”
用于连接钢和铝部件的焊接工艺类型通常由接头的设计要求决定。
“固态焊接在焊接到钢时提供了最佳的关节强度，”Eff说。“摩擦焊接家庭（惯性，直接驱动和线性摩擦焊接）将铝制成铝合金的钢结构。与固态连接相比，电阻点焊也能够将铝与钢连接到钢中，略微强度敲低。
“摩擦搅拌焊接时，需要连续的线性关节一个很好的选择，” Eff为解释。“传统的融合过程，如电弧焊接和激光焊接，产生大量的金属间层，因此通常是错误的选择用于接合铝钢”。
摩擦焊接在相对运动的工件之间产生机械摩擦，彼此加热，直到它们在接合界面处达到塑料状态（非熔化）。然后通过力锻造材料，产生关节。
“[这种类型]焊接的主要优点是它允许加入不同的材料，”麦克·蒙古。“通常，两种材料的熔点的广泛差异将使不可能使用传统技术焊接，并且需要某种机械连接。”
根据McCaughey的说法，摩擦焊接提供了一种没有额外重量的全强度粘合。他指出:“与其他连接技术相比，它提供了许多好处，包括消除填充金属或助焊剂，更高质量的接头，非常小的热影响区域，没有粗晶粒形成。”
新加入技巧
两年前，冷水机推出基于笔芯搅拌摩擦点焊技术，新加盟的过程。
SpotMeld使制造商能够焊接1000-7000系列铝，镁，有色金属和其他板材。它为电阻点焊、激光焊接和铆接等单点连接工艺提供了一种性价比高的替代方案。SpotMeld利用旋转摩擦来加热材料，同时利用压力来使用耐磨工具将两个或多个表面连接在一起。
“随着对轻量化的举动，原始设备制造商都在寻找最有效的方式，以减轻重量，而不会牺牲质量或安全。”麦考伊说。“处理这些较轻的材料所需要的现有的技术通常添加重量或成本，结果在低焊接强度或有气孔缺陷。我们的焊接系统克服了这些问题，并且是高效的，足以在生产环境中运行“。
McCaughey和他的同事们也最近开发出一种称为SpinMeld的焊接过程，可以加入铝，钢和其他轻质材料。它依赖于旋转摩擦焊接原理和直接驱动方法。
旋转工件由电动机以恒定速度驱动，通过旋转摩擦和外力与静止工件连接。这是一个极其快速的过程，在足够的温度下产生摩擦热，使材料在接合界面达到塑性状态(非熔化或固态)。然后这些材料被强行锻造在一起。
除了他们加入不同材料的能力之外，SpinMELD和Spotmeld都是环保过程，可消除填充金属，助熔剂或屏蔽气体的需求。其他益处包括高质量的接头，具有小的热影响区域和焊接重复的一致性。
冷水机目前正与脉冲制造实验室合作，在俄亥俄州立大学商业化其蒸气箔焊接器（VFAW）技术。
“随着VFAW过程中，致动器箔的铝电通过一电容器组的手段蒸发，”麦考伊说。“这快速汽化，生成高压脉冲，其驱动以极高的速度朝着另一个金属工件，用所得的影响引起的金属焊接到一起，形成在接触时的原子键。能量比电阻焊接的技术中使用较少的，但产生更强的键“。
该VFAW过程已经用于成功地加入铝，铜，铁，镁，镍和钛的不同组合。我们的目标是在两年内商用的系统。
升降工程师也正在开发新的钢到铝合金连接技术。“目前勘探的领域包括冶金粘合方法，例如摩擦，抵抗和脉冲的工艺，除了粘合方法和机械紧固之外，Taub说。
“关键兴趣是[美国]是混合方法，可从加入方法的组合中优化机械性能，”添加Taub。“我们将很快宣布的项目[涉及]一种融合钢铝加入方法，可以提供强大的机械性能。”
