鋁合金汽車輕量化及其焊接技術(shù)

姜立巖 韓洪濤

摘要：目前，汽車輕量化已成為汽車制造的主要研究方向。鋁合金特性密度小、耐腐蝕，使得鋁合金在汽車輕量化研究中得到了應(yīng)用。鋁合金汽車制造時(shí)，不同焊接技術(shù)對(duì)于汽車的穩(wěn)定性也有所影響。在鋁合金材料選擇時(shí)，不同的鋁合金材料對(duì)于提高汽車安全性，降低減排，減輕重量等都有不同的體現(xiàn)。

Abstract： At present， automobile lightweight has become the main research direction of automobile manufacturing. Due to its low density and corrosion resistance， aluminum alloy has been widely used in automotive lightweight research. When manufacturing aluminum alloy automobile， different welding technologies also have an impact on the stability of automobile. In the selection of aluminum alloy materials， different aluminum alloy materials have different embodiment for improving vehicle safety， reducing emissions， reducing weight， etc.

關(guān)鍵詞：鋁合金;汽車輕量化;焊接技術(shù)

Key words： aluminum alloy;automobile lightweight;welding technology

中圖分類號(hào)：O242.21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0111-02

0 ?引言

汽車輕量化的研究對(duì)于材料提出了更高要求，而隨著更多高性能，優(yōu)質(zhì)化的材料研發(fā)，也加快了汽車輕量化發(fā)展。目前鋁合金的輕量化發(fā)展主要可以分類為大型整體化、復(fù)雜精密化與高強(qiáng)高韌化。鋁合金輕量化的特點(diǎn)可以更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境發(fā)展與能源需求，同時(shí)也成為汽車輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。目前汽車輕量化在汽車零部件中，鋁合金材料被應(yīng)用在油管、發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器等。

1 ?汽車輕量化材料

近年來汽車行業(yè)的發(fā)展，也加大了各大汽車廠商的競(jìng)爭(zhēng)壓力。為提高汽車廠商核心競(jìng)爭(zhēng)力，汽車在研發(fā)時(shí)通過降低汽車質(zhì)量、節(jié)能減排等來形成宣傳賣點(diǎn)。同時(shí)也為滿足綠色環(huán)保的發(fā)展理念，各大汽車廠商在汽車研發(fā)時(shí)也將研究重心放在提高汽車燃油效率，減少尾氣排放問題中，通過汽車輕量化降低汽車重量。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所顯示，影響汽車油耗的問題，主要取決于汽車車身的整體重量，通過降低車身整體重量可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。汽車車身減輕1kg重量時(shí)，所節(jié)省的油耗可以使汽車在一升汽油內(nèi)多行使0.011km。若汽車行駛1萬km以上，則節(jié)省0.7升的汽油。通過節(jié)省油耗，減少尾氣排放來實(shí)現(xiàn)二氧化碳的污染。車身重量減少到50%左右，會(huì)減少二氧化碳排放量約13%。氮化物、硫化物等尾氣排放也相應(yīng)減少，這都是對(duì)保護(hù)環(huán)境起到極大作用的。通過減輕車身整體重量也可以有效地提高汽車的安全性能與駕駛性能。美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)所提出的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，當(dāng)車身重量減少25%左右時(shí)，汽車加速到96.56km/h需要時(shí)間為6s，對(duì)比原來時(shí)間縮短了4s。同時(shí)，汽車重量的降低還可以減輕動(dòng)力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的承載負(fù)荷，確保汽車在較低的牽引負(fù)荷狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)汽車更高性能，更高安全性。

隨著汽車數(shù)量的增加，汽車尾氣的排放對(duì)我國(guó)環(huán)境造成極大的污染。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，為減少汽車尾氣的排放，可以通過減輕汽車的重量來實(shí)現(xiàn)，汽車車身的重量占據(jù)汽車總重量的1/3左右，為減輕汽車總重量，可以通過減少汽車車身重量來實(shí)現(xiàn)。通過選擇較高性能、較輕質(zhì)的材料，在不影響汽車基本性能的基礎(chǔ)上來減輕車身重量。汽車在進(jìn)行輕量化材料選擇時(shí)，不僅僅要求材料可以為汽車提供穩(wěn)定性、舒適性、安全性，同時(shí)還要起到汽車車身輕量化，降低能源消耗與減少尾氣排放的目的。汽車輕量化材料選擇中主要包括高強(qiáng)度材料高強(qiáng)鋼與以鋁合金為主的輕質(zhì)復(fù)合材料。作為最常見的輕金屬之一，鋁在地殼中有廣泛的分布，具有大量的儲(chǔ)存量，約占地球重量的8.13%左右，鋁和鋁合金材料具有一系列優(yōu)良特性，因此被應(yīng)用研究與汽車輕量化材料。

對(duì)比高強(qiáng)度鋼，鋁合金可以最大程度減輕汽車的車身重量，有利于實(shí)現(xiàn)減少汽車尾氣排放。鋁合金材料的特殊性可以確保汽車具有較好的減震功能與散熱功能，鋁合金汽車車身的制造也可以降低生產(chǎn)成本，因此鋁合金材料在汽車輕量化研究中將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。鋁合金代替鑄鐵和鋼材零件的質(zhì)量對(duì)比如表1。

2 ?汽車輕量化技術(shù)

汽車實(shí)現(xiàn)輕量化制造主要有以下途徑：優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇輕量化材料與創(chuàng)新制造工藝。

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車輕量化技術(shù)可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，在滿足汽車功能性工藝需求前提下，通過對(duì)結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸的改變?cè)O(shè)計(jì)，優(yōu)化尺寸、優(yōu)化、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化等。

2.2 創(chuàng)新制造技術(shù)

汽車輕量化的制造技術(shù)主要包括液壓成型技術(shù)與激光焊接技術(shù)。于20世紀(jì)70年代，德國(guó)最先開始完成管材液壓成型技術(shù)，在20世紀(jì)90年代初將管材液壓成型技術(shù)應(yīng)用于汽車構(gòu)件中。在1994年，管材液壓技術(shù)得到了快速發(fā)展，區(qū)別于傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝，管材液壓技術(shù)可以降低零件制造所消耗的11%成本，降低14%的設(shè)備成本并減輕7.3%等零件重量。目前隨著管材液壓技術(shù)的發(fā)展，在汽車底盤裝配中，約有超過50%的配件被液壓成型產(chǎn)品。激光焊接技術(shù)是于20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，這項(xiàng)技術(shù)主要依靠能量密度的激光為熱源，完成精密的焊接工作。在汽車零件中，激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車零件，激光焊接，板材的激光焊接，車身激光焊接，因此，激光焊接技術(shù)也是汽車輕量化生產(chǎn)中的主要適用技術(shù)。

3 ?鋁合金汽車輕量化焊接技術(shù)

3.1 鋁合金激光焊接技術(shù)

鋁合金激光焊接技術(shù)可以在一定程度上降低汽車的重量，區(qū)別于傳統(tǒng)焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)形成的焊縫較小，速度快，熱應(yīng)變小，這都是該項(xiàng)技術(shù)在汽車輕量化中被應(yīng)用的原因。隨著激光焊接設(shè)備的不斷完善，也推動(dòng)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展。在完成二十到三十米的焊接任務(wù)時(shí)，鋁合金激光焊接技術(shù)已經(jīng)可以取代電阻焊與MAG。

將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁合金汽車輕量化研發(fā)中，具有焊接成本低、接頭質(zhì)量高、使用范圍廣等特點(diǎn)。激光焊接技術(shù)對(duì)于汽車制造施工環(huán)境要求較低，不需要施工環(huán)境處于真空或電極環(huán)境中，對(duì)于焊接前期的清理工作要求也無需過于嚴(yán)格，這都有助于降低汽車輕量化焊接成本，提高焊接效率。激光焊接技術(shù)的使用可以達(dá)到功率105-109W/cm2，并且因其能量密度較高，熱影響的區(qū)域范圍相對(duì)較小，焊接縫小，冷卻速度快等優(yōu)點(diǎn)，都是可以提高焊接接口質(zhì)量的。在使用激光焊接技術(shù)時(shí)，焊接物體不會(huì)被周圍電磁所影響，可以在無接觸的情況下完成焊接。特別是對(duì)于封閉物體可以通過不拆解進(jìn)行內(nèi)部焊接，并在機(jī)械手與計(jì)算機(jī)的精準(zhǔn)計(jì)算下實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工藝的精密控制，實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)的自動(dòng)化。

3.2 激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)

激光—電弧復(fù)合焊接技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)70年代末，該項(xiàng)焊接技術(shù)結(jié)合了電弧與激光焊接的優(yōu)點(diǎn)。焊接時(shí)，熔池在激光的作用下產(chǎn)生的等離子體可以起到穩(wěn)定電弧的作用，既可以降低焊接金屬表面所發(fā)生的激光束反射，同時(shí)也可以將電弧等離子體進(jìn)行光吸收，提升激光束的整體傳輸效率。

激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)具有焊接性能好、焊接效果穩(wěn)定、熱量利用率高等優(yōu)點(diǎn)。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)結(jié)合了激光與電弧焊接優(yōu)點(diǎn)，因此具備加熱范圍廣與高密度的技術(shù)特征，在焊接過程中，通過高密度與高熱量的熱輸入，可以有效減少焊接裂紋的出現(xiàn)。在焊接過程中若焊接速度過快，陽極斑點(diǎn)不穩(wěn)定很容易發(fā)生電弧漂移的問題，為解決該問題，將激光與電弧相結(jié)合，可以通過激光來確保電弧所形成的陽極斑點(diǎn)在良好的環(huán)境中提高焊接效率，即使在高速焊接情況下也可以保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以提高對(duì)熱量的利用率，電弧會(huì)吸收焊接區(qū)激光束所產(chǎn)生的等離子體，等離子體可以對(duì)激光能量進(jìn)行放射與吸收，同時(shí)電弧所產(chǎn)生的熔融鋁合金表面也會(huì)對(duì)激光能量進(jìn)行吸收。

3.3 攪拌摩擦焊接技術(shù)

攪拌摩擦焊接技術(shù)是將具有特殊性的攪拌頭與工件組合，在機(jī)器高速運(yùn)作時(shí)，攪拌頭與工件之間產(chǎn)生摩擦，利用摩擦產(chǎn)生的熱量來完成對(duì)金屬的熱塑，并且通過攪拌使前段受壓力到后端發(fā)生塑像流動(dòng)，完成整個(gè)焊接過程。

在使用攪拌摩擦焊接技術(shù)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過多的煙塵與飛濺物，焊接過程也不會(huì)出現(xiàn)紅外線，紫外線等有害光線。因攪拌焊接技術(shù)所產(chǎn)生的溫度較低，焊接后的應(yīng)力是遠(yuǎn)小于熔化焊的，即使在熱塑過程中也不會(huì)發(fā)生形變的問題，因此利用攪拌摩擦焊接技術(shù)，多器件不會(huì)發(fā)生變形。對(duì)比其他焊接技術(shù)攪拌摩擦焊接技術(shù)具有更廣的應(yīng)用范圍，同時(shí)攪拌摩擦焊接也不會(huì)受到種類部件的限制，可以通過多種接頭的選擇完成焊接。攪拌摩擦焊接技術(shù)不會(huì)消耗焊絲，如保護(hù)氣體，焊劑或焊條等其他材料，因此對(duì)比其他焊接技術(shù)，相對(duì)焊接成本較低。在利用傳統(tǒng)焊接技術(shù)焊接鋁合金時(shí)，需要將鋁合金表面氧化膜去掉，但是攪拌摩擦焊接技術(shù)僅需要去掉焊接表面物體的油污，提高了焊接的工作效率，降低了對(duì)能源的消耗，同時(shí)也不會(huì)造成過多的污染，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要焊接技術(shù)。

4 ?結(jié)語

在汽車輕量化研究中，輕量化材料的選擇是輕量化程度的主要影響因素。單一的輕量化材料無法滿足汽車輕量化發(fā)展需求，因此需要通過將多種輕量化材料進(jìn)行混合使用來滿足汽車制造要求。而多種材料的混合，對(duì)焊接技術(shù)提出了更高要求。因此，在企業(yè)的未來發(fā)展中，不僅要加強(qiáng)汽車輕量化材料的選擇，更要提高焊接技術(shù)，以此來促進(jìn)汽車輕量化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李報(bào)，陳思杰，趙丕峰.汽車輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2018（03）：13-17.

[2]曲家宇.汽車輕量化先進(jìn)焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].名城繪，2019（02）：0253.

[3]李家奇，楊鋼，陳俊宇，等.汽車輕量化鋁合金研究進(jìn)展[J].云南冶金，2020（05）：68-75.

[4]張玉超.汽車車身焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（04）：44.

[5]郭鑫.鋁合金板焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證淺析[J].汽車工藝師， 2018（10）：46-49.

[6]游偉.關(guān)于鋁合金車身焊接技術(shù)的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)， 2018（24）：66.

[7]劉達(dá)工，吳江峰.鋁合金弧焊工藝在輕量化車身上的應(yīng)用[J].汽車工藝師，2017（06）：12-13.

[8]陳宇豪，薛松柏，王博，等.汽車輕量化焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來[J].材料導(dǎo)報(bào)，2019（S02）：431-440.

[9]李駿，王雷，張堯.新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝的研究[J].機(jī)械制造，2019（09）：65-68.