汽車輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)研究進(jìn)展

曲家宇

摘要：隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，汽車輕量化成為汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。采用高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁合金等輕量化材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。 介紹了幾種常用輕量化金屬材料及其焊接特性。 對國內(nèi)外車身結(jié)構(gòu)輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括激光焊、激光 - 電弧復(fù)合焊、冷金屬過渡焊接技術(shù)、攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊和 Delta spot 電極帶式電阻點(diǎn)焊。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化；先進(jìn)焊接技術(shù)

我國汽車保有量和銷售量逐年上升，使得我國石油對外依存度逐年上升，節(jié)能降耗已刻不容緩。迫于國家對汽車燃油消耗量逐漸降低的要求，各大汽車廠商紛紛抓緊了對新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車的研制與推廣，電動(dòng)汽車的銷量正逐漸上升。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車目前所使用的動(dòng)力電池的比能量比燃油的比能量小很多，且電池的引入大幅增加了汽車的整車質(zhì)量，這使得電動(dòng)汽車的續(xù)航里程遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)燃油汽車，因此加快對電動(dòng)汽車的輕量化顯得十分迫切。

1 輕量化材料及其焊接特性

高強(qiáng)度鋼是目前使用最廣、 最成熟的輕量化材料。 采用高強(qiáng)度鋼材料，原 1.0～1.2mm 厚的車身鋼板可減薄至 0.7mm。 但是超高強(qiáng)度鋼對熱輸入較敏感，采用傳統(tǒng)熔化焊時(shí)容易產(chǎn)生較大變形；另外，高強(qiáng)度鋼具有較高的碳當(dāng)量， 其伸長率通常隨著強(qiáng)度的增加而降低。進(jìn)行電阻點(diǎn)焊時(shí)，通水強(qiáng)冷的電極導(dǎo)致焊點(diǎn)急冷，焊點(diǎn)處裂紋傾向較大。如何避免焊接變形、降低冷裂傾向成為高強(qiáng)度鋼的焊接新課題。鋁合金具有儲量高、 密度低、 耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)成為僅次于鋼材使用量的輕質(zhì)材料。 由于鋁合金具有強(qiáng)氧化性、導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)電性好以及線膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，導(dǎo)致在焊接時(shí)熱變形大，尺寸精度不易控制，容易產(chǎn)生氣孔、合金元素?zé)龘p等缺陷；另外，限于開發(fā)高性能鋁合金的工藝不夠成熟，生產(chǎn)成本高，一些中高端車型通常采用鋼 / 鋁復(fù)合車身。

2 輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)

2.1 激光焊、激光 - 電弧復(fù)合焊

激光焊是一種利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法， 被廣泛地應(yīng)用在汽車變速箱的齒輪等零部件、板材拼接、車身框架的生產(chǎn)制造中。 與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小的優(yōu)點(diǎn)。對比了 Q345 鋼板激光焊與氣體保護(hù)焊的焊接變形及殘余應(yīng)力， 并利用 Abaqus 軟件計(jì)算了兩種焊接方法的焊接溫度場、 焊接變形及殘余應(yīng)力，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果表明，由于激光焊單位長度的熱輸入比氣體保護(hù)焊小，且上下表面溫差較小，采用激光焊時(shí)的焊接變形和殘余應(yīng)力均小于氣體保護(hù)焊?？梢钥闯?， 激光焊接 Q345 低合金高強(qiáng)度薄板相對氣體保護(hù)焊更具有優(yōu)勢。對鎂合金的激光焊氣孔問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，變形鎂合金、砂鑄鎂合金、壓鑄鎂合金氣孔率依次升高。 激光焊焊接時(shí)，由于熔池深而窄不利于焊縫內(nèi)氣體逸出，當(dāng)功率參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、 保護(hù)氣體角度及流量不合適時(shí)容易造成氣孔等缺陷，應(yīng)加以重視。隨著激光焊在工業(yè)中應(yīng)用增多， 其不足也逐漸突顯出來。在焊接過程中，等離子體云對激光的吸收與反射作用會(huì)導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低， 而且激光焊裝配精度要求較高，焊縫處存在凹陷等。把激光與其它能量形式結(jié)合起來進(jìn)行復(fù)合焊接，如激光 -MIG 焊、激光 -MAG 焊等，能充分利用電弧焊間隙適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 可以大大提高焊接速度、 改善焊縫成形質(zhì)量。 目前，激光 - 電弧焊在汽車生產(chǎn)制造中也得到了應(yīng)用， 大眾輝騰鋁合金車門激光焊焊縫 11 條，約1030mm ，激光 -MIG 復(fù)合焊縫 48 條，約 3570mm ；奧迪 A8 車框焊接用到了 4.5m 長的激光復(fù)合焊縫。圖 1 為不同焊接方法相同熔深情況下的焊縫成形，激光焊焊縫較窄、焊縫表面凹陷，電弧焊焊縫寬、余高大，復(fù)合焊居中。 5 系、 6 系鋁合金是目前在汽車工業(yè)中最具有應(yīng)用前景的輕量化材料， 為研究異種金屬的激光 - 電弧焊焊接適應(yīng)性， 相關(guān)學(xué)者做了大量研究。

2.2 冷金屬過渡焊接技術(shù)

冷金屬過渡焊接（ CMT ）技術(shù)是在短路過渡的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的， 但是 CMT 焊接熔滴接觸到熔池發(fā)生短路時(shí)， 焊接電流瞬間降至幾乎為零， 可以降低15%～30% 的焊接熱輸入量。另外， CMT 焊通過對焊絲以高達(dá) 100Hz 送絲 - 回抽的機(jī)械轉(zhuǎn)換使熔滴脫落進(jìn)入熔池，而此時(shí)的焊接電流幾乎為零，因此該熔滴過渡過程相對 MIG 、 MAG 焊幾乎無飛濺。當(dāng)焊絲接正極時(shí)，電弧熱量主要作用于母材，不僅可以增加熔深，還有助于在焊接鋁合金時(shí)清理鋁合金表面的氧化膜；當(dāng)焊絲接負(fù)極時(shí)，大部分電弧熱量用于熔化焊絲，增加焊絲熔化量，對間隙較大的工件有較好的連接能力， 因此， 通過調(diào)節(jié)交流CMT 焊接過程中的正負(fù)半波占比，可以實(shí)現(xiàn)精確控制焊接熱輸入及熔敷效率以適應(yīng)不同的工件需求。

2.3 攪拌摩擦焊及攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦焊是一種新型固相焊技術(shù)， 通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭和工件摩擦產(chǎn)生熱量作為熱源，使母材處于熱塑性狀態(tài)。與傳統(tǒng)焊接相比， FSW 不需要消耗焊絲、焊劑、保護(hù)氣等材料，無飛濺、無煙塵、能有效避免氣孔及顯微裂紋，且由于熱輸入較低，不受異種材料物理化學(xué)性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)的影響，可有效控制 IMC 的形成，在焊接鋁、鎂合金及鋼 - 鋁異種金屬時(shí)具有較大優(yōu)勢，被譽(yù)為繼激光焊后又一革命性的焊接技術(shù)。目前，攪拌摩擦焊已在輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤支架、車體框架、車門等零部件中得到應(yīng)用。但是攪拌摩擦焊也有不足之處，如施焊時(shí)需將工件進(jìn)行剛性固定， 焊接結(jié)束后會(huì)在根部留下凹孔。

2.4 電極帶式電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是在壓緊的兩個(gè)工件間通入電流，由電阻焦耳熱效應(yīng)提供熱源， 將工件加熱到熔化或塑性狀態(tài)進(jìn)行連接的一種壓焊方法，其自動(dòng)化程度高、焊接時(shí)間短、效率高，另外，不需要填充焊絲，成本低，因此被廣泛應(yīng)用在汽車生產(chǎn)制造中。電阻點(diǎn)焊是目前最主要的白車身焊接方法， 一臺轎車上的焊點(diǎn)可以達(dá)到 3000～6000 個(gè)。 近年來，中外科研人員對電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用做了大量研究。隨著汽車輕量化進(jìn)程的推進(jìn)， 高強(qiáng)鋼及鋁合金在車身上得到廣泛應(yīng)用，鋼 - 鋁復(fù)合接頭越來越多。 但是由于鋁合金的電阻遠(yuǎn)小于鋼，因此需要更大的焊接能量，約為鋼的 4倍；另外，鋁合金熔點(diǎn)較低，焊接過程中熔化的材料很容易附著在電極上，導(dǎo)致電極產(chǎn)生電阻熱不穩(wěn)定，因此每焊接 300 個(gè)左右的焊點(diǎn)就需要更換或者清理電極，嚴(yán)重影響生產(chǎn)連續(xù)性。

3結(jié)束語

輕量化設(shè)計(jì)的任務(wù)是在最小的構(gòu)造質(zhì)量下，達(dá)到最大限度的使用范圍，汽車輕量化對汽車節(jié)油、降低排放、改善性能、汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，是低碳時(shí)代汽車技術(shù)的發(fā)展方向。國產(chǎn)汽車輕量化目標(biāo)是2013年目標(biāo)車型中的燃油轎車減重5% ～8% 、混合動(dòng)力客車減重10% 。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：江西昌河汽車有限責(zé)任公司）