鋁合金車身的焊接技術

崔厚學，鄒恒琪，劉昌雄

(東風汽車有限公司 制造規(guī)劃總部，湖北 武漢 430056)

1 中國汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望

2008年底席卷全球的金融危機嚴重侵蝕了世界實體經濟，以美、日、西歐為代表的傳統(tǒng)汽車市場連連下挫。中國車市彰顯一枝獨秀，得益于國民經濟的持續(xù)增長和國家應對危機的政策措施，中國汽車產銷量持續(xù)增長，中國已成為世界汽車的生產和銷售大國，世界汽車的發(fā)展變化如圖1所示。

2 鋁合金車身的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望

由于中國汽車市場經由孕育、導入期逐步向普及、成熟期發(fā)展，中國汽車產銷量在可預見的時間內將持續(xù)穩(wěn)定增長。2000年中國汽車產銷量207萬輛，2010年達1800萬輛，預計到2015年將達2200~2 500萬輛。

圖1 世界汽車的發(fā)展變化（2001～2009銷量）

目前世界46%的石油為汽車所消耗，2020年預計將達62%，能源危機已成為世界發(fā)展的嚴重制約和不安定因素。與此同時，汽車鋁材需求量不斷增加。單車用鋁量：德國、日本146 kg/輛，美國154 kg/輛，中國127.5 kg/輛。

鋁合金的重要特點是密度小，比剛度、比強度高，抗沖擊性高，抗腐蝕性好，散熱性好。研究表明：單車減重1%，燃油將降耗0.6%～10%；同時車身減重40%，靜態(tài)扭轉剛度提高40%。鋁合金車身已成為轎車制造行業(yè)一個主要發(fā)展方向。德國Audi A8和東風品牌鋁車身如圖2、圖3所示。

圖2 德國Audi A8全鋁車身

圖3 東風品牌鋁車身

2 鋁合金車身的焊接技術

2.1 鋁合金車身可焊性分析

鋁合金車身是由鋁合金壓鑄件、鋁合金擠壓型材和鋁合金沖壓覆蓋件通過各種連接技術制成的。MIG焊、攪拌摩擦點焊、鉚接等技術已開始應用于鋁合金車身連接。

鋁合金車身制造給焊接技術和工藝帶來了很大的挑戰(zhàn)。目前，鋁合金的焊接主要存在以下問題：

（1）鋁合金焊接后將帶來焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的強度損失。厚板焊接由于溫度梯度大，一般都能保證焊縫強度達到母材強度的70%，但3 mm以下薄板時效強化型鋁合金焊接，焊縫強度一般低于60%。

（2）焊接環(huán)境要求高，運行成本高。鋁合金焊接受溫度和濕度的影響非常大，這兩種因素常導致嚴重的焊接問題，因此，焊接場地要保證溫度和濕度符合要求。

（3）焊接變形傾向明顯。由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)大，彈性模量只有鋼的1/3，同時由于期熱傳導系數(shù)大，焊接時往往需要更大的線能量。因此，與鋼相比，鋁合金的焊接變形傾向更明顯。

粗糙集理論[9]是由波蘭數(shù)學家Pawlak.Z于1982年提出的，對于處理大量數(shù)據(jù)、信息約簡、處理不確定信息方面有一定的優(yōu)勢，其主要觀點是保持分類能力不變的前提下，消除不相關和不重要的信息，得到事件的分類規(guī)則和決策規(guī)則。

（4）焊接接頭質量控制。廣義上焊接質量不僅僅是焊接接頭質量的好與壞，而且包括焊接材料與母材的匹配性、耐環(huán)境能力、力學性能、抗失效性能、疲勞性能等都是焊接質量控制的概念。由于鋁合金具有強氧化性線，膨脹系數(shù)大，導熱、導電性好，因此極易產生氣孔、裂紋咬邊、夾渣合金元素燒損、耐蝕性下降等焊接缺欠。由于我國還沒有系統(tǒng)地對鋁合金材料、焊接材料、接頭時效性進行系統(tǒng)研究，各種計算完全忽略了焊接接頭性能，所以焊接的風險是存在的。

（5）焊接培訓成本高，勞動力資源短缺。鋁合金相比黑色金屬焊接來說，培訓周期長，培訓材料昂貴。

（6）環(huán)境污染問題嚴重。鋁合金焊接煙塵對勞動者的健康危害很大，雖然采取勞動者的臨近保護措施，但大環(huán)境仍不能完全消除這種危害。

3.2 鋁合金車身的焊接技術

綜合鋁合金焊接的特點及車身焊接的成本等因素，MIG焊和攪拌摩擦（點）焊是較為適宜的鋁合金車身焊接技術。

3.2.1 鋁合金車身MIG焊

MIG焊起源于美國，1948年被首次應用于工業(yè)領域。它具有焊接電弧穩(wěn)定；焊縫成形均勻、美觀；電弧氣氛的氧化性很弱，甚至無氧化性，可以焊接許多活潑金屬及其合金；焊接效率高等特點。在寶馬公司BMW-5鋁車體中，Audi-A8鋁門、鋁車體焊接中就大量采用MIG焊（見圖4）。德國、日本研究了鋁鋼薄板異種金屬的MIG釬焊工藝，并應用于汽車行業(yè)。德國奧迪、美國福特公司、英國美洲豹汽車公司使用MIG電弧釬焊焊接車身及構件。奧地利Fronius公司成功開發(fā)了單槍焊絲MIG焊技術，該技術焊接效率高，焊接變形小，焊槍小巧可達焊接任何位置。同時，在傳統(tǒng)MIG焊技術基礎上，各國焊接研究者不斷研究和探索MIG焊，出現(xiàn)了脈沖MIG焊、雙絲MIG焊和復合熱源MIG焊等各種新型MIG焊接工藝，焊接質量控制和自動化水平也在不斷提高。

攪拌摩擦焊技術是20世紀90年代由英國焊接研究所發(fā)明。攪拌摩擦焊依靠攪拌頭的機械摩擦作用實現(xiàn)接頭連接，攪拌頭的旋轉作用與焊接母材的轉移過渡形成動態(tài)平衡，焊接溫度低于材料熔點，屬于固態(tài)連接方法。攪拌摩擦焊熱輸入少，溫度低，材料不發(fā)生熔化，接頭變形小，熱影響區(qū)窄，無凝固裂紋、氣孔等缺陷，焊接質量好，焊接接頭外觀平整，性能優(yōu)良，焊后殘余應力小，無需焊絲，不需氣體保護，無飛濺，無輻射，是一種優(yōu)質、高效、低耗的新型焊接方法，非常適用于鋁合金車身的焊接。

圖4 大眾汽車Phaeton前門（48處激光-MIG焊道）

隨著鋁合金應用范圍日益擴大，鋁合金攪拌摩擦焊技術在航天、船舶、交通運輸、儲運設備等領域也得到了極大的應用。如挪威MARINE公司應用于艦船鋁合金甲板、側板等流水線結構件的焊接；日本HITACHI公司用于列車車體鋁合金大壁板的快速低成本制造；麥道公司用于火箭、飛機等的大型高強鋁合金燃料儲箱；波音公司的DELTAⅡ型和W型火箭已全部實現(xiàn)攪拌摩擦焊制造；大眾公司等應用于汽車懸架、輕合金車輪、鋁合金車身等汽車部件的焊接；歐洲空客公司開始將攪拌摩擦焊方法應用于A350等大型民用飛機的制造。

攪拌摩擦點焊（FSSW）可分為直插式攪拌摩擦點焊（日本Mazda汽車公司于1993年發(fā)明）和填充式攪拌摩擦點焊（德國GKSS研究中心于1999年發(fā)明）。

與傳統(tǒng)電阻點焊等連接技術比較，攪拌摩擦點焊（FSSW）具有以下優(yōu)點：缺陷少、變形小，焊接質量穩(wěn)定；節(jié)省能源、降低成本；工藝過程簡單易行；連攪拌頭工作壽命長；工作環(huán)境清潔。

日本Mazda公司在攪拌摩擦點焊技術研究開發(fā)方面處于世界前列。2003年該公司已經將FSSW技術用于RX-8發(fā)動機罩和后門的生產；后又與日本川崎重工合作，研制了固定式攪拌摩擦點焊設備（見圖5）和與機器人結合的攪拌摩擦點焊焊槍機構。2005年，Mazda公司又將FSSW技術用于鋼和鋁合金構建的連接。2005年1月，美國Feng等人報道了采用FSSW技術進行高強度鋼薄板焊接可行性的研究結果，采用帶有退出孔的攪拌摩擦點焊方法對600 MPa的雙相鋼和1 310 MPa的馬氏體鋼進行焊接試驗，在2～3 s的焊接時間內可獲得固態(tài)冶金連接，其結果為充分利用高強度鋼車體材料的優(yōu)勢提供了試驗依據(jù)。

圖5 攪拌摩擦點焊接設備

3.3 國內現(xiàn)有工作基礎及發(fā)展方向

國內一些大學和研究所在鋁合金焊接性、焊接材料、焊接工藝以及工業(yè)自動化方面做了許多基礎研究，對推動汽車中的鋁合金關鍵焊接技術做了很好的準備。如蘭州理工大學在鋁合金MIG熔池圖像形態(tài)學處理、視覺傳感、焊接熔寬控制系統(tǒng)上開展了研究。上海航天制造設備總廠研制了FSSW-SK-002、003、004攪拌摩擦點焊設備。

國內鋁合金車身焊接的主要方向是：

（1）建立鋁合金車身焊裝線，至少應具備年產3萬臺整車的生產能力；同時開發(fā)單排和雙排車共線的柔性焊裝線，能夠實現(xiàn)鋁合金車身焊接自動補償和控制，能夠實現(xiàn)兩種以上車型的混線切換，并保證骨骼精度合格率大于等于90%，車身配合精度大于等于85%，弧光煙塵符合國標控制，符合操作人員電磁健康要求；同時建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫，形成相應的技術規(guī)范與標準。按照精益生產和節(jié)拍平衡原則，合理布置全鋁車身焊接自動化生產線。

（2）試驗并完成全鋁車身MIG焊的自動跟蹤控制設備，建立鋁合金焊接變形的夾具控制系統(tǒng)，搭建鋁合金車身的全息檢測系統(tǒng)。根據(jù)各個部件的材料、形狀和強度要求，結合數(shù)值分析技術，制定合理的焊接工藝和規(guī)范并形成技術標準：包括MIG焊焊接電流、電壓、焊接速度、焊接道次、接頭形式、保護氣氛、焊絲種類及焊絲直徑。

（3）根據(jù)各個部件精度要求，利用數(shù)值模擬技術建立車身中鋁合金焊接接頭的焊接變形數(shù)據(jù)庫，并據(jù)此合理設計車身焊接工裝夾具、檢具，控制焊接變形。

（4）將弧焊機器人系統(tǒng)及機器人攪拌摩擦焊設備引入全鋁車身焊接生產線，開發(fā)焊接自適應及質量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接自動化，提高生產效率。

（5）將攪拌摩擦點焊設備批量裝備于車身焊接線中，實現(xiàn)國產設備關鍵技術的突破；形成達到國際品質的鋁合金焊接示范工程。FSSW接頭結構、焊點位置布置、攪拌頭幾何形狀、攪拌針伸出長度、攪拌停留時間、回壓距離、旋轉速度等；研究并試制完成國產化的FSSW焊接設備（焊針壽命大于2 000件），達到國際領先水平。

鋁合金車身焊接的人機控制環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)技術路線如圖6所示。

圖5 鋁合金車身焊接的人機控制環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)技術路線