汽車制造中的鋁合金連接技術(shù)研究

易明輝

（南京威邇德汽車零部件有限公司，江蘇 南京210000）

1 鋁合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國汽車工業(yè)步入了高速增長階段。到2009年，中國已超過美國，成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國；2015年，中國汽車產(chǎn)量預(yù)計(jì)達(dá)到2 500萬輛。中國汽車產(chǎn)量增長情況如表1所示。

表1 中國汽車產(chǎn)量增長情況

能源、環(huán)境、安全是當(dāng)今世界倡導(dǎo)的主題，而同此三大主題聯(lián)系最緊密的行業(yè)就是汽車工業(yè)。研究表明，若汽車重量降低10%，則燃油效率提高6%～8%，CO2排放減少13%。在安全方面，汽車輕量化后，操控更穩(wěn)定、制動距離更小，發(fā)生碰撞時(shí)也會讓人更安全。

2005年歐盟第六框架下推出了Superlight－Car計(jì)劃，由歐洲9個(gè)國家、38家機(jī)構(gòu)共同參與合作研發(fā)。目的是在兼顧成本和保證汽車性能的前提下，研發(fā)出不同性能的輕質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)車身減重、節(jié)約能源和減少排放。

2007年，中國汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式宣告成立，其長期發(fā)展目標(biāo)是：開展汽車輕量化材料應(yīng)用共性關(guān)鍵技術(shù)研究，攻克和自主掌握輕量化核心關(guān)鍵技術(shù)，提升汽車行業(yè)輕量化材料應(yīng)用水平。

未來車身的設(shè)計(jì)將由目前的鋼結(jié)構(gòu)演變?yōu)橄冗M(jìn)的混合式空間結(jié)構(gòu)，并根據(jù)部位要求采用不同性能的輕質(zhì)材料，以實(shí)現(xiàn)材料與零部件功能的最佳匹配。因此，鋁合金等輕量化材料的應(yīng)用將越來越廣泛。

鋁合金作為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）重量輕，在滿足相同的使用條件時(shí)，鋁比鋼輕60%；

（2）改善了零件的加工工藝性能；

（3）鋁制零件不需作防銹處理；

（4）具有較強(qiáng)的吸能性；

（5）鋁合金材料回收比例比鋼材要高得多，回收再生所需能源卻比鋼材低得多。

由于鋁合金具有很多優(yōu)點(diǎn)，各車企紛紛推出采用鋁合金的車型和全鋁車身。預(yù)計(jì)到2020 年，全球車用鋁板年需求量將超過100萬t。

2 鋁合金的應(yīng)用帶來了焊接技術(shù)的挑戰(zhàn)

應(yīng)用鋁合金在減輕車身重量的同時(shí)，也對焊接技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。例如，如車身總成零件普遍采用的MIG/MAG 焊將面臨以下難題：

（1）采用鋁合金后，材料厚度比原來的更薄，易出現(xiàn)工件焊穿現(xiàn)象；

（2）焊后更易變形；

（3）鋁合金對熱輸入更為敏感，易出現(xiàn)焊接裂紋；

（4）熱影響區(qū)母材強(qiáng)度易弱化；

（5）鋼和鋁的異種金屬如何連接。

點(diǎn)焊同樣面臨難題：

（1）鋁電阻比鋼小，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)好于鋼，點(diǎn)焊時(shí)，需要用數(shù)倍于鋼的點(diǎn)焊電流；

（2）電極易被污染。

鋁合金是高反射率材料，很難采用激光焊。因此，MIG/MAG 焊、點(diǎn)焊、激光焊等作為車身制造的主要焊接工藝，已不能滿足鋁合金應(yīng)用的要求，必須要開發(fā)更先進(jìn)的焊接工藝或連接技術(shù)，才不會制約汽車輕量化的發(fā)展。

3 汽車輕量化用材鋁件的連接工藝

汽車輕量化用材鋁件的連接工藝主要有點(diǎn)焊（RSW）、弧焊、激光復(fù)合焊、自沖鉚接（SPR）、螺栓自動擰緊（FDS）、攪拌摩擦點(diǎn)焊等。

3.1 鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)

鋁材可分為純鋁及鋁合金、變形鋁和非變形鋁、非熱處理強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化鋁。鋁材采用GB/T16474—1996《變形鋁及鋁合金牌號表示方法》規(guī)定的四位數(shù)字體系牌號命名方法，狀態(tài)代號按照GB/T16475—2008《變形鋁和鋁合金狀態(tài)代號》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。國標(biāo)GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中包含273個(gè)變形鋁及鋁合金牌號，其中國際牌號159 個(gè)，國內(nèi)牌號114個(gè)。

鋁合金點(diǎn)焊的焊接性較差，其原因及應(yīng)采取的措施如下：

（1）電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高，須采用大電流和短時(shí)間，才能確保既有足夠的熱量形成熔核，又能避免表面過燒；

（2）塑性溫度范圍窄、線膨脹系數(shù)大，須采用大電極壓力，或在焊接脈沖后加緩冷脈沖的方法避免裂紋；

（3）表面易生成氧化膜；

（4）點(diǎn)焊電極易燒損；

（5）對點(diǎn)焊規(guī)范的敏感性大，控制精度要求高。

為此，點(diǎn)焊鋁合金的焊機(jī)應(yīng)具有下列特性：

（1）能在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流、逆變、電容儲能、次級整流；

（2）電流波形帶有緩升緩降及多脈沖功能；

（3）能精確控制焊接工藝參數(shù)；

（4）能提供階梯或馬鞍型電極壓力；

（5）機(jī)頭的慣性和摩擦力小，電極隨動性好。

3.1.1 鋁合金點(diǎn)焊工藝研究及其優(yōu)化

采用Sorpas進(jìn)行鋁合金點(diǎn)焊模擬及參數(shù)優(yōu)化，例如通過Sorpas模擬預(yù)測與實(shí)驗(yàn)獲得5052－O 可焊區(qū)間，模擬結(jié)果表明：當(dāng)電極壓力為3kN 時(shí)最佳焊接時(shí)間是4～5CYE，優(yōu)化的焊接電流范圍為24～25kA。模擬數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。用Sorpas及Ansys有限元軟件進(jìn)行鋁合金點(diǎn)焊溫度峰值、溫度、變形、受力、冷卻速率、冷卻時(shí)間、金相、硬度分布、殘余應(yīng)力、裂紋分布等模擬。

3.1.2 鋁合金點(diǎn)焊焊接缺陷研究及抑制方法

采用平直端面電極、直流單脈沖點(diǎn)焊5052－O 鋁合金，優(yōu)化的焊接規(guī)范參數(shù)為：F＝3.5kN，I＝24kA，t＝4CYE。實(shí)驗(yàn)表明，單脈沖點(diǎn)焊鋁合金易產(chǎn)生裂紋；采用多脈沖可以改善熱影響區(qū)裂紋傾向；采用表面帶環(huán)狀凸痕電極能抑制熱影響區(qū)裂紋；采用多脈沖且表面帶環(huán)狀凸痕電極可徹底消除裂紋。

3.1.3 鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究及延長電極壽命的方法

通過鋁合金點(diǎn)焊電極頭X 射線衍射圖譜得知：XRD 圖譜中存在Cu、Al、CuAl2，導(dǎo)致電極表面發(fā)生銅鋁合金化。實(shí)踐表明，采用表面帶凸環(huán)電極頭或電極表面采用循環(huán)銅箔以及采用帶氣管和冷卻管的電極可以延長電極壽命。對電極或工件表面進(jìn)行處理，也能達(dá)到延長電極壽命的效果。

3.1.4 電極帶式電阻點(diǎn)焊工藝

電極帶式電阻點(diǎn)焊工藝，是在電極與工件之間增加一條電極帶，焊接時(shí)電極壓住電極帶接觸工件進(jìn)行焊接，當(dāng)一個(gè)焊點(diǎn)完成后，電極帶自動轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置。電極帶能保護(hù)電極，不同的材料可選用不同的電極帶，電極帶能使通水的銅電極不直接接觸母材，避免了焊后強(qiáng)冷導(dǎo)致的裂紋。電極帶式電阻點(diǎn)焊焊鉗是伺服的，可精確調(diào)整每個(gè)焊接階段的壓力。電極帶式電阻點(diǎn)焊可以焊接鋁及鋁合金、鋼和鋁的異種材料等。

3.2 鋁合金弧焊技術(shù)

3.2.1 鋁合金弧焊特點(diǎn)

（1）氧化能力強(qiáng)（表面形成致密的Al2O3薄膜）；

（2）熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率高，需要用能量集中、大功率熱源焊接；

（3）線膨脹系數(shù)大，焊接凝固時(shí)體積收縮率大，熱裂紋傾向大；

（4）高溫強(qiáng)度和高溫塑性低，焊縫成型不良；

（5）合金元素易燒損，導(dǎo)致接頭性能下降。

3.2.2 鋁合金弧焊方法

（1）氣焊。

焊接效率低，用于不重要的薄板結(jié)構(gòu)焊接。

（2）焊條電弧焊。

焊縫成型不良，不適用焊接質(zhì)量要求較高的鋁制結(jié)構(gòu)。

（3）鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG 焊）。

能滿足鋁合金最高焊接質(zhì)量要求的焊接方法，采用氬、氦及其混合氣體，保護(hù)效果好，通常采用交流焊接電源。

（4）熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG 焊）。

一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方法，焊接效率比TIG 焊高2～3倍，采用雙脈沖電流可獲得外觀接近TIG 焊的優(yōu)質(zhì)焊縫。

（5）變極性等離子弧焊。

專為焊接鋁材開發(fā)的一種高效焊接方法，兼有TIG 焊的優(yōu)質(zhì)和MIG 焊的高效。

3.2.3 冷金屬過渡工藝

冷金屬過渡工藝是在短路過渡基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，不同的是焊絲不僅會向前送絲，而且還有往回抽的動作，其焊接過程是：電弧燃燒，加熱工件和熔化焊絲，同時(shí)焊絲往前送，直到形成的熔滴同工件接觸，焊機(jī)將焊接電流降至幾乎為0，同時(shí)槍頭處的伺服馬達(dá)倒轉(zhuǎn)，焊絲往回抽，實(shí)現(xiàn)熔滴向焊縫處過渡。當(dāng)焊絲脫離焊縫開路形成后，電弧重新燃起，焊絲又往前送，下一個(gè)熔滴過渡周期重新開始。冷金屬過渡工藝大幅降低了焊接過程的熱輸入量，沒有汽化爆斷過程，對焊縫無壓力沖擊，不易出現(xiàn)焊接燒穿現(xiàn)象，消除了飛濺產(chǎn)生的因素，可精確控制輸入量，具有高重復(fù)焊接質(zhì)量精度，可實(shí)現(xiàn)1.2 mm 焊絲焊接0.3mm薄板，焊接速度高，間隙容忍性好，可廣泛用于鋁合金焊接和鋼鋁異種材料焊接。

3.3 鋁合金激光復(fù)合焊

激光復(fù)合焊是激光焊和MIG 焊兩種方法同時(shí)作用于焊接區(qū)，激光束在焊縫垂直方向輸入熱量，同時(shí)MIG 焊在后方熔化焊絲，也向焊縫輸入熱量。開始焊接時(shí)，MIG 焊電源先形成電弧加熱工件，工件表面會揮發(fā)出大量的金屬蒸汽，從而使激光束的能量傳輸更加容易，形成揮發(fā)孔，順利將激光的所有能量傳到工件上。激光復(fù)合焊焊接過程穩(wěn)定，焊接速度快，形成的熔池大，搭橋能力好，具有很好的柔性和工件的適應(yīng)性（如焊鋁）及經(jīng)濟(jì)性。

3.4 自沖鉚接工藝

自沖鉚接（SPR）最常用的兩種類型為無鉚釘壓鉚連接工藝、半空心鉚釘自沖鉚接工藝。

3.4.1 無鉚釘壓鉚連接工藝

無鉚釘壓鉚連接工藝是一種無需鉚釘，僅通過具有特定形狀的上下模具對板件施加壓力迫使連接板件產(chǎn)生塑性變形，最終在板與板之間形成牢固互鎖結(jié)構(gòu)的板件連接工藝?？捎糜谶B接不同材料的多層、復(fù)合、不等厚及中間有夾層板件，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠、易實(shí)現(xiàn)自動化，但其接頭強(qiáng)度不高。國際上提供該工藝裝備的主要有德國的TOX 和美國的BTM，國內(nèi)SVW、SGM 的部分產(chǎn)品采用了TOX 的技術(shù)與裝備。

3.4.2 半空心鉚釘自沖鉚接工藝

半空心鉚釘自沖鉚接工藝是一種在鉚釘與板料之間形成牢固互鎖的冷成型工藝，它可用于連接各種異種板材，連接總厚度能達(dá)到10mm。

圖1為半空心鉚釘自沖鉚工藝示意圖。鉚接過程如下：夾緊階段（b），壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，鉚釘在沖錘的驅(qū)動下垂直向下對板料進(jìn)行預(yù)壓緊；沖裁階段（c），動力源加力下壓鉚釘迫使其刺穿上層板料，也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形；擴(kuò)張階段（d），下層板料逐漸填充入凹模，鉚釘腿部向周圍擴(kuò)張形成鉚釘與板料間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)；沖鉚完成（e），沖錘將鉚釘下壓至鉚釘頭與上層板料的上表面緊密接觸且平齊時(shí)完成鉚接。

鋁板＋鋼板理想鉚接點(diǎn)的典型剖面圖如圖2所示。

自沖鉚接優(yōu)點(diǎn)：

（1）工序周期短，僅為1～4s；

圖1 半空心鉚釘自沖鉚接工藝

圖2 鋁板＋鋼板理想鉚接點(diǎn)的典型剖面圖

（2）可以連接多種材質(zhì)的板材；

（3）可以鉚接多層板材組；

（4）無熱效應(yīng)，可用于涂層或鍍層板材的連接；

（5）無需在板材上預(yù)先開孔；

（6）鉚接能耗低；

（7）模具使用壽命長；

（8）鉚接點(diǎn)強(qiáng)度高，壽命長；

（9）鉚接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定；

（10）鉚接時(shí)無熱量、煙、汽、火花、粉塵或碎屑等產(chǎn)生；

（11）可與膠粘工藝組合使用；

（12）低噪音。

3.5 螺栓自動擰緊技術(shù)

螺栓自動擰緊技術(shù)，又稱流鉆螺釘（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）技術(shù)，其原理是利用螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量熔化母材，增加壓力打穿母材并在母材上制作螺紋，使兩層或多層板料固定在一起。目前全球已經(jīng)有德國、意大利、英國、丹麥、匈牙利、波蘭等國家在汽車工業(yè)中使用了該技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)如下：可連接包括鋁鎂合金在內(nèi)的任何材料及異種材料；可實(shí)現(xiàn)單邊連接；鉚釘可以拆卸，回收方便。

3.6 鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊

鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊主要有：

（1）直插式。

攪拌頭不斷旋轉(zhuǎn)，通過施加頂鍛壓力插入連接工件中，工件與攪拌頭之間產(chǎn)生摩擦熱，軟化周圍材料，完成連接后攪拌頭從工件中退出。

（2）摩擦塞焊（FBJ）技術(shù)。

采用可消耗的攪拌針，焊接結(jié)束，攪拌頭與夾持部位通過剪斷實(shí)現(xiàn)分離，攪拌頭留在接頭中。

（3）回填式。

采用特殊的攪拌頭，通過精確控制攪拌頭各部件的相對運(yùn)動，在攪拌頭回撤的同時(shí)填充攪拌頭在焊接過程中形成的退出孔。

（4）填充式。

使用特殊設(shè)計(jì)的雙重作用的攪拌頭，外部的軸肩和內(nèi)部可回抽的攪拌針可重新填滿匙孔。

（5）擺動式。

在復(fù)合攪拌中，攪拌頭以正常的方式繞軸旋轉(zhuǎn)，但軸同樣也在一個(gè)圓形的軌道區(qū)域內(nèi)移動。

（6）無針插入式。

攪拌頭只有軸肩，沒有攪拌針，但在軸肩的底部加工成渦旋溝槽，從而實(shí)現(xiàn)成型焊點(diǎn)沒有攪拌針孔。

4 結(jié)語

我國以連續(xù)6年產(chǎn)銷超過1 000萬輛汽車成為全球第一大汽車生產(chǎn)和消費(fèi)市場，汽車工業(yè)在成為我國支柱產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，也成為能源和環(huán)境的一大威脅，作為汽車節(jié)能減排的重要途徑之一，汽車輕量化需求更為迫切。

要實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，首先要解決輕量化材料的連接技術(shù)問題，只有這樣，才能拓寬新材料在車身上的應(yīng)用范圍，為汽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更多的可行性，從而實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，最終使我國由汽車生產(chǎn)大國轉(zhuǎn)型為汽車強(qiáng)國。

本文所研究和探討的鋁合金點(diǎn)焊（RSW）、弧焊、激光復(fù)合焊、自沖鉚接（SPR）、螺栓自動擰緊（FDS）、攪拌摩擦點(diǎn)焊等技術(shù)，為汽車制造中的鋁合金連接提供了有效可行的方案。

［1］Sousanis J.World vehicle population tops l billion units［J］.Wards Auto World Exclusive Insight，2011（8）.

［2］GB/T16474—1996 變形鋁及鋁合金牌號表示方法［S］.

［3］GB/T16475—2008 變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號［S］.

［4］GB/T3190—2008 變形鋁及鋁合金化學(xué)成分［S］.

［5］李永兵，李亞庭，樓銘，等.轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012（18）.