探析汽車車身異種金屬板件磁脈沖焊接工藝

徐興

摘 要：在汽車車身采用異種金屬板件中由于材料的參數(shù)不同使其在焊接中存在許多不可忽視的問題，在此條件下許多學(xué)者對(duì)其焊接方法不斷的研究及研發(fā)，其中磁脈沖焊接工藝在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果，其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)焊接方式中存在的缺陷及不足。為此本文從異種金屬板件焊接中存在的難點(diǎn)入手，通過試驗(yàn)的方式來探討磁脈沖焊接在使用中需要注意的技術(shù)難點(diǎn)及要點(diǎn)，以此對(duì)其焊接工藝進(jìn)行深入分析，進(jìn)而保證磁脈沖焊接工藝可以在異種金屬板件焊接中得到良好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；磁脈沖焊接；異種材料焊接

在汽車行業(yè)其輕量化、節(jié)能化生產(chǎn)已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，在汽車輕量化中其材料的選用及處理廣受關(guān)注，其最主要的特點(diǎn)就是應(yīng)用輕質(zhì)合金來代替汽車車身部分所應(yīng)用的鋼材。由于目前在汽車生產(chǎn)中，其并不能全面的使用輕質(zhì)合金，車身關(guān)鍵部位仍然以鋼材的應(yīng)用為主，為此必須要通過焊接的方式來對(duì)輕質(zhì)合金及鋼材進(jìn)行連接。但是由于輕質(zhì)合金與鋼材之間物化性能差異大，因此采用普通的焊接方式容易造成材料之間出現(xiàn)融合效果差、裂縫明顯等情況，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

一、汽車車身異種金屬在焊接中存在的工藝難點(diǎn)

目前在汽車車身中主要應(yīng)用的輕質(zhì)合金有鋁、鎂等，以下主要以鋁為研究對(duì)象分析其與鋼之間焊接存在的問題及難點(diǎn)。

1、物理差異

鋼的熔點(diǎn)為1538℃，而鋁的熔點(diǎn)為600℃，二者熔點(diǎn)之間存在的差異過大，這也使其在傳統(tǒng)的熔焊中存在著鋁先熔化而鋼還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到熔點(diǎn)的情況。并且還需注意的是，鋼的密度要遠(yuǎn)高于輕質(zhì)合金，因此在熔焊中，鋼完全熔化為鋼水后，液態(tài)鋁會(huì)浮于其表面，使鋼、鋁在凝固之后整體分布不均勻。再加上二者之間的熱導(dǎo)率及膨脹系數(shù)等之間的差別會(huì)導(dǎo)致焊接后的產(chǎn)品出現(xiàn)脆硬的中間化合物，更易出現(xiàn)裂紋等情況。

2、化學(xué)差異

鋼屬于一種鐵碳合金，而在異種金屬焊接中需要注意，鐵與鋁之間的溶解度極小，在常態(tài)下可以說鐵完全不溶于固態(tài)鋁，因此在傳統(tǒng)的熔焊中，二者的化合物狀態(tài)無法受到控制，因此在實(shí)際中其鋼、鋁接頭質(zhì)脆且塑性較差。并且在高溫環(huán)境下，鋁會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，尤其是在高熔點(diǎn)下會(huì)形成阻礙液態(tài)金屬融合的氧化膜，使焊縫處形成夾雜。

二、磁脈沖焊接試驗(yàn)

1、試驗(yàn)原理

變壓器首先將380V工業(yè)電壓升至數(shù)千伏，隨后整流器將其整流為直流，并對(duì)電容器組進(jìn)行充電。當(dāng)電容器組電壓上升至閾值后，接通高壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈的放電。放電后，線圈回路產(chǎn)生高頻的衰減電流I，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在線圈周圍空間中產(chǎn)生高頻時(shí)變磁場，導(dǎo)致飛板內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流Iv。在線圈與飛板的間隙中，I與Iv產(chǎn)生的磁場相互疊加，形成增強(qiáng)磁場。在該磁場作用下，飛板會(huì)受到巨大的洛倫磁力Fl而產(chǎn)生高速塑性變形，與基板發(fā)生碰撞。在合適的碰撞速度和角度下，碰撞點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高速射流沖刷焊接表面雜質(zhì)，使兩潔凈表面金屬在高壓下緊密結(jié)合形成金屬鍵連接。

2、試驗(yàn)材料與方法

磁脈沖焊接試驗(yàn)采用德國PST公司生產(chǎn)的電磁脈沖連接裝置PS48-16，其上部內(nèi)嵌有兩組平板線圈，可同時(shí)充電、放電，一次完成兩組板件的焊接。線圈下面為板件的固定工裝。通過該工裝可限定兩焊接板件的間距，亦可保證板件在高速撞擊時(shí)板件的位移約束。

三、試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于Cu-SS焊接件，焊接區(qū)域銅板表面有明顯的熔化現(xiàn)象，且有一定皺縮。這是由于放電能量大，而銅板過?。?.1mm），銅板內(nèi)的渦流產(chǎn)生熱量，放電時(shí)使其表層瞬間熔化，放電完成后又迅速凝固。而對(duì)于Al-SS焊接件，由于采用厚度較大的鋁板作為飛板，且鋁的導(dǎo)電率較低，渦流較小，因此未出現(xiàn)表面熔化狀態(tài)。表面質(zhì)量良好，無損傷，基板無明顯形變。鋁板與不銹鋼板在焊接區(qū)域完全連接在一起，無未焊接區(qū)域。在A和B兩處，位于焊接區(qū)域的邊緣有深灰色、質(zhì)地松散的粉末。這些粉末是磁脈沖焊接過程中，飛板撞擊基板時(shí)形成的高速射流，在慣性作用下噴射至焊接區(qū)域外，冷卻后的產(chǎn)物。射流能清除焊接表面的氧化物和污染物，為板件結(jié)合提供清潔的表面。在碰撞的巨大壓力下，元素互相擴(kuò)散，兩個(gè)清潔表面緊密結(jié)合。

四、分析與討論

1、焊接界面中部與兩側(cè)微觀特征的區(qū)別

斷面焊接區(qū)域兩側(cè)焊接效果明顯優(yōu)于中部。引起上述差異的主要原因是沖擊角度的不同。由于兩焊接板件平行放置，當(dāng)高速的飛板撞擊基板時(shí)，中心區(qū)域是垂直撞擊，沖擊角度為0°，兩側(cè)板件撞擊時(shí)有一定的撞擊角度，會(huì)造成撞擊速度在水平方向產(chǎn)生分量。垂直撞擊會(huì)直接引起垂直方向的反彈，減弱板件的連接，一定的沖擊角度能增加沖擊的水平分量，減弱垂直方向的反彈。同時(shí)，射流的產(chǎn)生是波形界面和過渡區(qū)形成的至關(guān)重要的條件，直接影響到焊接效果。垂直沖擊時(shí)，由于缺失撞擊水平速度分量，往往不會(huì)產(chǎn)生射流。綜上所述，焊接區(qū)域兩側(cè)位置的焊接效果往往要好于中心位置。事實(shí)上，撞擊整個(gè)界面上撞擊速度有一定差異，中部撞擊速度略大于兩側(cè)，但只要撞擊速度超過最小臨界速度，連接強(qiáng)度便可滿足整體要求。

2、板件厚度對(duì)焊接效果的影響

當(dāng)飛板撞擊基板時(shí)，在兩板件中會(huì)產(chǎn)生沿著板厚方向的反射波，且方向相反。隨后，反射波在板件外表面發(fā)生反射，傳播至新的撞擊點(diǎn)處并與該點(diǎn)沖擊波疊加形成壓力峰值。在碰撞點(diǎn)處碰撞速度高于兩邊位置的金屬流動(dòng)速度故形成波峰。波的形成與反射波在板內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。板件越厚，反射波在板件中傳播時(shí)間越長，產(chǎn)生波峰的時(shí)間約長，故波形尺寸越大。

3、板間距對(duì)焊接效果的影響

如果不考慮基板的影響，飛板的運(yùn)動(dòng)可分為加速和減速兩個(gè)階段。在加速階段中，飛板受到洛倫磁力而做向下的加速運(yùn)動(dòng)，速度迅速增大，洛倫磁力逐漸減小，加速度逐漸減小至零，飛板速度達(dá)到最大值。當(dāng)飛板依靠慣性繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)入減速階段，速度逐漸減小至最終停止。因此，通過適當(dāng)調(diào)整基板與飛板的間距，便可獲得一個(gè)最大的撞擊速度，使焊接效果最優(yōu)。

結(jié)語：本文中完成了鋁-不銹鋼和銅-不銹鋼板件的磁脈沖焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明磁脈沖焊接適用于鋁-鋼和銅-鋼異種金屬板件焊接，可有效地解決汽車應(yīng)用中鋁與鋼的焊接難題。

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