汽車工業(yè)中的鋁合金及其焊接技術(shù)

蔣玉秀，王麗君

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，廣西 南寧 530001；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川 成都 610031)

汽車工業(yè)中的鋁合金及其焊接技術(shù)

蔣玉秀1，王麗君2

(1.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，廣西 南寧 530001；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川 成都 610031)

鋁及其合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用中具有輕量化、節(jié)能減排、改善環(huán)境、提高汽車平穩(wěn)性和安全性等特點(diǎn)。鋁及其合金熔化焊存在焊縫易產(chǎn)生氣孔，焊接接頭易軟化等缺陷。討論了激光-電弧復(fù)合焊、激光拼焊、攪拌摩擦焊在汽車用鋁及其合金焊接的應(yīng)用和特點(diǎn)。

鋁合金；汽車；激光+TIG復(fù)合焊接；激光拼焊；攪拌摩擦焊

0 前言

汽車工業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用與能源、環(huán)保和安全息息相關(guān)。汽車行業(yè)多年來一直從汽車產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造材料的選用和制造工藝等方面著手，研制現(xiàn)代新型汽車，并特別注重節(jié)能和環(huán)保問題，并將汽車輕量化作為首要解決的問題。

自20世紀(jì)90年代開始，汽車制造材料逐步向輕量化、節(jié)省資源和高性能方向發(fā)展，汽車材料輕量化成為汽車發(fā)展的必然趨勢，輕量化不僅可以減輕車身自重、降低油耗、減少污染，而且可以降低成本、增強(qiáng)企業(yè)競爭力。為了適應(yīng)汽車輕量化的要求，一些車用新材料應(yīng)運(yùn)而生，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料、生態(tài)復(fù)合材料及陶瓷等。

1 鋁合金

1.1 鋁合金材料特點(diǎn)

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色、加工成型性良好以及高回收再生性等特性，在工程領(lǐng)域內(nèi)被認(rèn)為是“機(jī)會(huì)金屬”或“希望金屬”，鋁工業(yè)一直被稱為“朝陽工業(yè)”。為了節(jié)約能源，減少汽車尾氣對空氣的污染和保護(hù)日趨惡化的臭氧層，鋁合金材料迅速地進(jìn)入汽車領(lǐng)域。

1.2 鋁合金汽車板材力學(xué)性能

目前鋁合金汽車板材主要有6000系和5000系兩個(gè)系列，其典型牌號(hào)的合金成分見表1，基本成分和性能特點(diǎn)見表2[1]，典型牌號(hào)的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率下的力學(xué)性能如表3所示[2]。

表1 6000系和5000系鋁合金汽車板材主要成分 %

表2 6000系和5000系的基本成分和特點(diǎn)

表3 6000系和5000系鋁板力學(xué)性能

2 鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

鋁合金材料大量用于汽車工業(yè)，其用量增加后帶來的效益主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 輕量化

減輕汽車自重的方法：一是改進(jìn)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是選用輕質(zhì)材料(如鋁合金、鎂合金、塑料等)制造。迄今為止，前者已無太大的挖掘潛力。因此汽車行業(yè)普遍注重開發(fā)新的高強(qiáng)度鋼或鋁、鎂等輕合金材料。在輕質(zhì)材料中，由于聚合物類的塑料制品在回收中有環(huán)境污染問題，鎂合金的價(jià)格和安全性也限制了其廣泛應(yīng)用。而鋁合金因其資源豐富，隨著電力工業(yè)的發(fā)展和鋁冶煉工藝的改進(jìn)，鋁產(chǎn)量迅速增加，成本相應(yīng)下降，且能最大限度地回收利用材料。目前國外的回收率約為80%，有60%的汽車用鋁合金材料來自回收的廢料。理論上鋁制汽車可比同類鋼制汽車減輕40%的質(zhì)量，因此鋁合金材料是汽車輕量化最理想的材料之一。

2.2 節(jié)能顯著

減少燃油消耗的途徑一般是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，減少行駛阻力，改善傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率和減輕汽車質(zhì)量等，其中最有效的措施是減輕汽車質(zhì)量，輕質(zhì)鋁合金的使用正好可以滿足這一點(diǎn)。

2.3 減少大氣污染、改善環(huán)境

汽車輕量化的同時(shí)也減少了CO2排放量。汽車自重減少50%，CO2排放量減少13%。同時(shí)，氮化物、硫化物等的排放量也會(huì)相應(yīng)減少，可大大減少環(huán)境污染。

2.4 提高汽車行駛的平穩(wěn)性、乘客的舒適性和安全性

汽車輕量化可提高汽車的行駛性能，美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)提出，如果汽車質(zhì)量減輕25%，可使汽車加速到96.5 km／h的時(shí)間從原來的10 s減少到8 s；使用鋁合金車輪時(shí)振動(dòng)減小，可使用更輕的反彈緩沖器；由于使用鋁合金材料是在不減小汽車容積的情況下減輕汽車自重，因而使汽車行駛更為平穩(wěn)，乘客空間變大，在受到?jīng)_擊時(shí)鋁合金結(jié)構(gòu)能吸收和分散更多的能量，安全和舒適性更好。

3 汽車用鋁合金材料的品種

世界各國工業(yè)用鋁合金材料的品種結(jié)構(gòu)雖然有一定差異，但大體相同，主要是鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。前者用于生產(chǎn)各類鑄件，后者用于生產(chǎn)各類加工材(如板、帶、箔、型、棒、線)及鍛件，各類加工材一般都需進(jìn)一步加工才能成為汽車零部件。

鑄造鋁合金材料生產(chǎn)的各類鋁合金鑄件主要用于：發(fā)動(dòng)機(jī)上的部分零件(如活塞、缸蓋等)以及變速箱、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向器等部件上的部分鋁合金鑄件。近年來，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱殼體、輪轂等大型鋁合金汽車零件(見表4)的應(yīng)用，促進(jìn)了汽車用鑄造鋁合金材料的發(fā)展。

變形鋁合金材料主要用于汽車的散熱系統(tǒng)、車身、底盤等部位，如表5所示。如汽車水箱、汽車空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器等主要是用鋁合金帶箔材及管材；車身各部位(如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、車身頂板、車身側(cè)板、擋泥板、地板等)以及底盤等則多用板材、擠壓型材。近年來，由于汽車散熱系統(tǒng)、車身鋁合金化進(jìn)程加快，汽車用變形鋁合金材料也在迅速發(fā)展。

4 汽車用鋁合金的焊接技術(shù)

4.1 鋁及其合金的焊接性

純鋁熔點(diǎn)為660℃，熔化時(shí)不發(fā)生顏色變化。鋁對氧的親和力很強(qiáng)，在空氣中很容易氧化成致密難熔的氧化膜(Al2O3，熔點(diǎn)2 050℃)，它可防止鋁繼續(xù)氧化。鋁及其合金在熔化焊時(shí)有以下困難和特點(diǎn)。

表4 汽車主要部件系統(tǒng)中的鋁鑄件

表5 變形鋁材在汽車上應(yīng)用的主要部件系統(tǒng)

(1)鋁和氧的親和力很大，在鋁及其合金表面總有一層難熔的氧化鋁膜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁的熔點(diǎn)，這層氧化鋁膜不溶于金屬并且妨礙被熔融填充金屬潤濕。在焊接過程中應(yīng)清除或破壞氧化膜。

(2)鋁的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性約為低碳鋼的5倍，焊接時(shí)需要更高的線能量，應(yīng)使用大功率或能量集中的熱源，有時(shí)還需要預(yù)熱。

(3)鋁的線膨脹系數(shù)約為低碳鋼的兩倍，凝固時(shí)收縮率比低碳鋼大兩倍。焊接變形大，若工藝措施不當(dāng)，易產(chǎn)生裂紋。熔焊時(shí)，合金的焊接性首先體現(xiàn)在抗裂性上。在鋁中加入銅、錳、硅、鎂、鋅等合金元素可獲得不同性能的合金，鋁合金的裂紋敏感性各有不同。

(4)金屬的固態(tài)和液態(tài)色澤不易區(qū)別，焊接操作時(shí)控制溫度較為困難；鋁在高溫時(shí)強(qiáng)度很低，焊接時(shí)易引起金屬塌陷或下漏。

(5)焊后焊縫易產(chǎn)生氣孔，焊接接頭易發(fā)生軟化。

隨著全鋁車身的使用，鋁合金薄板焊接結(jié)構(gòu)在汽車中起著越來越重要的作用，因此研究鋁合金薄板焊接接頭的強(qiáng)度、硬度等性能十分必要。鋁合金的薄板焊接是指將平板材料焊接在一起而形成平板坯料的方法，其焊接方式通常有激光焊接、縫焊、離子束焊接、攪拌摩擦焊、感應(yīng)焊、TIG焊[3]，特點(diǎn)是在零件中獲得良好的使用性能，并且滿足汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。由于焊縫、熱影響區(qū)、母材之間有著不可預(yù)測的聯(lián)系，所以國內(nèi)外都對鋁合金薄板焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列的研究[4]。

4.2 激光+TIG復(fù)合焊接

目前，汽車鋁車身主要采用激光焊接工藝，但存在以下問題：由于光束直徑很細(xì)，要求坡口裝配間隙小于0.5 mm；要求跟蹤精度高；在開始尚未形成熔池時(shí)熱效率很低；設(shè)備成本高，工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)格。而激光-電弧復(fù)合焊接方法可以解決上述問題，復(fù)合電弧焊增加了熔池寬度，降低了裝配要求，焊縫跟蹤更容易。用激光和電弧復(fù)合來焊接鋁合金，由于激光與電弧的相互影響，可以克服只采用一種方法存在的不足，進(jìn)而產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。

上海交通大學(xué)研究了YAG激光+TIG復(fù)合焊接鋁合金的新工藝[5]，探討了工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律及激光與電弧的復(fù)合作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光焊復(fù)合工藝能夠提高熔深和焊速；在比較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，YAG激光復(fù)合焊接鋁合金焊縫成形美觀，熔深和焊速均顯著提高，大大提高了生產(chǎn)率。YAG復(fù)合焊接機(jī)頭安裝示意如圖1所示。

圖1 YAG復(fù)合焊接機(jī)頭安裝示意

4.3 激光拼焊

激光拼焊是指將幾個(gè)小零件通過激光焊接集成一個(gè)大的毛坯，進(jìn)而沖壓成型為所需的整體部件。近年來激光拼焊板發(fā)展迅速，在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛，主要用于差強(qiáng)度、差厚度或不同表面處理狀態(tài)的零件整體成形[6]；使用激光拼焊板可減少模具的數(shù)量和后續(xù)生產(chǎn)工序，從而降低生產(chǎn)成本，并提高零部件的質(zhì)量，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮不同強(qiáng)度、不同厚度板材的特性，成為汽車輕量化、降低零件數(shù)量、保證汽車安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造技術(shù)的重要手段，其應(yīng)用的典型零件如圖2所示[7]。在汽車中采用激光拼焊板材后，可使零件質(zhì)量減輕24%，零件數(shù)量減少19%，焊點(diǎn)下降49%，生產(chǎn)時(shí)間縮短21%，因此，其應(yīng)用量正在迅速增加。此外，激光拼焊還可以將鋁合金和鋼鐵材料等不同類型的材料焊接在一起，進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

圖2 激光拼焊應(yīng)用的典型零件

4.4 高強(qiáng)鋁合金焊接途徑——攪拌摩擦焊

摩擦焊是根據(jù)摩擦產(chǎn)生熱量來進(jìn)行焊接，適用于異種金屬的焊接。過去一般只用于對焊，如合金鋼氣閥或切削刀具可采用摩擦焊將一般材料的本體與合金鋼的工作部分焊成雙金屬氣閥或切削刀具[8]。英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊，其實(shí)質(zhì)是在高速旋轉(zhuǎn)的摩擦頭上裝一特殊形狀的凸柱刺入工件面內(nèi)，摩擦加熱被焊金屬成塑性狀態(tài)，同時(shí)攪拌金屬形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)空洞，旋轉(zhuǎn)空洞隨摩擦頭而前移，其后被擠出的塑性金屬填入空洞，冷卻后形成致密焊縫，這種方法突破了只能對焊桿或旋轉(zhuǎn)面堆焊，可以對接焊、搭接焊、角焊和點(diǎn)焊，可應(yīng)用于航空、汽車、鐵道車輛等工業(yè)。

過去，車身板材的連接采用電阻點(diǎn)焊，焊接過程需要大型專用設(shè)備來提供持續(xù)的大電流。而采用攪拌摩擦焊只需要一個(gè)非消耗的攪拌頭旋轉(zhuǎn)插入待焊件，通過攪拌頭與焊件之間的摩擦，使金屬軟化并發(fā)生塑性流動(dòng)，通過攪拌頭施加的鍛壓力即可形成可靠的連接。

攪拌摩擦焊位移的能量消耗是驅(qū)動(dòng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)以及施加鍛壓力所消耗的電能，整個(gè)焊接過程不需要傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊必須的大電流和壓縮空氣。采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接鋁合金節(jié)約了99%的能量消耗。由于不需要大型的供電設(shè)備和專用的點(diǎn)焊設(shè)備，設(shè)備成本降低40%，焊接過程中綠色環(huán)保、無飛濺和煙塵，焊接環(huán)境安全。

針對鋁合金結(jié)構(gòu)的汽車車身的拼接，采用帶有斜面軸肩的攪拌頭在厚板一側(cè)進(jìn)行焊接以獲得厚度平滑過渡的接頭。目前，汽車制造商正在對攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行應(yīng)用評定。

5 結(jié)論

近幾十年來，世界性能源問題變得越來越嚴(yán)重。這使得減輕汽車自重、降低油耗成為各大汽車生產(chǎn)廠提高競爭能力的關(guān)鍵。鋁合金材料是汽車輕量化最理想的材料之一，目前，美國、日本、德國是采用鋁合金最多的國家，如德國大眾AudiA8、A2，日本的NXS等車身用鋁合金量達(dá)80%。鋁合金材料的應(yīng)用已經(jīng)逐漸蔓延到國內(nèi)各大汽車生產(chǎn)線，鋁合金材料可降低生產(chǎn)成本，提高零部件的質(zhì)量，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了不同強(qiáng)度、不同厚度板材的特性，成為汽車輕量化降低零件數(shù)量、保證汽車安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造技術(shù)的重要手段，因此研究高效、高質(zhì)量的焊接方法有著重要的意義。

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Al alloy and its welding technology in automobile industry

JIANG Yu-xiu1，WANG Li-jun2
(1.Department of Automotive Engineering，Guangxi Industrial Vocational and Technical College，Nanning 530001，China；2.College of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Aluminum and its alloy in the automobile industrial application with light weight，energy saving and emission reduction，improving the environment，improve the vehicle stability and safety.Analysis of aluminum and its alloy fusion welding seam gasification are generated，weld joints are easy to soften and other defects.Discussed the application and its characteristics of lser arc hybrid welding，laser welding，F(xiàn)SW in automobile industry.

Aluminum；automobile；laser+TIG hybrid welding；laser welding；friction stir welding

TG457.14

B

1001-2303(2012)04-00109-04

2011-11-28；

2012-04-10

蔣玉秀(1976—)，女，廣西桂林人，講師，碩士，主要從事汽車專業(yè)教學(xué)與研究工作。