汽車(chē)車(chē)身焊接技術(shù)的研究進(jìn)展

陳道齊

摘 要：眾所周知，石油是不可再生能源，同時(shí)受全球環(huán)境影響，節(jié)能減排勢(shì)在必行，汽車(chē)輕量化研究將是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展主要研究方向。文章介紹了汽車(chē)車(chē)身焊接中運(yùn)用到的傳統(tǒng)焊接技術(shù)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外新型的車(chē)身焊接技術(shù)發(fā)展進(jìn)行綜述。為汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)提供了新的焊接思路。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)焊接技術(shù);輕量化;汽車(chē)材料

中圖分類號(hào)：TP212.14 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-179-03

Research progress of automobile body welding technology

Chen Daoqi

（Fuzhou Vocational and Technical College， Fujian Fuzhou 350108）

Abstract：?As everyone knows， oil is a non-renewable energy source， and at the same time， due to the global environmental impact， energy saving and emission reduction are imperative. The research on automobile light-weighting will be the main research direction of the automotive industry. The research on automobile lightweight will be an important part of the development of the automobile industry.This article introduces the traditional welding technology used in automobile body welding， and summarizes the development of new body welding technologies at home and abroad. ?It provides new welding ideas for lightweight design of automobile body.

Keywords： Automotive welding technology; Lightweight; Automotive materials

CLC NO.：?TP212.14??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-179-03

前言

傳統(tǒng)的鋼、鐵材料作為汽車(chē)車(chē)身材料與現(xiàn)有的以工頻電阻點(diǎn)焊為主汽車(chē)車(chē)身焊接技術(shù)，已經(jīng)很難滿足汽車(chē)車(chē)身“節(jié)能、環(huán)保、安全”的要求。研究表明，汽車(chē)重量每減少100 kg，可節(jié)省燃油0.3-0.5L·（ 100 km） ^-1，可減少CO₂排放8-11 g·（ 100 km） ^-1[1]。據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，汽車(chē)質(zhì)量每減少1%，汽車(chē)在行駛中燃油的消耗就會(huì)減少6%到8%。由此可見(jiàn)汽車(chē)輕量化是減少能耗和污染物排放的最有效可行路徑之一，目前汽車(chē)輕量化主要研究方向一方面是研發(fā)汽車(chē)車(chē)身新型材料優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，另一方面是運(yùn)用先進(jìn)的汽車(chē)車(chē)身焊接技術(shù)。隨著汽車(chē)材料技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料被運(yùn)用到汽車(chē)白車(chē)身上，如輕金屬材料：鋁合金、高分子材料、碳纖維等特種材料都得到廣泛的運(yùn)用^[1]。同時(shí)隨著汽車(chē)焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新型汽車(chē)車(chē)身焊接技術(shù)已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)中得到廣泛的運(yùn)用，如激光拼焊、釬焊、中頻電阻焊、氣體保護(hù)焊、摩擦攪拌點(diǎn)焊等。

1?汽車(chē)車(chē)身材料技術(shù)的發(fā)展

車(chē)身占汽車(chē)總重量的三分之一重，所以車(chē)身材料的選擇對(duì)汽車(chē)輕量化起著重要影響。汽車(chē)車(chē)身材料選擇原則：（1）滿足汽車(chē)零件的使用性能要求，如安全性等;（2）具有良好的工藝性能;（3）具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

在汽車(chē)工業(yè)發(fā)展100多年來(lái)，鋼和鐵一直都是作為汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)的主要金屬材料^[2]。但是隨著能源、環(huán)境問(wèn)題不斷影響和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵材料在車(chē)身上運(yùn)用呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而其他一些輕金屬材料、高分子材料、特種材料等先進(jìn)材料被運(yùn)用到汽車(chē)生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)外汽車(chē)材料技術(shù)研究方向主要有復(fù)合材料、高強(qiáng)度鋼材料、鋁合金材料。

李鎮(zhèn)等人^[3]在研究中發(fā)現(xiàn)鍍層能夠有效抑制鋁鐵間的擴(kuò)散反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)鋁/鍍鋅鋼抗拉剪強(qiáng)度最大。

梁森等人^[4]在研究中發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度、高剛度、高性能的復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

徐峰祥等人^[5]在研究中發(fā)現(xiàn)采用的光滑策略在分析車(chē)身復(fù)合材料零部件動(dòng)力特性方面具有較好的可靠性和有效性。

Goede M等人^[6]在研究中發(fā)現(xiàn)為了充分利用各材料的優(yōu)異性能，將多種輕量化材料拼焊成鋼/鋁、鋁/鎂、鋼/鎂等多材料一體化復(fù)合構(gòu)件成為一種趨勢(shì)。

福特Ford P2000的前門(mén)內(nèi)板上就成功地采用了不同厚度的鋁合金拼焊板，采用的母材為AA5182^[7]

2?汽車(chē)傳統(tǒng)焊接技術(shù)

傳統(tǒng)汽車(chē)焊接技術(shù)有手工電弧焊、氣焊、氣體保護(hù)焊、等離子弧焊、電阻焊、等。其中手工電弧焊、氣焊、氣體保護(hù)焊、主要運(yùn)用在汽車(chē)車(chē)身修復(fù)上，等離子弧焊、電阻焊、激光焊則運(yùn)用在汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)中白車(chē)身的焊裝上。

2.1?手工電弧焊

手工電弧焊由電源、電纜、焊鉗、焊條、焊件組成，是利用焊接電源在焊條和焊件之間的電弧熱使金屬和母材熔化形成焊縫的一種焊接方法。其示意圖如圖1：

手工電弧焊是最基本也是最常用的一種焊接方法，它不僅可以焊接各種低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵等，還可以焊接多種有色金屬上，能焊接90%常用金屬。手工電弧焊在主要運(yùn)用在汽車(chē)車(chē)身修復(fù)上，比如修復(fù)斷裂的零件或磨損件等。

2.2?氣焊

氣焊與手工電弧焊不同，它是將可燃?xì)怏w與助燃?xì)怏w在焊炬混合后引燃后，利用產(chǎn)生的高溫火焰作為熱源將焊件和焊絲融化，形成熔池待冷卻后形成焊縫的一種焊接方法。其原理示意圖如圖2。

由于氣焊的熱源產(chǎn)生的熱能有限，所以氣焊一般用來(lái)焊接一些較薄的鋼板或者熔點(diǎn)較低的材料。在汽車(chē)鈑金作業(yè)中，氣焊是常用的方法之一。

2.3?氣體保護(hù)焊

熔化極惰性氣體保護(hù)焊，是以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為熔化電極，采用惰性氣體作為保護(hù)氣體的電弧焊方法，簡(jiǎn)稱MIG（Metal Inertia Gas）焊。其原理示意圖如圖3：

在汽車(chē)鈑金焊接維修作業(yè)中，熔化極惰性氣體保護(hù)焊常用的方法之一，它主要應(yīng)用于一些活性較強(qiáng)金屬的焊接，例如不銹鋼、耐熱合金、銅合金及鋁鎂合金等。

2.4?等離子弧焊

等離子弧是電弧的一種特殊形式。當(dāng)自由電弧被壓縮后，即可形成等離子電弧。利用等離子電弧可以進(jìn)行焊接。從本質(zhì)上講，等離子電弧仍然屬于一種氣體放電的導(dǎo)電現(xiàn)象。按焊縫的成形原理，等離子弧焊有3種基本方法，即穿透型等離子弧焊，熔化透型等離子弧焊和微束等離子弧焊。

2.5?工頻電阻焊

電阻點(diǎn)焊是對(duì)金屬板材裝配成搭接接頭，利用電流流過(guò)電阻（工件）時(shí)產(chǎn)生熱量（Q=I²Rt）熔化母材金屬形成熔核最終形成焊縫的一種焊接方法。其工作步驟主要分四步：1、加壓;2、保持;3、通斷電流;4、泄壓。其原理圖如圖4所示：

3?汽車(chē)先進(jìn)焊接技術(shù)

伴隨著汽車(chē)材料技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料運(yùn)用到汽車(chē)生產(chǎn)中，新的先進(jìn)焊接技術(shù)也運(yùn)運(yùn)而生。目前運(yùn)用到汽車(chē)車(chē)身焊接的先進(jìn)焊接技術(shù)有摩擦攪拌焊、釬焊、磁脈沖焊（ MPW） 等。相對(duì)而言，激光焊熱源控制精準(zhǔn)、熱量集中、應(yīng)力應(yīng)變較小，更加適用于鋼、鋁異種材料的焊接。傳統(tǒng)的工頻電阻焊技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，改成中頻電阻焊。

3.1?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，?通過(guò)高能量密度熔化金屬，焊接效率高，且熱影響區(qū)小、焊接變形小，被廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)生產(chǎn)制造中^[8]。

激光拼焊能夠?qū)⒉煌瑥?qiáng)度等級(jí)、不同厚度、不同鍍層的材料拼焊在一起，可以優(yōu)化選材，提高材料的綜合力學(xué)性能。整體沖壓成形，可減少零件及模具，提高零件整體剛度，保證材料的安全性能，是汽車(chē)輕量化的主要技術(shù)之一，在汽車(chē)覆蓋件中得到廣泛應(yīng)用。

3.2?冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)

冷金屬過(guò)渡焊接（CMT）技術(shù)是在短路過(guò)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，通過(guò)冷-熱”之間的交替變化大大降低了焊接熱量的產(chǎn)生低15%～30%的焊接熱輸入量。正確設(shè)置熔滴參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)更好的焊縫厚度過(guò)渡，提高焊接速度的同時(shí)可以保證熔滴過(guò)渡幾乎無(wú)飛濺。

3.3?攪拌摩擦焊及攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是由快速旋轉(zhuǎn)的鉆頭與鈑金件摩擦產(chǎn)生的熱量作為熱源熔化局部的被焊材料，在鉆頭的擠壓下被焊材料形成致密的固相焊縫。與其他形式的焊接技術(shù)比，F(xiàn)SW不需要消耗焊條、保護(hù)氣等材料，無(wú)飛濺、無(wú)煙塵、能有效避免氣孔及顯微裂紋，且因?yàn)樾枰臒嵩礋崃康?，不受異種材料物理化學(xué)性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的影響，在焊接鋁、鎂合金及鋼-鋁異種金屬時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)^[10-12]。

3.4?電極帶式電阻點(diǎn)焊

電極帶式電阻點(diǎn)焊不僅保護(hù)電極不受污染，還能有效調(diào)節(jié)異種金屬焊接時(shí)的電阻熱平衡，從而改善焊點(diǎn)質(zhì)量、節(jié)約能源，在輕量化車(chē)身焊接領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4?展望

由于起步晚，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)整體水平落后于歐美國(guó)家。但今后先進(jìn)的汽車(chē)材料和焊接技術(shù)可以讓車(chē)身減重從而讓汽車(chē)達(dá)到節(jié)能減排的要求。汽車(chē)材料的研究可以往輕金屬方向研究，焊接技術(shù)可以側(cè)重激光焊和摩擦攪拌焊的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車(chē)輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014， 5（1）： 1-16.

[2] 康明.北美汽車(chē)材料的研究及應(yīng)用動(dòng)態(tài)[J]，汽車(chē)工程.2003，04.

[3] 李鎮(zhèn)，石巖，劉佳等.鍍層對(duì)鋁/鋼異種金屬激光焊接質(zhì)量的影響[J]，激光雜志，2016年08期.

[4] 梁森，張術(shù)國(guó)，梁天錫等.大阻尼高比剛度復(fù)合材料儀表板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析[J].振動(dòng)與沖擊， 2017， 36（ 6）： 212-217.

[5] 徐峰祥，張鎖，武昆迎.基于光滑策略的復(fù)合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 46（9）：125 -130

[6] Goede M， Stehlin M， Rafflenbeul L， et al. Super light car-lightweight construction thanks to a multi-material design and function integra?-tion [J]. European Transport Research Review， 2009， 1（1）： 5-10.

[7] Tanaka T， Hirata T， Shinomiya N， et al. Analysis of material flow in the sheet forming of friction-stir welds on alloys of mild steel and aluminum [J]. Journal of Materials Processing Technology，?2015，?226：115-124.

[8] 姚燕生，王園園，李修宇.激光復(fù)合焊接技術(shù)綜述[J].熱加工工藝， 2014， 43（9）： 16-20.

[9] 李報(bào)，陳思杰，趙丕峰.汽車(chē)輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱加工工藝2018， 47（3）： 13-17

[10] Dawes C J.An introduction to friction stir welding and its develop?-ment [J].Archives of Biochemistry & Biophysics，1995， 63（1）：?279-285.

[11] 陽(yáng)代軍，許青，呂華英，等.7085-T7452高強(qiáng)鍛造鋁合金攪拌摩擦焊組織及性能分析[J].熱加工工藝， 2017，46 （1）： 226-229.

[12] 宋曉村，朱政強(qiáng)，陳燕飛.攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及前景展望[J]. 熱加工工藝， 2013，42（13）： 5-7.