近日，德國研究人員推出新型激光焊接技術(shù)，無需填充焊絲即可為電動汽車、航天儲罐及重型鋼結(jié)構(gòu)打造強(qiáng)度更高、完全無裂紋的焊接接頭。由德累斯頓弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所（IWS）開發(fā)的這項(xiàng)工藝，采用動態(tài)光束整形技術(shù)控制熔池、減少氣孔并提升焊接穩(wěn)定性。

研究所連接技術(shù)部門主管Axel Jahn表示，即使最具挑戰(zhàn)性的焊接任務(wù)——例如難焊合金或厚板連接——如今也能以更低能耗、更少材料消耗和簡化后處理的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定加工。Jahn強(qiáng)調(diào)，高頻掃描技術(shù)、柔性功率調(diào)制及開放式系統(tǒng)控制的結(jié)合，帶來了傳統(tǒng)弧焊無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計可能性和應(yīng)用前景。

鋁合金壓鑄件與擠壓型材的激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，該穩(wěn)定制程無需填充材料即可在全尺寸組件上形成無裂紋、低孔隙率的完美焊縫

從電池殼體到航天儲罐
該技術(shù)最具吸引力的示范應(yīng)用之一，出現(xiàn)在汽車領(lǐng)域。研究團(tuán)隊作為歐盟ALBATROSS項(xiàng)目的組成部分，成功開發(fā)并測試了全尺寸激光焊接鋁制電池殼體。這種輕量化結(jié)構(gòu)將鋁擠壓型材與壓鑄鋁元件相結(jié)合，壁厚可達(dá)5mm。但這種材料組合將傳統(tǒng)焊接方法推向極限——壓鑄工藝易產(chǎn)生氣孔，而6000系列擠壓型材存在熱裂敏感性。

Jahn表示，新解決方案依靠定向激光束振蕩技術(shù)，通過熔池運(yùn)動減少氣孔并形成冶金穩(wěn)定的焊縫。這樣可以在無需填充材料的情況下，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鋁材焊接。該電池殼體已集成至實(shí)車模型并通過測試，目前正推進(jìn)二次鋁材焊接與鑄件連接應(yīng)用，同時進(jìn)行可持續(xù)性評估。

全尺寸激光焊接鋁制電池殼體，融合壓鑄元件與擠壓型材的輕量化設(shè)計方案

在航天領(lǐng)域，團(tuán)隊運(yùn)用該技術(shù)焊接了旋轉(zhuǎn)對稱密閉儲罐結(jié)構(gòu)。他們采用以熱裂傾向著稱的高強(qiáng)度2000系列鋁合金，激光焊接過程未使用填充材料，即使在三維曲面上也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低溫焊接。

“該工藝特別適合旋轉(zhuǎn)對稱容器密封，目前正進(jìn)行管道焊接研究，”Jahn解釋道，“它能形成密封性好、機(jī)械強(qiáng)度高的連接點(diǎn)，兼具變形量小和焊縫強(qiáng)度高的優(yōu)勢。”

厚板鋼材精密焊接革命
重型鋼鐵工業(yè)同樣受益于這項(xiàng)新型激光焊接技術(shù)，現(xiàn)在制造商可焊接壁厚超過20mm的型材。在一項(xiàng)長達(dá)4m的起重機(jī)吊臂示范項(xiàng)目中，研究所采用高達(dá)24kW的多層激光焊接技術(shù)，并將V型坡口加工精度優(yōu)化至開口角度小于5度。

研究人員成功開發(fā)出具有工藝穩(wěn)定性激光焊縫的密閉鋁制儲罐結(jié)構(gòu)原型機(jī)

“由此我們成功減少了焊縫體積，節(jié)省高達(dá)90%的填充材料并基本消除了結(jié)構(gòu)變形，”Jahn在新聞稿中說明，“許多情況下不再需要對大型組件進(jìn)行矯直——這通常是項(xiàng)高能耗的手動工序。”該項(xiàng)目由薩克森州開發(fā)銀行資助，主要面向橋梁建設(shè)、風(fēng)電設(shè)備和造船工業(yè)應(yīng)用。早期行業(yè)的反饋顯示，市場對將該技術(shù)集成至現(xiàn)有生產(chǎn)線表現(xiàn)出濃厚興趣。

Jahn總結(jié)道，研究團(tuán)隊通過集成傳感器、先進(jìn)控制系統(tǒng)和持續(xù)工藝質(zhì)量評估來實(shí)現(xiàn)技術(shù)落地。這些示范項(xiàng)目完美展現(xiàn)了材料科學(xué)、工藝專長與系統(tǒng)集成，如何協(xié)同發(fā)力。

電動汽車電池迎來能量“良藥”
美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功研發(fā)出電池專用新型化學(xué)“藥物”。通過小數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，研究團(tuán)隊預(yù)測出能提升高壓電池技術(shù)性能的有效化學(xué)組合方案。研究人員表示：通過機(jī)器學(xué)習(xí)找到精準(zhǔn)配方，可確保電池發(fā)揮最佳性能，為開發(fā)更高效、更長久的能源解決方案鋪平道路。

在基于28種添加劑的初始數(shù)據(jù)集完成模型訓(xùn)練后，研究人員成功預(yù)測了125種新組合的性能表現(xiàn)。這種方法使他們避免了預(yù)計需要4-6個月的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程。

阿貢實(shí)驗(yàn)室計算科學(xué)家Hieu Doan指出：傳統(tǒng)觀念認(rèn)為訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要海量數(shù)據(jù)，但我們的研究證明，無需大量數(shù)據(jù)也能訓(xùn)練出精準(zhǔn)的預(yù)測模型——關(guān)鍵在于獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。

機(jī)器學(xué)習(xí)精準(zhǔn)配方，助力科學(xué)家優(yōu)化電動汽車電池性能

電解液添加劑方案
該研究聚焦于LNMO電池（鋰鎳錳氧化物電池），這類電池不僅具有更高的能量密度，還避免了鈷這種供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薏牧系氖褂谩Ｈ欢鳯NMO電池需在近5伏特的高電壓下工作，遠(yuǎn)超大多數(shù)電解液的穩(wěn)定極限。

研究說明指出：手機(jī)電池和電動汽車電芯通常工作在4伏左右低電壓，而5伏工作電壓的LNMO電池遠(yuǎn)超所有已知電解液的穩(wěn)定極限。阿貢實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Chen Liao補(bǔ)充道：這種高能狀態(tài)會導(dǎo)致電解液與正極發(fā)生分解反應(yīng)，帶來諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

為解決這一難題，科學(xué)家采用電解液添加劑技術(shù)。有效的添加劑在電池初始循環(huán)期間分解，在電極表面形成穩(wěn)定界面層。該保護(hù)層不僅能降低電阻，還能減緩性能衰減，從而提升電池整體表現(xiàn)。

采用傳統(tǒng)方法從數(shù)百種候選物質(zhì)中篩選合適添加劑，需耗時良久。阿貢團(tuán)隊開發(fā)的新型機(jī)器學(xué)習(xí)模型，成功建立了添加劑化學(xué)結(jié)構(gòu)與電池性能影響之間的預(yù)測關(guān)聯(lián)。