鋁合金汽車輕量化與焊接技術(shù)探究

湯蓉蓉 唐學(xué)幫

摘要：汽車輕量化能夠有效降低汽車生產(chǎn)與維護(hù)中的能源消耗，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外汽車制造產(chǎn)業(yè)中，常常通過大量應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金材料來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)，與此對(duì)應(yīng)的鋁合金焊接技術(shù)上也應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展與革新，成為汽車輕量化發(fā)展的重要技術(shù)推動(dòng)力。因此，闡述汽車輕量化與鋁合金焊接技術(shù)的材料特性和應(yīng)用，探索相應(yīng)的先進(jìn)焊接技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化與鋁合金焊接技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化;焊接技術(shù);鋁合金

中圖分類號(hào)：TG445???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0105-03

Research on Aluminum Alloy Automobile Lightweight and Welding Technology

Tang Rongrong ，Tang Xuebang

（Guilin University of Aerospace Technology， Guilin， Guangxi 541000， China）

Abstract： Automobile lightweight can effectively reduce the energy consumption in automobile production and maintenance. The main means is to apply high strength aluminum alloy and achieve technical innovation and breakthrough in its welding process. In the automobile manufacturing industry， a large number of high-strength aluminum alloy materials are often used to realize automobile lightweight design. The corresponding aluminum alloy welding technology should also be further developed and innovated， and become an important technical driving force for the development of automobile lightweight. Therefore， the material characteristics and application of automobile lightweight and aluminum alloy welding technology were described， and the corresponding advanced welding technology was explored， which is an effective way to realize the coordinated development of automobile lightweight and aluminum alloy welding technology.

Key words： lightweight car; welding technology; aluminium alloy

0 引言

汽車輕量化有利于減少整車重量，提高燃油效率與有害氣體排放量，在當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)節(jié)能降耗、減少石油燃料依賴度有很大貢獻(xiàn)。除此之外，我國(guó)正在推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展與普及，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)自重量比燃油及發(fā)動(dòng)機(jī)更大，整車質(zhì)量更高，因此汽車輕量化的需求也進(jìn)一步迫切。汽車輕量化的基本思路是提高整車強(qiáng)度、性能的同時(shí)對(duì)汽車進(jìn)行整體減重，以充分利用燃料使用效率的同時(shí)減少有害氣體排放量，根據(jù)比較顯示，鋁合金結(jié)構(gòu)的車身設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)整重節(jié)約30%～40%，發(fā)動(dòng)機(jī)重量減少30%左右，汽車輪轂減少50%左右，經(jīng)濟(jì)效益不彰自顯，這就要求廣泛采用自重更輕的鋁合金材料、零部件，進(jìn)一步降低整車重量與能源消耗、提升鋁合金材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的實(shí)際貢獻(xiàn)，將鋁合金材料對(duì)汽車節(jié)能減排、提高性能方面的輕量化貢獻(xiàn)凸顯出來。同時(shí)，應(yīng)用新材料就必須有與之適應(yīng)的焊接技術(shù)，因此對(duì)開發(fā)高性能鋁合金及其焊接工藝的要求也有著進(jìn)一步的改善需求，例如有效改善傳統(tǒng)鋼材焊接技術(shù)的氣孔、飛濺、裂痕等工藝現(xiàn)象，朝著進(jìn)一步減少焊點(diǎn)數(shù)量、進(jìn)一步縮短加工工序及材料消耗、進(jìn)一步提高生產(chǎn)裝配效率的方向發(fā)展鋁合金焊接技術(shù)，才能加速推進(jìn)汽車輕量化的整體市場(chǎng)需求，進(jìn)而推動(dòng)汽車輕量化的可持續(xù)發(fā)展。

1 鋁合金輕量化材料及其焊接特性

1.1 鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金作為輕量化材料主要有三大特點(diǎn)，其一是耐腐蝕性上佳，材料中鋁分子表面在原電池環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生一層隔絕氧化作用的氧化膜，應(yīng)用在汽車車體中接縫、彈性縫等防腐材料涂抹效果不佳的零部件位置，能有效延長(zhǎng)汽車的使用壽命;其二是成本低廉，鋁合金原材料成本低，可回收利用而且再生料工藝成熟，能夠有效降低能源浪費(fèi)現(xiàn)象，容易加工的特性也使得鋁合金生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低[1];第三是易于加工制作，當(dāng)前汽車輕量化材料應(yīng)用鋁合金的鋁擠壓技術(shù)已經(jīng)全面且成熟，經(jīng)濟(jì)性能比較凸顯。

1.2 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用

由于鋁合金質(zhì)量較輕，因此在汽車輕量化設(shè)計(jì)中最常見用于車身輕量化設(shè)計(jì)，例如奧迪 A8車身采用全鋁鈑金制作，整車重量比鋼合金減少約40%，提高車身抗碰撞性的同時(shí)也有效降低了能耗[2]。汽車底盤在整車重量中占有很大比重，因此在汽車底盤中局部應(yīng)用鋁合金材料實(shí)現(xiàn)輕量化也是一種務(wù)實(shí)思路，包括底盤懸掛系統(tǒng)、鋁合金動(dòng)盤等關(guān)鍵部位的用材能夠延長(zhǎng)底盤使用壽命，提高整車性價(jià)比是很高的。目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中許多部件也應(yīng)用鋁合金更優(yōu)良的導(dǎo)熱性和力學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如鋁合金活塞的應(yīng)用，通過提升活塞使用效率來提高汽車的輕量化水平。此外為了有效減輕整車重量，鋁合金也應(yīng)用于制造車輪減震、抗腐蝕、高耐久的汽車輪轂。1.3 鋁合金焊接特性

常用焊接結(jié)構(gòu)鋁合金成分與性能如表1所示。鋁合金焊特性要適應(yīng)鋁合金的材料材質(zhì)，其焊接特性是與傳統(tǒng)焊接技術(shù)熔化極惰性氣體保護(hù)焊（ MIG ）和熔化極活性氣體保護(hù)焊（ MAG ）相比較而彰顯的[3]。傳統(tǒng)焊接技術(shù)通過在熔化極采用不同的的保護(hù)氣體，例如氬氣、氦氣或惰性氣體為主的混合氣體，在惰性氣體電弧條件下完成作業(yè)，一般采用短路過渡、大滴過渡、射流過渡等作業(yè)原理進(jìn)行焊接作業(yè)，比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，適用于大熔深母材與連續(xù)等速送進(jìn)焊接作業(yè)，在碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的焊接上廣泛應(yīng)用，但隨著密度、厚度、質(zhì)量更低的鋁合金廣泛應(yīng)用，對(duì)焊接缺陷、焊縫質(zhì)量、作業(yè)成本的要求更高，諸如激光焊接、冷金屬過渡焊接、攪拌摩擦焊接、電極帶式電阻點(diǎn)焊接等更適合鋁合金焊接的技術(shù)應(yīng)用也逐漸廣泛起來。當(dāng)前鋁合金輕質(zhì)材料的應(yīng)用范圍僅次于鋼材，而且在氧化性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、線膨脹系數(shù)等方面都比傳統(tǒng)鋼材要求更高，具有熱變形大、尺寸精度高、氣孔率低、理化性質(zhì)燒損率低等新工藝要求。

2 鋁合金汽車輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)

2.1 激光焊接技術(shù)

鋁合金激光焊接技術(shù)使用高能量、高密度激光束為熱源，進(jìn)行焊接作業(yè)，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于變速箱齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)連接件、鈑金拼接、車身框架制造等汽車工業(yè)。與傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊接法相比，此技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、焊縫變形率低、熱影響區(qū)小、接頭質(zhì)量精密等優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用對(duì)比表明，激光焊接技術(shù)由于焊接設(shè)備無需與母材直接接觸，因此在固定單位長(zhǎng)度上的熱輸入與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比更低，表面溫差更小，產(chǎn)生的焊接變形與殘余應(yīng)力更適合厚度更低、強(qiáng)度更高的鋁合金車身薄板;而在高復(fù)合性的鋼材、砂筑鎂合金焊接效果來看，激光焊接所產(chǎn)生的熔池深而窄，不利于焊縫內(nèi)氣體逸出，更容易產(chǎn)生氣孔問題等焊接缺陷，因此在鋁合金焊接方面應(yīng)用激光焊接技術(shù)更加具有效率，但也要研究如何進(jìn)一步降低激光焊接過程中產(chǎn)生的等離子體云，減少激光的吸收與反射導(dǎo)致影響能量轉(zhuǎn)換效率等問題。

2.2 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代末期，其焊接原理融合了電弧以及激光兩種焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[4]。與激光焊接技術(shù)相比，復(fù)合焊技術(shù)引入了電弧焊相結(jié)合的焊接工藝，利用電弧焊間隙適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)改善焊縫成型質(zhì)量，提高激光焊接速度，激光焊接過程中熔池上方產(chǎn)生的等離子體云對(duì) MIG 焊槍形成的電弧具有穩(wěn)定作用，通過光學(xué)吸收現(xiàn)象吸收電弧等離子體，能夠有效降低金屬表面的激光束吸收、反射現(xiàn)象，提高激光束的整體傳輸效率。當(dāng)前我國(guó)汽車生產(chǎn)制造中多少情況下以激光-電弧焊復(fù)合焊接技術(shù)替代了單一的激光焊接技術(shù)，例如在德國(guó)大眾輝騰鋁合金車門焊接、奧迪 A6 車框焊接等具體工藝方面，都采用了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行焊縫作業(yè)，與單一激光焊接技術(shù)相比，復(fù)合焊接技術(shù)下，在相同熔深下的焊縫成形焊縫更窄，焊縫表面更加平整，而且更能夠適合不同異種金屬的焊接適應(yīng)性，是比較適應(yīng)汽車輕量化的先進(jìn)焊接技術(shù)[5]。

2.3 冷金屬過渡焊接技術(shù)（CMT）

冷金屬過渡焊接技術(shù)的基礎(chǔ)原理是短路過渡焊接技術(shù)，但是冷金屬過渡焊接技術(shù)利用熔滴與熔池接觸短路作業(yè)時(shí)，能夠在瞬時(shí)內(nèi)將焊接電流降至極低，焊接熱輸入量能夠有效減少約23%左右。除此之外，冷金屬過渡焊接技術(shù)以極高的機(jī)械轉(zhuǎn)換頻率促使焊絲高速完成送絲-回抽作業(yè)，當(dāng)頻率高達(dá)100 Hz 時(shí)，而焊接電流無限接近于0，相對(duì)傳統(tǒng)的熔化極惰性氣體保護(hù)焊、熔化極活性氣體保護(hù)焊而言，此時(shí)熔滴過渡進(jìn)熔池飛濺現(xiàn)象降至最低。除此之外，冷金屬過渡焊接技術(shù)還可通過焊絲在正極之間的移動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)質(zhì)量，焊絲越是靠近正極，作用于母材上的電弧熱量越高，能起到增加熔深、清理母材表面的氧化膜的作用，焊絲越是靠近負(fù)極，作用于焊絲上的電弧熱量越高，能起到增加熔化量、提高工件連接能力的效果，可見冷金屬過渡焊接技術(shù)通過調(diào)節(jié)正負(fù)半波能夠精確控制鋁合金焊接質(zhì)量，能夠有效適應(yīng)各類工件需求。

2.4 攪拌摩擦焊接技術(shù)（GHI）

攪拌摩擦焊屬于固相焊技術(shù)，是一種有突破性的新型焊接技術(shù)，其工作原理是利用高速轉(zhuǎn)速攪拌頭與工件激烈摩擦，以摩擦熱作為焊接熱源在進(jìn)入熱塑性的母材上完成焊接工藝。攪拌摩擦焊接技術(shù)施焊時(shí)對(duì)工件的剛性固定要求很高，與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比沒有焊絲、焊劑、保護(hù)氣的材料消耗，也沒有熔滴產(chǎn)生，有效避免了熔池飛濺、氣化煙塵、熔池氣孔結(jié)構(gòu)、工件裂紋等現(xiàn)象。除此之外，攪拌摩擦焊接技術(shù)的熱輸入較低，化學(xué)性影響小，對(duì)鋁合金材料的理化性質(zhì)及金相組織結(jié)構(gòu)的改變很少，介金屬形成量很小，因此攪拌摩擦焊接技術(shù)能夠適應(yīng)絕大多數(shù)在新型鋁合金材料在汽車各部分組件上的焊接作業(yè)，可廣泛應(yīng)用于車身框架、汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤懸掛系統(tǒng)、車身鈑金等零部件焊接作業(yè)[6]。

2.5 電極帶式電阻點(diǎn)焊接技術(shù)（FSW）

電阻點(diǎn)焊技術(shù)的基本原理是以工件之間接通電流產(chǎn)生的電阻焦耳熱應(yīng)為熱源，使工件進(jìn)入熱塑性狀態(tài)相互聯(lián)接，具備易于自動(dòng)化、焊接效率高、節(jié)省成本等經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前的汽車生產(chǎn)制造中應(yīng)用是主要的車身焊接方法。以小型家用汽車為例，車身材料多數(shù)由高強(qiáng)度的鋼合金及鋁合金構(gòu)成，焊點(diǎn)一般在4 500個(gè)左右，其中鋼鋁復(fù)合接頭所占比重非常大，所以電極帶式電阻點(diǎn)焊接技術(shù)以其較高的焊接效率得到了廣泛應(yīng)用[7] 。主要注意的是，鋼、鋁合金之間的電阻值不同，鋁合金所需的焊接能量要大于鋼合金且鋁合金的熔點(diǎn)更低，電極容易吸附熔化的鋁合金導(dǎo)致電阻熱產(chǎn)生變化，因此電極需要隨時(shí)更換、清理，如何保證電極帶式電阻點(diǎn)焊接連續(xù)性是該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的客觀趨勢(shì)[8] 。

3 提升鋁合金汽車輕量化與焊接技術(shù)的發(fā)展途徑

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化技術(shù)的基礎(chǔ)條件，近年來鋁合金以其優(yōu)異的性能、低廉的成本，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面能夠更好地滿足汽車的功能性與舒適性，工藝也大為成熟，汽車設(shè)計(jì)專家可通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)工件形狀進(jìn)行改良、發(fā)展，在車身設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用鋁合金材料，減少耗能高的鋼材合金的應(yīng)用[9]。例如美、德、日等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均大量應(yīng)用了鋁合金，其中日本本田公司車身設(shè)計(jì)中鋁合金的用量最高，達(dá)到80%左右，德國(guó)大眾系列汽車車身設(shè)計(jì)約在60%左右，而且大量鋁合金結(jié)構(gòu)能有效提高焊接效率，進(jìn)一步降低鋼、鋁合金之間熔點(diǎn)、電阻不同的焊接問題。3.2 選擇輕量化材料

我國(guó)鋁資源及加工業(yè)排名世界前列，汽車工業(yè)中除了家用轎車以外，罐車、貨車也常常大量應(yīng)用鋁合金結(jié)構(gòu)，不但推進(jìn)了汽車輕量化進(jìn)程，而且節(jié)能環(huán)保。當(dāng)前鋁合金分類以其性能不同大量應(yīng)用于汽車工業(yè)，例如鑄鋁多用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸蓋、連桿、曲軸等汽車零部件的制造，變形鋁合金多用于焊接結(jié)構(gòu)，冷加工強(qiáng)化鋁合金不但強(qiáng)度較高，而且適用于冷金屬過度焊接技術(shù)，熱處理強(qiáng)化鋁合金的屈服極限與合金鋼接近，適用于制造車身鈑金，其通用結(jié)構(gòu)均可作為型材組合焊接，能在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下有效減少車身重量，一般可達(dá)合金鋼材料重量的2/3左右[10]。

3.3 創(chuàng)新制造技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)汽車制造業(yè)應(yīng)用鋁合金材料，相應(yīng)的焊接技術(shù)主要為激光焊接技術(shù)，近年來一些高端車型也應(yīng)用了攪拌摩擦焊接技術(shù)、電極帶式電阻點(diǎn)焊接技術(shù)等國(guó)際新型技術(shù)，目前尚在進(jìn)一步發(fā)展之中，但保障我國(guó)汽車工業(yè)中應(yīng)用鋁合金汽車輕量化事業(yè)不能單靠沖壓焊接技術(shù)，液壓成型技術(shù)也齊頭并進(jìn)[11]。當(dāng)前應(yīng)用于汽車構(gòu)件的生產(chǎn)當(dāng)中，管材液壓成型技術(shù)引入我國(guó)汽車工業(yè)并快速發(fā)展也已有30年左右的歷史，與傳統(tǒng)的沖壓焊接技術(shù)相比，管材液壓技術(shù)可以更進(jìn)一步降低零件制造的成本，尤其是汽車底盤零配件的生產(chǎn)制造，其材料成本比焊接技術(shù)低10%左右，設(shè)備成本低15%左右，而且也在不斷發(fā)展之中，可視為焊接技術(shù)的必要補(bǔ)充與創(chuàng)新動(dòng)力[12]。

4 結(jié)束語

根據(jù)國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)以及本文分析研究表明，鋁合金材料在汽車輕量化中的應(yīng)用是一條有效降低車身重量、提高車身性能的重要途徑，而與之同步發(fā)展的焊接技術(shù)是優(yōu)化汽車構(gòu)造質(zhì)量的最有效措施。根據(jù)不同的鋁合金材料及焊接材料選擇合適的焊接技術(shù)對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義，應(yīng)通過先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇輕量化鋁合金材料及發(fā)展創(chuàng)新工件成型技術(shù)以推動(dòng)鋁合金材料的應(yīng)用及焊接技術(shù)的革新，為我國(guó)低碳時(shí)代的汽車輕量化發(fā)展提供助推力。

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作者簡(jiǎn)介：湯蓉蓉（1995-），女，廣西桂林人，碩士研究生，助教，研究領(lǐng)域?yàn)槠嚑I(yíng)銷與交通規(guī)劃。

唐學(xué)幫（1972-），男，廣西鐘山人，教授，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榭蛙嚰夹g(shù)與工藝。

（編輯：刁少華）