攪拌摩擦焊在汽車白車身前縱梁上的應(yīng)用

葉樹茂，康 銘，谷 晗，齊芃芃，金文福

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(The Welding Institute，TWI)在1991年申請獲得世界專利的新型固相焊接技術(shù)[1-3]。攪拌摩擦焊被譽為高質(zhì)量、低成本的“綠色環(huán)保焊接技術(shù)”，是繼激光焊后再一次革命性的焊接技術(shù)[4-6]。2012年3月，德國發(fā)布ISO 25239標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)在第4部分中規(guī)定了鋁及鋁合金的焊接工藝規(guī)范和評定相關(guān)內(nèi)容[7]。與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有熔化焊所無法比擬的優(yōu)點：在焊接過程中，若沒達(dá)到材料的熔點，就不會產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷；不產(chǎn)生煙塵、飛濺和輻射，不會危害焊工的人身健康；不需要添加焊絲，節(jié)約成本[8]。

1 汽車前縱梁概述

1.1 前縱梁材料的選擇

隨著汽車保有量的增加，能源的節(jié)能減排成了制約汽車發(fā)展的重大因素，汽車輕量化是解決該問題的重要途徑[9]。汽車車身輕量化的實現(xiàn)主要有三種途徑：1)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，即通過改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化或中空化；2)采用輕量化工藝，如拼焊板或變截面等制造工藝；3)使用輕量化材料，具有較高的比強度和比剛度的輕量化材料，在車身輕量化設(shè)計中備受青睞。鋁合金具有較高強度、良好的鑄造性能、塑性加工性能、良好的耐蝕性和可焊性，是汽車輕量化材料的優(yōu)質(zhì)選擇。

1.2 采用攪拌摩擦焊的優(yōu)勢

攪拌摩擦焊作為高質(zhì)量低成本的先進(jìn)焊接技術(shù)，應(yīng)用在前縱梁焊接中具有以下優(yōu)勢[10]：1)對于變形量的控制，汽車零部件進(jìn)行裝配時，對零部件要求的精度較高，采用熔化焊時焊接過程中溫度較高，產(chǎn)品由于受熱產(chǎn)生的變形量較大，焊接過后難以調(diào)修，采用攪拌摩擦焊大大降低了被焊產(chǎn)品的變形量；2)焊縫表面成形美觀，焊接過程為自動化焊接，無人為因素的影響，焊縫表面光亮，形成良好的魚鱗紋焊縫，且無任何表面缺陷；3)焊后接頭性能良好，與傳統(tǒng)熔焊相比，焊接過程中金屬不發(fā)生熔化，可有效避免氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生，力學(xué)性能良好，且焊接過程中由于軸肩頂端壓力的作用，形成內(nèi)部成形良好且致密的優(yōu)質(zhì)焊縫。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

電動車的車身前縱梁焊接形式為管-管的焊接，材料選取6082-T6管材，力學(xué)性能見表1，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。箭頭為攪拌摩擦焊的焊道位置，采取滿焊形式；采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)，采取分段焊接。

表1 母材力學(xué)性能

圖1 白車身前縱梁Fig.1 White body front longitudinal beam

2.2 試驗方法

焊接設(shè)備采用HT-JM16×30/2二維靜龍門攪拌摩擦焊機(jī)，工作臺尺寸為2000 mm×3000 mm，攪拌工具為針長3.0 mm錐狀帶螺紋攪拌頭。

由于攪拌摩擦焊產(chǎn)生的應(yīng)力較大，焊接過程中會造成被焊材料變形從而影響焊接，焊接工裝需要將被焊件完全固定。工裝將前縱梁焊道表面及側(cè)面頂住防止變形，尾部將前縱梁進(jìn)行限位，防止焊接過程中出現(xiàn)滑動，并且在焊道尾部進(jìn)行開槽防止攪拌頭與工裝碰撞。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 焊縫表面質(zhì)量

攪拌頭軸肩壓入量均控制在0.1～0.15 mm，觀察攪拌摩擦焊接頭的表面質(zhì)量，圖2(a)為車身前縱梁焊后整體外觀形貌，圖2(b)、2(c)為圖2(a)的局

(a)焊縫外觀形貌；(b)局部放大1；(c)局部放大2圖2 攪拌摩擦焊焊縫外觀形貌(a)appearance of weld;(b)local amplification 1;(c)local amplification 2Fig.2 Appearance of FSW welding seam

部放大宏觀形貌。可知，焊縫外觀成形良好，焊縫表面無犁溝缺陷，存在少量飛邊。

觀察MIG焊焊縫表面質(zhì)量，圖3(a)為車身前縱梁MIG焊后整體外觀形貌，圖3(b)、3(c)為圖3(a)的局部放大形貌圖。可知，MIG焊焊縫熔深為3 mm，由于MIG焊焊接時溫度較高，焊后焊件變形量大，焊后調(diào)修較為困難，所以選擇斷續(xù)焊接的方式，相比于攪拌摩擦焊接方法，斷續(xù)焊接降低了焊件整體的連接長度。焊接后焊縫表面存在一定尺寸的余高，焊縫周圍還出現(xiàn)了不同程度的黑灰，難以去除，使得焊縫的表面不夠美觀。

(a)焊縫外觀形貌；(b)局部放大1； (c)局部放大2圖3 MIG焊縫外觀形貌(a)appearance of weld;(b)local amplification 1;(c)local amplification 2Fig.3 Appearance of MIG welding seam

3.2 焊后變形量

攪拌摩擦焊為固相連接，焊接過程中母材沒有發(fā)生熔化，與熔化焊相比，其熱輸入較低，焊后變形量小。圖4、5分別為攪拌摩擦焊和MIG焊件變形圖片。觀察焊接起始位置，攪拌摩擦焊無變形，MIG焊變形量為1 mm；觀察焊縫中間部位，攪拌摩擦焊焊件變形量為2 mm，MIG焊變形量為4 mm，MIG焊件的變形量大于攪拌摩擦焊。

(a) 焊件整體外觀；(b) 位置1；(c) 位置2圖4 攪拌摩擦焊焊件變形圖片(a)overall appearance of weldment; (b) position 1; (c) position 2Fig.4 Picture of weldment deformation after friction stir welding

(a) 焊件整體外觀；(b) 位置1；(c) 位置2圖5 MIG焊件變形圖片(a)overall appearance of weldment; (b) position 1; (c) position 2Fig.5 Picture of weldment deformation after MIG

3.3 焊縫內(nèi)部組織

采用針長分別為2 mm和3 mm的攪拌頭進(jìn)行焊接，在焊縫上截取金相試樣，經(jīng)堿蝕磨拋后采用50X焊縫全拼方式進(jìn)行宏觀金相觀察，并截取MIG焊接接頭金相試樣作為對比，如圖6所示?？芍瑑煞N針長的攪拌摩擦焊焊縫的內(nèi)部組織致密，焊縫內(nèi)部熔合良好，但存在不同程度的S線和熔深；而MIG焊接焊縫內(nèi)部無裂紋、氣孔等缺陷，但根部卻存在著未熔合缺陷。

(a) 針長2 mm ；(b) 針長3 mm；(c) MIG焊縫圖6 不同焊接方法的焊縫內(nèi)部宏觀形貌(a) needle length 2 mm; (b) needle length 3 mm; (c) MIG weldFig.6 Macro morphology of weld internal by different welding methods

3.4 力學(xué)性能

對不同焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能檢測，每種焊接方法選擇3組試樣，試驗結(jié)果見表2。從表2中可以看出，攪拌摩擦焊接頭抗拉強度可達(dá)到母材抗拉強度的76%，而MIG焊接后接頭強度僅達(dá)到母材抗拉強度的66%。

表2 焊接接頭力學(xué)性能

4 結(jié)論

攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術(shù)，是一種高質(zhì)量、低成本并且綠色環(huán)保的新型焊接技術(shù)。通過對汽車白車身前縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦焊，得出結(jié)論如下：

1)攪拌摩擦焊焊縫表面成形美觀無缺陷，接頭內(nèi)部熔合致密，無孔洞缺陷；MIG焊接后表面存在余高，美觀性不足。

2)攪拌摩擦焊后焊件整體變形量較小，而MIG即使采用分段焊接，其變形量也大于攪拌摩擦焊的變形量。

3)攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部熔合良好、無孔洞等優(yōu)點，而MIG焊縫根部卻存在著未熔合缺陷，會影響接頭的性能。

4)攪拌摩擦焊焊接接頭抗拉強度可達(dá)到母材的76%，有效連接長度為整個對接面。