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【摘要】本文基于无缝拼接技术在铝型材上应用的原理与分析介绍，使该技术能在电视机新品结构研发上的一种技术储备，拓展电视机结构设计研发思路，提升产品竞争力。
【关键词】铝型材搅拌摩擦焊激光焊成本分析应用
一、技术背景
随着电视行业朝着LED超窄超薄技术发展，其主要实现机构为金属造型框架结构来体现金属质感，目前彩电上大多数外观金属结构件在拼接成型时遇到很多工艺问题，诸如拼接缝隙大、拼接强度差、工艺成本高等。因此需要研发一种优化工艺取代传统工艺显得尤为重要，本文旨在推出一种新的工艺即通过无缝拼接技术来实现金属拼接装配成型及降低生产成本。
二、解决方案
由于前面框为外观件，并且壁薄，材质刚性差，对外观表面处理要求高，为了实现金属面框成型工艺，主要从以下几个方面着手研究：
2.1 冲切成型
传统方式是采用整块原材料冲压成型，成型效果优，外观处理良好，冲压成型的最大缺点是材料浪费，成本高，整体变形，后工序需要校正其平面度；
2.2 拼接成型
采用四件拼接成型方式，片材加工方式用剪板机加工，四块铝型材采用拼接装配来达到面框整体成型效果，例如：搅拌摩擦焊、激光焊接等，该工艺成型简单，成本低廉，采用哪种工艺焊接及型材拼接后如何采用后加工处理消除拼接缝隙和其拼接缺陷，同时不能影响拼接强度是研究重点。
三、实现方式
实现方式主要是针对无缝拼接技术研究，以下通过两种拼接方式：
3.1激光焊接
激光焊接为非接触式焊接，作业过程中不需要对材料进行加压，因此产品的损耗和形变可降至最低。此外，激光束直径可被聚焦在极小的范围内，由此产生的热量也仅对相对较小的材料表面产生影响，因此受热传导所导致的材料变形也被降至最低。激光焊接相对于传统焊接技术最大的优势是可对不同材质的金属进行焊接作业，将异质材料结合在一起。
图1 激光焊接原理图
3.1.1 激光焊接加热过程及机理
激光深熔焊接过程在激光深熔焊接过程中会产生如下特殊效应。
a. 焊缝净化效应。激光焊接时.焊缝中氧化物等杂质因汽化而大量减少。加上焊接时加热冷却速度快，焊缝金属组织细小.热影响区窄等因素使焊接接头的力学性能得到改善和提高。例如，在激光焊接HY-130钢时焊缝中O， S， N等杂质含量减少接头抗拉强度、冲击韧性与母材相当。
b. 小孔和等离子效应。在功率密度高达10*8～10*7 W / cm2的激光束照射下，被焊材料辐照区表层局部迅速熔化、汽化，在汽化膨胀力反作用下使材料内部形成小孔。小孔内充满金属蒸气形成的等离子体。在小孔之上形成一定范围的等离子体云.等离子体吸收部分激光而使有效激光能量减少。因此，激光深熔焊时必须对等离子体加以抑制。
c. 壁聚焦效应。由光入射到小孔侧壁的激光束的入射角度较大，使入射激光在孔洞的侧壁被反射到孔洞底部出现小孔中光束能量叠加的现象。它有助于维持小孔的存在和熔深的增加。
另外伴随计算机和CAE计算机模拟）技术的发展，有关激光焊接焊缝、熔池、小孔及基体热影响区的传热传质研究取得丰硕成果，相应建立起多种数学模型。
3.1.2 激光焊接工艺参数及影响
影响激光焊接质量的主要因素有光束质量、功率密度和离焦量，焊接速度、保護气体种类及流量、材料的热物理性质等。多年的相关研究，已积累很多数据但受设备、焊接结构和材料多样性影响，激光焊接很难建立起完整的工艺数据库。
3.1.3 激光焊接缺陷
激光焊接的常见缺陷有气孔、裂纹、氧化、咬边、焊缝表面凹凸不平、焊深不足或焊缝深浅不一致等。其中，前两种是焊缝的主要内部缺陷，后几种多数是与焊缝成形性有关的缺陷。气孔、裂纹对焊缝性能影响极大。
3.1.4 激光焊接验证
图2 激光焊接成型图片
（1）强度验证
用AL6063铝材宽15mm，厚1.0mm验证，其剪切力小于90N，拉拔力大于90N，验证结果为剪切力过小；
（2）外观验证
用激光焊接后的产品做拉丝处理，发现拉丝后表面有明显变形及强度减弱，后处理有一定难度。
3.2 搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊是一项固相连接技术，是将被焊件固定在平台上，搅拌焊头在高速旋转的同时插入接缝中，直至肩部与被焊件表面紧密接触，旋转的搅拌焊头与焊件之间摩擦产生热量，使接缝处材料温度升高而软化，同时焊接后经过低温退火处理的试样焊缝处的硬度略高于母材，这是由于冷轧的纯铝板材轧制后有冷作硬化作用。
图3 搅拌摩擦焊接原理图
搅拌摩擦焊具有以下特点：
1）拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异；
2）焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时；
3）接过程中不需要保护气，也不需要填充材料；
4）接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接，接头质量一致性好；
5）焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种低应力、小变形焊接技术；
6）接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术；
7）焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。
3.2.1 搅拌摩擦焊验证
图4 搅拌摩擦焊接图片
3.2.1.1 强度验证
用AL6063铝材宽15mm，厚1.0mm验证，其剪切力与拉拔力只是在母材基础上减小四分之一。
3.2.1.2 外观效果
通过简易的外观处理能达到理想效果。 四、应用与成本分析
通过前期无缝拼接技术在47E98项目验证分析，激光焊接在外观件上有一定难度，主要集中在焊接强度和外观效果，但搅拌摩擦焊接通过实验有明显优势，其优势已在前述摩擦焊接验证说明，应用在该项目上有明显优势，下面主要分析搅拌摩擦焊接在47E98项目的应用与成本分析。
4.1 面框
4.1.1 可以节省原材料成本
以47E98前面板为例，节省原材料成本如下所示：
4.1.2 现有工艺方案，整片片材冲裁成型
基本原材料成本：0.618m×1.053m×0.001m×2730kg/m3×40元/kg=71.1元
而考虑到阳极所需工艺边尺寸，原材料幅宽需达到0.65mmX1.08mm，相应成本为76.7元
而片料基本尺寸为1.22mX2.44m，最多允许制作3件，其摊分108.4元
4.1.3 采用无缝拼接技术实现
使用原材料成本为：
0.015m×（1.053m + 0.59m） ×2730kg/m3×0.0015m×2×30元/kgX1.05÷0.7=9.2元
无缝焊接制造费用：7元
节约原材料成本：108.4-（9.2+7）= 92.2元
该项目原材料节约总成本预算：总需求量×单个产品材料节约成本=100k×92.2=922万元
4.2 可节约模具费
47E98面框模具费可节省掉。
4.2.1 中框
提升中框外观效果：现有方案中有拼接缝，而采用无拼接缝，品质感得到提升。
备注：
1） 板材Al5052原料价格：40 RMB/kg；
2） 铝型材Al6063原料价格：30 RMB/kg；
3）47E98面板尺寸：1053mm×618mm×1mm；
4）面板显示区域尺寸：1024mm×580mm×1mm；
5）金属Al的材料密度：2.73×103kg/m3
6）以上计算成本仅为原材料节省成本，实际采用四边拼接技术，还可以减少后制程加工工艺难度，提升产品整体良率，节约单个零件整体制造成本。由于产品加工工艺与3D结构有关，在此对加工节省成本不加以评估。
图5 47E98前面框无缝拼接示意图
五、前景展望
超窄超薄造型设计是后续彩电发展趋势，如何体现超窄超薄需要依靠金属加工工艺实现。如果该铝质面框无缝拼接技术得到突破，并能实现量产，将会为公司创造更大的效益，并全力提升产品形象和市场竞争力。
参考文献：
【1】栾国红，《飞机轻金属结构的搅拌摩擦焊》航空制造技术 2006年第12期
【2】曹朝霞，《铝合金的搅拌摩擦焊的工艺研究》兵器材料科学与工程 2006年第6期
【3】胡煌辉，《6063铝合金搅拌摩擦焊接头性能及組织分析》机车车辆工艺2006年第4期
【4】李亚江、王娟，《特种焊接技术与应用（第三版）》化学工业出版社2010
【关键词】铝型材搅拌摩擦焊激光焊成本分析应用
一、技术背景
随着电视行业朝着LED超窄超薄技术发展，其主要实现机构为金属造型框架结构来体现金属质感，目前彩电上大多数外观金属结构件在拼接成型时遇到很多工艺问题，诸如拼接缝隙大、拼接强度差、工艺成本高等。因此需要研发一种优化工艺取代传统工艺显得尤为重要，本文旨在推出一种新的工艺即通过无缝拼接技术来实现金属拼接装配成型及降低生产成本。
二、解决方案
由于前面框为外观件，并且壁薄，材质刚性差，对外观表面处理要求高，为了实现金属面框成型工艺，主要从以下几个方面着手研究：
2.1 冲切成型
传统方式是采用整块原材料冲压成型，成型效果优，外观处理良好，冲压成型的最大缺点是材料浪费，成本高，整体变形，后工序需要校正其平面度；
2.2 拼接成型
采用四件拼接成型方式，片材加工方式用剪板机加工，四块铝型材采用拼接装配来达到面框整体成型效果，例如：搅拌摩擦焊、激光焊接等，该工艺成型简单，成本低廉，采用哪种工艺焊接及型材拼接后如何采用后加工处理消除拼接缝隙和其拼接缺陷，同时不能影响拼接强度是研究重点。
三、实现方式
实现方式主要是针对无缝拼接技术研究，以下通过两种拼接方式：
3.1激光焊接
激光焊接为非接触式焊接，作业过程中不需要对材料进行加压，因此产品的损耗和形变可降至最低。此外，激光束直径可被聚焦在极小的范围内，由此产生的热量也仅对相对较小的材料表面产生影响，因此受热传导所导致的材料变形也被降至最低。激光焊接相对于传统焊接技术最大的优势是可对不同材质的金属进行焊接作业，将异质材料结合在一起。
图1 激光焊接原理图
3.1.1 激光焊接加热过程及机理
激光深熔焊接过程在激光深熔焊接过程中会产生如下特殊效应。
a. 焊缝净化效应。激光焊接时.焊缝中氧化物等杂质因汽化而大量减少。加上焊接时加热冷却速度快，焊缝金属组织细小.热影响区窄等因素使焊接接头的力学性能得到改善和提高。例如，在激光焊接HY-130钢时焊缝中O， S， N等杂质含量减少接头抗拉强度、冲击韧性与母材相当。
b. 小孔和等离子效应。在功率密度高达10*8～10*7 W / cm2的激光束照射下，被焊材料辐照区表层局部迅速熔化、汽化，在汽化膨胀力反作用下使材料内部形成小孔。小孔内充满金属蒸气形成的等离子体。在小孔之上形成一定范围的等离子体云.等离子体吸收部分激光而使有效激光能量减少。因此，激光深熔焊时必须对等离子体加以抑制。
c. 壁聚焦效应。由光入射到小孔侧壁的激光束的入射角度较大，使入射激光在孔洞的侧壁被反射到孔洞底部出现小孔中光束能量叠加的现象。它有助于维持小孔的存在和熔深的增加。
另外伴随计算机和CAE计算机模拟）技术的发展，有关激光焊接焊缝、熔池、小孔及基体热影响区的传热传质研究取得丰硕成果，相应建立起多种数学模型。
3.1.2 激光焊接工艺参数及影响
影响激光焊接质量的主要因素有光束质量、功率密度和离焦量，焊接速度、保護气体种类及流量、材料的热物理性质等。多年的相关研究，已积累很多数据但受设备、焊接结构和材料多样性影响，激光焊接很难建立起完整的工艺数据库。
3.1.3 激光焊接缺陷
激光焊接的常见缺陷有气孔、裂纹、氧化、咬边、焊缝表面凹凸不平、焊深不足或焊缝深浅不一致等。其中，前两种是焊缝的主要内部缺陷，后几种多数是与焊缝成形性有关的缺陷。气孔、裂纹对焊缝性能影响极大。
3.1.4 激光焊接验证
图2 激光焊接成型图片
（1）强度验证
用AL6063铝材宽15mm，厚1.0mm验证，其剪切力小于90N，拉拔力大于90N，验证结果为剪切力过小；
（2）外观验证
用激光焊接后的产品做拉丝处理，发现拉丝后表面有明显变形及强度减弱，后处理有一定难度。
3.2 搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊是一项固相连接技术，是将被焊件固定在平台上，搅拌焊头在高速旋转的同时插入接缝中，直至肩部与被焊件表面紧密接触，旋转的搅拌焊头与焊件之间摩擦产生热量，使接缝处材料温度升高而软化，同时焊接后经过低温退火处理的试样焊缝处的硬度略高于母材，这是由于冷轧的纯铝板材轧制后有冷作硬化作用。
图3 搅拌摩擦焊接原理图
搅拌摩擦焊具有以下特点：
1）拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异；
2）焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时；
3）接过程中不需要保护气，也不需要填充材料；
4）接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接，接头质量一致性好；
5）焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种低应力、小变形焊接技术；
6）接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术；
7）焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。
3.2.1 搅拌摩擦焊验证
图4 搅拌摩擦焊接图片
3.2.1.1 强度验证
用AL6063铝材宽15mm，厚1.0mm验证，其剪切力与拉拔力只是在母材基础上减小四分之一。
3.2.1.2 外观效果
通过简易的外观处理能达到理想效果。 四、应用与成本分析
通过前期无缝拼接技术在47E98项目验证分析，激光焊接在外观件上有一定难度，主要集中在焊接强度和外观效果，但搅拌摩擦焊接通过实验有明显优势，其优势已在前述摩擦焊接验证说明，应用在该项目上有明显优势，下面主要分析搅拌摩擦焊接在47E98项目的应用与成本分析。
4.1 面框
4.1.1 可以节省原材料成本
以47E98前面板为例，节省原材料成本如下所示：
4.1.2 现有工艺方案，整片片材冲裁成型
基本原材料成本：0.618m×1.053m×0.001m×2730kg/m3×40元/kg=71.1元
而考虑到阳极所需工艺边尺寸，原材料幅宽需达到0.65mmX1.08mm，相应成本为76.7元
而片料基本尺寸为1.22mX2.44m，最多允许制作3件，其摊分108.4元
4.1.3 采用无缝拼接技术实现
使用原材料成本为：
0.015m×（1.053m + 0.59m） ×2730kg/m3×0.0015m×2×30元/kgX1.05÷0.7=9.2元
无缝焊接制造费用：7元
节约原材料成本：108.4-（9.2+7）= 92.2元
该项目原材料节约总成本预算：总需求量×单个产品材料节约成本=100k×92.2=922万元
4.2 可节约模具费
47E98面框模具费可节省掉。
4.2.1 中框
提升中框外观效果：现有方案中有拼接缝，而采用无拼接缝，品质感得到提升。
备注：
1） 板材Al5052原料价格：40 RMB/kg；
2） 铝型材Al6063原料价格：30 RMB/kg；
3）47E98面板尺寸：1053mm×618mm×1mm；
4）面板显示区域尺寸：1024mm×580mm×1mm；
5）金属Al的材料密度：2.73×103kg/m3
6）以上计算成本仅为原材料节省成本，实际采用四边拼接技术，还可以减少后制程加工工艺难度，提升产品整体良率，节约单个零件整体制造成本。由于产品加工工艺与3D结构有关，在此对加工节省成本不加以评估。
图5 47E98前面框无缝拼接示意图
五、前景展望
超窄超薄造型设计是后续彩电发展趋势，如何体现超窄超薄需要依靠金属加工工艺实现。如果该铝质面框无缝拼接技术得到突破，并能实现量产，将会为公司创造更大的效益，并全力提升产品形象和市场竞争力。
参考文献：
【1】栾国红，《飞机轻金属结构的搅拌摩擦焊》航空制造技术 2006年第12期
【2】曹朝霞，《铝合金的搅拌摩擦焊的工艺研究》兵器材料科学与工程 2006年第6期
【3】胡煌辉，《6063铝合金搅拌摩擦焊接头性能及組织分析》机车车辆工艺2006年第4期
【4】李亚江、王娟，《特种焊接技术与应用（第三版）》化学工业出版社2010