攪拌摩擦點焊技術在汽車行業(yè)的應用

高輝

Abstract： With the lightweight development of products in the automotive industry， light alloys such as magnesium and aluminum are widely used， and their welding technology is also concerned by more and more industrial manufacturers. Friction stir spot welding technology is a new solid-state spot welding technology suitable for the connection of light metal alloys derived from friction stir welding technology. It can replace fusion welding， laser welding， resistance spot welding and other welding methods， and become a new friction stir welding method. This paper will briefly describe the background， basic principle and application of friction stir spot welding in automobile industry.

關鍵詞：汽車輕量化;能源;環(huán)境;攪拌摩擦點焊

Key words： automobile lightweight;energy;environment;friction stir spot welding

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0143-03

0 ?引言

汽車產業(yè)是全球各國經濟的支柱性產業(yè)，任何一次的技術進步都會伴隨著巨大的經濟以及社會效益。隨著汽車保有量的不斷增加，在促進了世界經濟不斷發(fā)展的同時，無疑也對日趨減少的能源和日益惡化的環(huán)境造成了更大的壓力。

目前，隨著全球資源與環(huán)境保護問題日趨嚴峻，人們對環(huán)境的保護意識逐漸增強，世界范圍內的國家都制訂了較為嚴厲的法律規(guī)范，并采取了相應體系的技術改進措施，旨在于降低燃油消耗率的同時降低尾氣排放，以達到緩解能源緊張現(xiàn)狀的同時改善環(huán)境的目的。其途徑主要有：大力發(fā)展新能源汽車;大力發(fā)展先進的發(fā)動機技術;大力發(fā)展汽車輕量化技術。新能源汽車以及新型發(fā)動機技術的研究從未間斷，關于汽車輕量化技術，相關的技術研究數(shù)據(jù)結果顯示，汽車整車質量每降低10%，燃油消耗率降低5.5%，燃油經濟性隨之提高。因此，汽車輕量化技術的發(fā)展與運用，是實現(xiàn)有效節(jié)能減排的重要手段之一，目前也已充分地引起國內外研究人員的關注。

目前，在車體制造中的材料中引入輕質合金是實現(xiàn)汽車輕量化的有效方式之一，常用的輕質合金主要包括高強度鋼以及鋁/鎂/鈦合金等，以輕質合金材料代替鋼材料已成為當代轎車的主要制造原料。同時，鋁-鋼結構件在汽車工業(yè)生產中應用越來越廣泛，如何解決鋁合金材料以及鋁-鋼異種材料間安全可靠的連接問題，是其安全使用技術的關鍵。

傳統(tǒng)的汽車用鋁合金材質的連接方式主要有電阻點焊、鉚接和激光焊等。目前，在汽車生產線上，常采用電阻點焊的方法進行連接，電阻點焊操作靈活性好、可靠性強且生產效率高，其焊接接頭常見形貌如圖1所示。缺點是焊接過程需提供大電流，易出現(xiàn)如圖2所示的工件表面熱變形嚴重等焊接異?，F(xiàn)象，同時，耗能大，電極壽命短，工作環(huán)境差，點焊過程有飛濺，焊接接頭質量不穩(wěn)，焊接接頭易出現(xiàn)軟化嚴重、強度系數(shù)低等問題，在金屬的表面，可能會出現(xiàn)難熔的氧化膜而在焊縫連接處出現(xiàn)裂紋、夾渣氣孔、未熔合等缺陷。

因此，為保證車體強度以及制造安全，如何對鋁合金材質進行更有效的連接，成為一項關鍵技術。研究和開發(fā)新型鋁合金材料連接技術來代替電阻點焊技術，對于提高運載能力并促進鋁合金在汽車輕量化中的應用，意義重大。攪拌摩擦焊以及攪拌摩擦點焊技術應運而生。

1 ?攪拌摩擦點焊原理

攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是在“線性”攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）基礎上開發(fā)的新型固相焊接技術。其焊接原理類似于攪拌摩擦焊技術，在軸向力的作用下，高速旋轉的攪拌頭壓入被連接件內部，此時，攪拌針及軸肩與被焊接工件產生直接接觸，并產生摩擦作用，由于摩擦生熱，被焊工件的金屬材料被軟化達到熱塑性狀態(tài)，之后，在攪拌頭保壓回抽作用下形成焊點。

對比于熔焊、電阻點焊等傳統(tǒng)的連接技術，攪拌摩擦點焊技術主要存在著下列優(yōu)點：

①焊接接頭質量顯著提高。攪拌摩擦點焊的焊接接頭具有優(yōu)異的機械性能，并且在焊接過程溫度較低，使得焊接變形及殘余應力水平都有較大幅度的降低。

②耗能少，成本低。有研究顯示，單點點焊費用比電阻點焊節(jié)省近80%，較鉚接節(jié)省95%。

③操作過程簡單，焊點質量高。焊前不需清理，焊接過程操作簡單，焊接后得到的點焊接頭機械性能良好。

④焊接工具使用壽命長。理論上攪拌頭可以經歷10萬次點連接而無耗損。

⑤工藝過程污染較小。產生的電磁輻射少，并且不易產生灰塵、煙霧、噪聲污染。

攪拌摩擦點焊常見以下幾種類型：

1.1 直插式

較為傳統(tǒng)的攪拌摩擦點焊技術，目前在實際應用中最廣泛，在焊接完成后會在焊點位置留下一個匙孔，因此又稱為帶有退出孔的攪拌摩擦點焊技術。其具體的焊接過程可分為以下3個階段，如圖3所示。通過攪拌頭的壓入、連接與回撤過程，完成焊接過程。但是，會在焊點中心留下“匙孔”。

該種焊接工藝最主要的問題就是焊接點接頭處留下的“匙孔”破壞了接頭的完整，因而會大大降低接頭的強度和抗腐蝕性能，在受力時會在“匙孔”處產生應力集中。

1.2 回填式

采用的是一種特殊形式的攪拌頭，如圖4所示，該攪拌頭中攪拌針和軸肩相互分離，可以進行相對運動，通過準確控制兩者的相對運動速度與時間，使攪拌針（軸肩）扎入工件后，在軸肩（攪拌針）回撤的同時形成填充工件表面的“匙孔”，形成如圖5所示，焊點平整，焊點位置沒有匙孔。

回填式攪拌摩擦點焊的效率高，工藝過程簡單，其焊縫外觀類似于鋁合金構件連接中目前常采用的電阻點焊，因而應用價值和研究意義重大。

1.3 無針插入式

無針插入式攪拌摩擦點焊技術是一種只依靠具有渦旋凹槽形狀底部的軸肩作為攪拌頭進行點焊工作的新型點焊技術。但成形原理與傳統(tǒng)的攪拌摩擦點焊技術工藝有所不同，不會產生“匙孔”。

2 ?在汽車行業(yè)的應用

攪拌摩擦點焊（FSSW）技術解決了鋁的氧化膜會在焊縫處形成夾渣的問題。在攪拌摩擦點焊過程中，通過界面變形，去除覆蓋在鋁合金表面的氧化膜，在焊接工具的攪動作用下，鋁合金達到熱塑性狀態(tài)，因此可以使得兩種材料很容易地結合在一起，可以獲得良好性能的焊接接頭，形成的焊縫外觀與目前在汽車車體連接中常用的電阻點焊類似，由于其焊接工藝的便捷性和接頭力學性能的優(yōu)異性，以及在提高疲勞性能，延長使用壽命、節(jié)能綠色環(huán)保等方面所具有的突出優(yōu)勢，有望在汽車車體組裝上完全替代電阻點焊而成為最重要的連接方法。如圖6即為攪拌摩擦點焊技術在汽車上的應用。

事實上，F(xiàn)SSW最初的產生是便以部分替代電阻點焊用于汽車鋁合金結構的焊接為目的的。

2003年，Mazda公司首次用攪拌摩擦點焊技術取代電阻點焊技術制造Mazda-RX8運動型轎車，在發(fā)動機罩和后門的生產中采用該技術，使其電能節(jié)約99%，設備成本節(jié)約了40%。

2004年，Mazda公司與川崎公司合作設計研究的新型固定式攪拌摩擦點焊設備和機器人結合的攪拌摩擦點焊槍機構，替代了汽車生產線上傳統(tǒng)的電阻點焊機器人設備。

2005年，Mazda公司實現(xiàn)了將攪拌摩擦點焊技術應用于Mazda-MX-5的箱蓋和螺釘固定套的連接技術中。

2005年，美國Oak Ridge國家實驗室和福特汽車公司等開展了將攪拌摩擦點焊技術應用于薄板焊接的可行性研究。

攪拌摩擦點焊技術依然是汽車工業(yè)領域具有國際先進水平的新型連接技術，該項技術的工業(yè)化應用也處于不斷的發(fā)展過程中。

目前，尚只有Mazda公司公開報道了所開發(fā)的攪拌摩擦點焊技術在個別汽車構件中的應用，其他公司對于此技術在車體等構件中的研究少見公開報道。

目前，北京賽福斯特技術有限公司針對汽車領域結構件的攪拌摩擦點焊研究與實驗，已經獲得了一定的收獲。

3 ?結束語

我國關于攪拌摩擦點焊技術在汽車、航空以及軌道交通上應用的研究才處于起步階段，距離工程化的應用還有很多亟待研究的基本問題，諸如焊接接頭的成型原理、焊點內部塑性材料的流動形式與缺陷形成形式的關系、焊接過程中溫度場對于焊接應力及變形的影響等原理性問題還需要深入研究。

目前，國內開始著手進行鋁合金攪拌摩擦點焊技術的研究應用，不但可以規(guī)避國外在鋁合金結構連接方式開發(fā)過程中遇到的困難和限制，并且可以使該連接方式的技術水準直接達到或接近國際先進水平，對鋁合金材質在我國汽車制造領域的輕量化發(fā)展起助推作用。這對于提升我國裝備制造技術水平、縮短同國外差距、增強裝備制造產品的可靠性以及整體技術水平具有重大的意義。

相信在不遠的將來，攪拌摩擦點焊技術將被更廣泛地應用于車輛制造領域，并成為汽車輕量化制造的主導技術。

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