汽車制造中的鋁合金焊接技術(shù)研究

宋娟

摘要： 輕量化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要方向，而鋁合金作為重量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱屬性優(yōu)秀的合金材料，是推進(jìn)汽車輕量化生產(chǎn)的基礎(chǔ)核心。因此在汽車制造行業(yè)中，鋁合金車身焊接技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于汽車行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。本文即在此背景下展開研究，通過分析當(dāng)前汽車車身鋁合金焊接中存在的問題，進(jìn)而深入探析汽車制造中的三種常見鋁合金焊接技術(shù)工藝。

Abstract： Lightweight is an important direction of modern automobile development， and aluminum alloy， as an alloy material with light weight， high specific strength and excellent thermal conductivity， is the basic core to promote automobile lightweight production. Therefore， in the automotive manufacturing industry， the application of aluminum alloy body welding technology has a significant impact on the development of the automotive industry. Under this background， this paper carries out research， analyzes the problems existing in the current aluminum alloy welding of automobile body， and then probes into three common aluminum alloy welding technologies in automobile manufacturing.

關(guān)鍵詞： 汽車制造;鋁合金;焊接技術(shù)

Key words： automobile manufacturing;aluminium alloy;welding technique

中圖分類號(hào)：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0094-03

0 ?引言

鋁合金具有典型的優(yōu)質(zhì)材料屬性，不僅密度低、重量輕，而且具有更高的比強(qiáng)度與可塑性，這就使得鋁合金逐步成為航空航天、軌道交通、建筑工業(yè)、石油工業(yè)等諸多制造業(yè)中的重要金屬材料。而隨著我國汽車制造行業(yè)的發(fā)展，無論是安全性能還是低碳環(huán)保特性，鋁合金都成為重要可靠的構(gòu)件材料，對(duì)于提升汽車整體強(qiáng)度有著重要的實(shí)用價(jià)值。因此，鋁合金焊接技術(shù)在汽車制造行業(yè)中成為基礎(chǔ)工藝之一，本文即以此為研究對(duì)象介入研討，分析汽車鋁合金車身的焊接工藝與方法。

1 ?汽車車身鋁合金焊接中存在的問題

隨著汽車行業(yè)對(duì)能源與環(huán)保問題的影響愈發(fā)嚴(yán)重，汽車輕量化成為汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，輕量化生產(chǎn)不僅可以節(jié)約能源與降低排放，而且還能改善汽車性能，提高汽車服務(wù)質(zhì)量。鋁合金作為汽車輕量化生產(chǎn)的核心材料，表現(xiàn)出多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，其焊接技術(shù)存在著以下問題：

①在汽車車身的焊接過程中，由于鋁合金自身材料的性質(zhì)因素影響，焊接接頭處更容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，而這是降低車身強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，嚴(yán)重影響了焊接結(jié)構(gòu)的基本承載能力，進(jìn)而造成不安全因素，甚至無法達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

②鋁合金材料表面容易生成一層難以熔化的氧化膜，因此在鋁合金車身焊接時(shí)，會(huì)由于氧化膜的阻礙因素難以將母材熔化與熔合。與此同時(shí)，氧化膜還有更高的比重，在焊接過程中難以浮出表面，這也導(dǎo)致更容易生成夾渣，或者出現(xiàn)未熔合、未焊透等現(xiàn)象，對(duì)于焊接設(shè)備的功率要求也更高。

③在焊接過程中，鋁合金材質(zhì)也更容易出現(xiàn)氣孔，從而降低了焊接質(zhì)量。尤其對(duì)于鎂鋁合金來說，接頭處的氣孔會(huì)造成較大的焊接缺陷。

④對(duì)于汽車車身而言，鋁合金材質(zhì)在焊接過程中還會(huì)更容易出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際焊接的過程中，由于鋁合金的類型、性質(zhì)以及使用的焊接工藝影響，車身焊接接頭處容易出現(xiàn)不同類型的裂紋，而由于裂紋形狀、分布特征具有更高的復(fù)雜性，無法實(shí)施有效的補(bǔ)救措施。

⑤一般汽車車身多使用的鋁合金具有更高的熱膨脹系數(shù)，因此在焊接過程中也更容易發(fā)生變形情況，其主要在于焊接過程中，接頭部位容易出現(xiàn)不均勻的加熱現(xiàn)象，而焊接縫隙溫度過高，冷卻過程中就會(huì)產(chǎn)生不同的收縮力與內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的變形問題。

2 ?汽車制造中的鋁合金焊接技術(shù)

基于上述對(duì)鋁合金車身焊接情況的問題探討，本文提出三種可靠有效的焊接技術(shù)工藝。

2.1 鋁合金激光焊接技術(shù)

相比較常規(guī)焊接工藝，激光焊接技術(shù)具有速度快、熱應(yīng)變小、焊縫窄、搭接縫少的典型優(yōu)勢(shì)，可以有效提高焊接質(zhì)量。隨著更高功率、高性能的激光技術(shù)與焊接設(shè)備發(fā)展，在鋁合金焊接中應(yīng)用激光焊接工藝的情況越來越普遍，尤其在汽車制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在鋁合金車身中，當(dāng)焊接長度達(dá)到20-30m時(shí)，激光焊接技術(shù)可以更高效地替代MIG、MAG和電阻焊等焊接方式。

例如在德國大眾Audi A2轎車的制造生產(chǎn)過程中，其鋁合金車身部件在焊接過程中的焊縫長度達(dá)到30m，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，其生產(chǎn)線就采取了激光焊接與MIG焊接兩種方法。本文采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式展開研究。首先，在鋁合金車身鑄造過程中，采取高強(qiáng)度真空低壓鑄件方式，鑄件抗拉強(qiáng)度達(dá)到225MPa以上，厚度為4mm，在焊接過程中共由3件鑄件組成。其次，優(yōu)先采用MIG焊接方式對(duì)一組鋁合金鑄件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接坡口為70°，其中電流90A，電壓17.7V，焊接速度6mm/s，送絲速度5.3m/min，焊絲直徑1.2mm，保護(hù)氣流量25mL/min。其三，采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行組對(duì)間隙焊接，采用單條直線焊縫方式實(shí)施，保證焊板的成型完美，即有效調(diào)控結(jié)疤、裂縫、夾雜、空洞等問題，以此保證焊縫寬度，避免焊瘤突出、背面斷差與錯(cuò)邊問題。其四，采用RT焊縫檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。目視檢測(cè)合格后，未發(fā)現(xiàn)焊接表面出現(xiàn)超標(biāo)缺陷;采用射線檢測(cè)時(shí)，同樣顯示射線底片沒有缺陷，說明其符合工藝要求與汽車車身制造要求。

不同類型的焊接方法具有不同的特性，如表1所示，激光焊接技術(shù)在鋁合金焊接中表現(xiàn)出多種優(yōu)點(diǎn)。

①激光焊接的接頭質(zhì)量更高。激光焊接的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他焊接工藝，可以達(dá)到105～109W/cm2，表現(xiàn)出能量密度高、熱輸入低、熔化區(qū)窄、熱影響區(qū)域小、熔深高、熱變形影響低、內(nèi)應(yīng)力變化小、冷卻速度快、焊縫組織細(xì)等多種優(yōu)勢(shì)特征，由此可以滿足鋁合金材料的焊接需求，保證焊接接頭的高性能。

②激光焊接的焊接成本低。激光焊不需要使用電機(jī)與真空氣氛，焊前也不需要花費(fèi)時(shí)間與力氣進(jìn)行清理工作，從而一定程度上降低了時(shí)間與資源成本。

③激光焊接的應(yīng)用范圍廣。激光焊接工藝屬于無接觸焊接方式，汽車車身不會(huì)受到電磁影響，在特定環(huán)境下，還可以透過密閉透明物體而對(duì)其內(nèi)部的鋁合金進(jìn)行焊接。

雖然激光焊接工藝對(duì)于鋁合金車身的焊接展現(xiàn)出極高的適用性與優(yōu)勢(shì)，但由于鋁合金材質(zhì)的特殊性與焊接工藝的不成熟性，使得其在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在一些問題，主要如下：

①鋁合金對(duì)激光能的吸收較低。當(dāng)前汽車所使用的鋁合金材料內(nèi)部具有高密度的自由電子，而這會(huì)和激光光束中的光子發(fā)生作用，將其中的能量大量反射。因此鋁合金材料表現(xiàn)出更高的初始反射率。

②鋁合金激光焊接易形成氣孔。氣孔是鋁合金在焊接中容易生成的影響因子之一，而激光焊接技術(shù)并不能解決該問題。在鋁合金車身的實(shí)際焊接過程中，出現(xiàn)的氣孔則主要有兩種類型，其一是在激光焊縫的冷卻過程中，由于氫的溶解度發(fā)生下降而形成了氫氣孔。其二是由于鑰孔塌陷而引起的氣孔。

③合金元素?zé)龘p嚴(yán)重。汽車車身所使用的鋁合金中含有更多的Mg、Zn、Li等金屬，而這類金屬都表現(xiàn)出低沸點(diǎn)的特性，而在激光焊接的過程中，這些元素更容易發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象，一定程度上破壞了車身鋁合金材質(zhì)的強(qiáng)化作用，造成了焊縫強(qiáng)度下降的問題。

④易形成熱裂紋。熱裂紋現(xiàn)象是鋁合金材質(zhì)在焊接過程中容易出現(xiàn)的缺陷之一，鋁合金車身在焊接過程中主要容易形成兩種裂紋類型，其一為凝固裂紋，其二為液化裂紋。防止裂紋出現(xiàn)的措施也有多種，比如填充金屬、優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)節(jié)激光波形、車身表面化學(xué)鍍鎳處理等。

2.2 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)

雖然激光焊接工藝在汽車鋁合金車身焊接中表現(xiàn)出較多優(yōu)勢(shì)，但其仍然存在一定的局限性，比如對(duì)于技術(shù)要求更高、焊接厚度范圍小、焊接熱利用率不高、功率要求過高等。這使得激光焊接工藝無法完全滿足鋁合金汽車車身的生產(chǎn)需求，而為了改善鋁合金的焊接效果，激光-電弧復(fù)合焊接方法成為更符合鋁合金車身焊接需求的技術(shù)。

在激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)使用過程中，熔池上方會(huì)由于激光作用產(chǎn)生等離子體，而這是維持電弧穩(wěn)定性的重要因子，因此可以發(fā)揮電弧焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，借助電弧等離子體吸收光子等離子體，從而可以顯著提升鋁合金車身對(duì)于激光能量的吸收效率。同時(shí)在電流的影響下，通過電流變化控制可以影響電弧發(fā)生膨脹，進(jìn)而改變電流密度，使得在電流達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，焊接機(jī)制可以由深熔轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)焊，不僅可以顯著提升焊接速度，而且還能保持更小的焊接面積，是對(duì)激光焊接技術(shù)的優(yōu)化。

該焊接工藝集合了激光焊與電弧焊雙方的優(yōu)勢(shì)，既能利用激光的高能量密度，又發(fā)揮了電弧焊的大加熱區(qū)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還產(chǎn)生了激光與電弧之間的協(xié)同作用，由此所產(chǎn)生的耦合效果進(jìn)一步提高了焊接質(zhì)量與效果，是汽車制造中鋁合金車身焊接的優(yōu)選焊接技術(shù)之一。其主要優(yōu)勢(shì)有：

①焊接性能好。由于使用了激光與電弧的復(fù)合熱源，在焊接過程中可以展現(xiàn)出高能量密集、大加熱區(qū)域的優(yōu)勢(shì)，由此形成了更符合鋁合金焊接的熱輸入形態(tài)，不僅深化了焊縫，而且還能有效降低熱裂紋產(chǎn)生的頻率。

②熱量利用率高。在電弧作用的影響下，激光束在焊接區(qū)所生成的激光等離子體會(huì)被稀釋，而這是降低等離子體吸收與放射激光能量的重要表現(xiàn)。同時(shí)由于電弧所產(chǎn)生的熔融效果，可以增強(qiáng)鋁合金車身表面對(duì)激光能量的吸收效果，從而提高了熱量的利用率。

③焊接穩(wěn)定。在電弧焊中，當(dāng)焊接速度加快時(shí)，容易出現(xiàn)陽極斑點(diǎn)不穩(wěn)的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致電弧出現(xiàn)飄移，造成焊接不穩(wěn)定的情況。但在激光作用下，激光束焦點(diǎn)處可以生成金屬蒸汽，而這就為陽極斑點(diǎn)的穩(wěn)定成型提供了良好的條件，進(jìn)而保證高速高效的焊接效果。

上述優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)出激光-電弧復(fù)合焊在汽車制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并成為鋁合金車身制造中重要的焊接工藝手段。比如在德國、日本等汽車制造生產(chǎn)線上，該焊接方式已經(jīng)得到了有效應(yīng)用。

例如在大眾汽車中，其鋁合金車門在焊接過程中就使用了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)。大眾汽車公司的研發(fā)人員T·CRAF等人設(shè)計(jì)了激光—MIG復(fù)合焊接機(jī)頭（如圖1所示），將該機(jī)頭安裝至焊接機(jī)器人之上，由于其體積更小，能夠在更多環(huán)境與空間位置中操作，其不同方向的精度達(dá)到了0.1mm。比如大眾輝騰系列汽車的車門都采用了該方法，在其前車門（如圖2所示）中有48處接口用到了激光—MIG復(fù)合焊接技術(shù)，其采用的焊絲為1.6mm直徑的ALSi12合金，焊接速度為4.2m/min，激光功率為2.9kW，送絲速度達(dá)到6.5m/min，保護(hù)氣體使用Ar氣體。

2.3 攪拌摩擦焊

雖然激光焊與復(fù)合焊在鋁合金車身制造中發(fā)揮了重要作用，但由于熔化焊焊縫具有鑄態(tài)組織特性，這就使得在焊接過程中由于熱循環(huán)影響降低其接頭力學(xué)性能，甚至還會(huì)產(chǎn)生形變與色變問題，而這對(duì)于汽車制造中的部分特殊位置有較大影響。因此攪拌摩擦焊成為鋁合金車身制造中的另一種焊接工藝手段。

攪拌摩擦焊與常規(guī)焊接方式具有較大差異，其主要依托于一個(gè)特殊制作的攪拌頭，將其插入工件后通過高速旋轉(zhuǎn)與攪拌摩擦，借助摩擦生熱的方式使得摩擦部位的金屬形成熱塑性狀態(tài)，進(jìn)而通過攪拌頭的壓力迫使其前端向后部塑性流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將焊件壓焊在一起的效果。焊接原理如圖3所示。

鋁合金車身在攪拌摩擦焊的過程中會(huì)形成三個(gè)不同的區(qū)域，分別為焊核區(qū)、熱影響區(qū)和熱變形影響區(qū)。攪拌頭中間包含一個(gè)晶粒，而其造成的區(qū)域?yàn)楹负藚^(qū)，該區(qū)域的金屬在摩擦熱的影響下逐步變形并形成核塑性變形狀態(tài)，通過完全再結(jié)晶的過程，最終形成“洋蔥”環(huán)狀結(jié)構(gòu)。焊核區(qū)外圍則為熱變形影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的部分晶粒出現(xiàn)明顯塑性變形與重結(jié)晶現(xiàn)象。熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒則僅具有明顯長大、機(jī)械能下降的變化。

在鋁合金車身制造中，摩擦攪拌焊具有以下幾點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：

①焊接接頭性能好。摩擦攪拌焊中形成焊縫的方式不同，鋁合金車身先經(jīng)過塑性變形，而后通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的方式形成焊縫，在此過程中由于晶粒細(xì)化，不會(huì)生成熔焊的樹枝晶，這就使得其焊縫組織細(xì)密，熱影響區(qū)也更窄，更不會(huì)出現(xiàn)金屬元素?zé)龘p蒸發(fā)、裂紋、氣孔等負(fù)面因素。由此所生成的焊接接口甚至超出了母材的性能，是提升汽車制造質(zhì)量的重要技術(shù)手段。

②焊后無變形，殘余應(yīng)力小。摩擦攪拌焊在焊接過程中生成的溫度較低，因此焊接前后發(fā)生的形變量與應(yīng)變力更小，更不會(huì)對(duì)周邊區(qū)域造成影響。

③由于摩擦攪拌焊的焊接形式特殊，不會(huì)產(chǎn)生飛濺、煙塵問題，也不生成紫外線或紅外線。

④應(yīng)用范圍廣，各類鋁合金材料都能焊接，汽車制造中開發(fā)的各種鋁合金材料都能發(fā)揮該焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，一方面其不需要軸類零件支持，另一方面可以采用多種焊接接頭形式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的要求較低。

⑤成本低。焊接過程不需求也不依賴輔助材料，同時(shí)在焊接前也不需要過多的預(yù)處理流程，只需要清除表面油污即可。焊接過程中可以有效破壞氧化膜的影響，同時(shí)還能有效節(jié)約能源，降低污染。

但是由于攪拌摩擦焊自身焊接原理的限制，其也有無法避免的缺陷。

①該焊接方式需要依靠攪拌頭摩擦而實(shí)現(xiàn)焊接目的，但由于其尺寸與性能影響，無法焊接過厚的工件，而且焊接速度顯然較慢，無法廣泛應(yīng)用于汽車鋁合金車身的焊接之中。

②焊件夾持要求高。焊接過程中必須對(duì)焊件保持固定壓力，以應(yīng)對(duì)其生成的殘余應(yīng)力。

③焊縫端部會(huì)出現(xiàn)鑰孔，而且焊縫處理難度較高。

攪拌摩擦焊在國外越野汽車制造中的使用較多，比如LAND ROVER、奧迪的運(yùn)動(dòng)賽車中，由于輕量化需求越來越高，鋁合金材料的使用越來越廣泛，由此也逐步引入了攪拌摩擦焊。挪威 Hydro Aluminum公司則將該焊接技術(shù)運(yùn)用于汽車輪轂的制造中，首先將鋁合金板材壓制為滾筒狀，然后利用攪拌摩擦焊技術(shù)將其焊接，形成無縫隙連接狀態(tài)，并通過液壓滾壓方式對(duì)其外形進(jìn)行調(diào)整，接下來還要利用攪拌摩擦焊將鍛壓或鑄造后的輪副連接，以此達(dá)到減輕重量并降低成本的目的。如圖4所示。

3 ?結(jié)語

綜上所述，在汽車制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，鋁合金車身成為至關(guān)重要的制造要求，而這就對(duì)汽車鋁合金車體的焊接技術(shù)提出了更高要求，本文詳細(xì)講解了激光焊、激光-電弧復(fù)合焊以及摩擦攪拌焊三種焊接方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以此為汽車制造行業(yè)發(fā)展提供了可靠的參考與選擇空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]史濤，劉翥寰，高忠林.汽車車身鋁合金點(diǎn)焊的特點(diǎn)及對(duì)焊接設(shè)備的要求[J].焊接技術(shù)，2021，50（09）：120-123.

[2]楊泉.鋁合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].裝備維修技術(shù)，2020（01）：136-137.

[3]溫雨.汽車鋁合金車身焊接工藝開發(fā)與應(yīng)用分析[J].時(shí)代汽車，2020（18）：135-136.

[4]王正科.鋁合金汽車輕量化及其焊接新技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（01）：102-103.