汽車車身鋁鋼金屬板件磁脈沖焊接工藝分析

摘要：我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，除了各項政策的出臺與實施的協(xié)助以外，汽車工業(yè)良好的發(fā)展前景，也為其提供了強有力支撐。受節(jié)能減排政策影響，輕量化設(shè)計逐漸成為汽車行業(yè)目前主流發(fā)展趨勢，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)件設(shè)計與降低結(jié)構(gòu)重量的前提，是要為高強度、密度小的輕型材料匹配合適的焊接工藝。鋁鋼金屬板件具有提升車身結(jié)構(gòu)安全性與減輕車身自重等應(yīng)用優(yōu)勢，但由于鋁合金與鋼這兩種材料的熱屬性參數(shù)相差過大，某種程度上加大了焊接作業(yè)操作難度。磁脈沖焊接工藝作為當(dāng)下一種新型焊接技術(shù)，將其應(yīng)用于汽車車身鋁鋼金屬鈑件焊接，既能解決上述問題，又能滿足大批量工業(yè)生產(chǎn)需求，為汽車制造領(lǐng)域中加強鋁合金材料的使用以及實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計提供強有力技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：汽車;車身結(jié)構(gòu);鋁鋼金屬板件;磁脈沖焊接工藝

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-07-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.020

1 前言

電磁力是支持磁脈沖板件焊接工藝實現(xiàn)的關(guān)鍵要素，作為該類型焊接工藝的驅(qū)動力，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間提高焊接飛板速度，在極高的速度下完成與焊接基本的撞擊，并在相互撞擊作用下，金屬材料將會因自身塑性變形而使局部區(qū)域溫度和壓力升高，進而將兩板件快速連接。實際操作過程中，不會產(chǎn)生任何刺鼻氣味與粉塵，充分滿足節(jié)能環(huán)保要求，打破傳統(tǒng)焊接工藝不能滿足汽車生產(chǎn)制造中使用鋁合金材料需求的制約。磁脈沖焊接工藝如何在汽車車身鋁鋼金屬板件生產(chǎn)中有效應(yīng)用，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

2 磁脈沖焊接工藝基本內(nèi)容

磁脈沖焊接是現(xiàn)階段用于焊接汽車車身鋁鋼金屬板件作業(yè)中主要涉及的一種工藝，將其合理應(yīng)用，并在實際操作過程中加強焊接強度、焊接精度調(diào)試等方面管理，有助于進一步提高汽車車身鋁鋼金屬板件焊接質(zhì)量。下面將結(jié)合筆者自身工作經(jīng)驗，對其焊接工藝要點加以闡述，以期為改善當(dāng)前焊接作業(yè)質(zhì)量及優(yōu)化Mk/tl2gsZ7iPt6nGHElPJjf7L7RVItITKJZZVJKLVQg=焊接生產(chǎn)線設(shè)計提供參考。

2.1 工藝原理

以電磁力作為磁脈沖板件焊接工藝實現(xiàn)的驅(qū)動力，瞬間提高焊接飛板速度，在高速條件下且在極短的時間內(nèi)與焊接基板相互撞擊，通過焊接連接成一個整體。磁脈沖焊接工藝操作過程主要分為兩個部分：

第一部分是電路放電，飛板加速。采用高壓充電的方式為電容庫儲存一定放電能量，與電路接通后，此時處于電容放電狀態(tài)，高頻震蕩電流在電路中形成。線圈與電路接通后，并通過高頻電流，將在電磁感應(yīng)的作用下，強烈的感生磁場在其周圍形成。此時，在高頻磁場中的飛板則會有強大的渦流感生。線圈中電流方向與飛板中電流方向相反，因此，電磁力的方向即是與線圈背離的方向。飛板在電磁力作用影響下則會出現(xiàn)形變，并不斷加速朝著基板方向撞擊。

第二部分是板件高速碰撞，冶金相互結(jié)合。以每秒上百米的速度與基板相互撞擊，基于適宜的碰撞速度和碰撞角度，撞擊點附近范圍會出現(xiàn)一定射流產(chǎn)物。射流產(chǎn)物速度較快，射流產(chǎn)物中同時包含飛板與基板兩種材料，此時飛板與基板相互撞擊后表面出現(xiàn)的金屬氧化物、油漬等其他雜質(zhì)均會被清理干凈，以此保證板件表面整潔度[1]。另外，鑒于金屬材料自身強烈塑性變形這一特性，經(jīng)過高速撞擊后，撞擊點局部的溫度與壓力隨之升高。這一特殊環(huán)境條件使兩板件表面純凈度增加，二者接觸更加緊密，在高溫高壓作用下冶金結(jié)合面快速形成，這一過程即為磁脈沖焊接工藝。從電容放電至焊接工藝操作完成，整個焊接作業(yè)過程發(fā)生在微秒級，受到高頻電磁場加速機制影響，并在飛板與基板相互撞擊過程中發(fā)生物理化合反應(yīng)，且反應(yīng)過程復(fù)雜程度較高，此時形成的磁脈沖焊接接頭強度較高，且超過原有材料的強度。磁脈沖焊接工藝操作過程如圖1所示。

2.2 影響磁脈沖焊接工藝效果的關(guān)鍵參數(shù)

由于整個過程省去傳統(tǒng)焊接工藝加熱或熔化的操作過程，能夠結(jié)合不相似以及難以焊接的材料，成為目前一種新型的焊接方式。影響磁脈沖焊接工藝效果的關(guān)鍵參數(shù)主要涉及以下幾個方面：

a.放電能量。在磁脈沖焊接過程中，焊接操作時電容庫將瞬間釋放提前儲存的能量，是高頻震蕩電流瞬間形成的必要條件，同時也是飛板高速撞擊基板的重要驅(qū)動力。電容庫的電容與電容電壓決定著放電能量，需要通過對充電電壓進行調(diào)節(jié)來達到隨時控制放電能力的效果。當(dāng)充電電壓增加時，放電能量增大，此時飛板撞擊基板的速度也會隨之提升，進而在此基礎(chǔ)上形成具有高剪切強度的焊縫。

b.焊接板件間距。該間距是指飛板與基板二者之間存在的垂向距離，當(dāng)飛板與基板二者保持合適的間距，才能為飛板提供足夠的增加撞擊速度的空間。間距越小，最大碰撞速度越難以達到;間距過大，飛板撞擊速度也會隨之降低。不同材料性能差異，其間距最優(yōu)值也各不相同。

c.焊接材料。飛板材料自身導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率對磁脈沖焊接質(zhì)量有著較大影響，若導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率相對較低，將會限制飛板表面電磁力生成，極易導(dǎo)致后期出現(xiàn)焊縫缺陷問題。較高的電導(dǎo)率是飛板中形成更大磁感應(yīng)電流的必要條件，直接關(guān)系著強烈感生磁場的產(chǎn)生，只有更強的電磁壓力產(chǎn)生才能確保磁脈沖焊接工藝效果更好地發(fā)揮。

另外，板件自身力學(xué)性能也會影響磁脈沖焊接質(zhì)量，金屬材料硬度越高，飛板撞擊基板的速度越接近臨界值，但塑性變形時對能量的消耗也就越高，因此，需要電容庫必須保證足夠的放電能量釋放[2]。

3 磁脈沖板件焊接工藝參數(shù)優(yōu)化模擬

磁脈沖焊接操作過程中，基于電磁力作用機制，使飛板加速度瞬間提升，以每秒上百米的速度撞擊基板，在此條件下形成冶金結(jié)合面。整個磁脈沖焊接過程所產(chǎn)生的物理化合反應(yīng)極為復(fù)雜，因此，需要搭建一個多物理場模型，通過精準計算的方式來獲取更加準確的焊接工藝參數(shù)，通過數(shù)值模擬還原磁脈沖鋁鋼板件焊接過程，進而達到準確獲取影響磁脈沖焊接質(zhì)量的參數(shù)的目的。

3.1 多物理場模型搭建

結(jié)合汽車車身鋁鋼板件磁脈沖焊接工藝特點，并基于焊接過程所產(chǎn)生的電磁場、結(jié)構(gòu)場以及熱場三種物理場相互耦合性，分析上述三種物理場相互耦合作用下產(chǎn)生的具體影響，掌握三種物理場中溫度變化、電磁力產(chǎn)生以及形變的實時交換具體情況，將復(fù)雜程度較高的物理耦合反應(yīng)精準分析，還原磁脈沖焊接過程。通過所搭建的模型，逐步計算結(jié)構(gòu)場和電磁場內(nèi)的材料參數(shù)、載荷參數(shù)等，確保模擬結(jié)果準確性。

為了縮減整個計算過程時間消耗，進一步優(yōu)化模型搭建，將線圈選擇、飛板以及基板劃分主要分析對象;在鋁合金與鋼這兩種金屬材料焊接過程中，通常將鋁作為飛板材料，相較于鋼材料，鋁合金具有較高的導(dǎo)電率，加上自身強度低，即使處于能量相對較低的狀態(tài)下，也可以迅速達到極高的速度。鋁屬于非鐵磁性材料，因此，有序磁場并不在磁場中產(chǎn)生;鋼則是屬于鐵磁性材料，在實際操作過程中需要注意溫度對電磁場參數(shù)變化所產(chǎn)生的影響。

針對線圈選擇，可以采用羅氏線圈并在磁脈沖焊接過程中進行電流互感，以此完成對脈沖電流的測量，充電電壓發(fā)生改變時，放電能量也會不同。飛板是磁脈沖焊接過程中主要發(fā)生變形的材料，需要在仿真模擬中對飛板材料的應(yīng)變速率加以明確和控制，將處于高溫、高壓、高應(yīng)變速率等條件下飛板材料表征特性進行反應(yīng)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在模型中觀察電流密度與電磁力的分布情況，在應(yīng)用磁脈沖鋁鋼板件焊接工藝時，電容放電后，此時高頻電流在線圈中產(chǎn)生，并在其周圍直接形成較強的變電磁場。與線圈距離越近的區(qū)域，其電磁場感應(yīng)越強烈。飛板材料良好的導(dǎo)電性會使電磁感應(yīng)中出現(xiàn)較大的渦流。電流沿著飛板表面的焊接區(qū)域呈現(xiàn)對稱分布，電流均集中于與線圈距離相近的區(qū)域，此時該區(qū)域的電流密度最大;感生渦流則是沿著焊接板件上部方向分流，分布在其左右兩側(cè)。最后所有分流重新在飛板下半部分匯聚成一股電流[3]。

線圈與飛板二者產(chǎn)生的電流方正相反，并伴隨著較大的排斥力，飛板與線圈正對區(qū)域則是有電磁力集中且均勻分布，并與線圈和飛板中的電流分布保持高吻合度。電路中電流增加或減小與放電能量有著直接關(guān)系，當(dāng)放電能量越大時，電流在電路中的數(shù)值越大，因此，在實際計算的過程中，需要充分注意這一點。

從飛板材料變形情況來看，基于電磁力作用，促使高速撞擊后的飛板材料發(fā)生形變，相互撞擊行為持續(xù)進行，飛板與基板從剛開始的撞擊接觸點逐漸向周圍擴散，進而使飛板與基板二者貼合面積逐漸增大。飛板與基板撞擊的過程中，其碰撞角度也處于不斷變化中，并隨著飛板與基板二者焊接長度增加，碰撞角度也隨之增大。磁脈沖焊接完成時，碰撞角度將達到最大值。

從磁脈沖焊接工藝受到放電能量的影響來看，放電能量越大，飛板撞擊基板時的速度越高，通過借助數(shù)值仿真模型觀察其產(chǎn)生的具體影響，發(fā)現(xiàn)放電能量逐漸增加，撞擊速度也會隨之提升，并伴隨著飛板與基板撞擊行為發(fā)生時間提前。另外，各項數(shù)據(jù)顯示，飛板與基板二者距離不斷變化，將會對飛板撞擊基板時的速度產(chǎn)生一定影響;如基于20 kJ放電能量，飛板與基板二者間距為0.6 mm時，飛板能夠提升撞擊速度的空間相對較小，此時速度僅達到260 m/s，將其間距設(shè)置為1.0 mm時，此時撞擊速度則可達到350 m/s左右。由此可知，若想保證飛板撞擊速度達到理想狀態(tài)，當(dāng)飛板與基板二者間距在0.6～1.8 mm范圍時，飛板均會一直保持加速狀態(tài)，飛板最終撞擊速度由二者間距來決定，同時也會使碰撞角度發(fā)生變化。20 kJ能量不同間距條件下的飛板撞擊速度分布如表1所示。

3.3 模擬試驗結(jié)論

通過觀察飛板表面渦流與電磁力分布情況，得知與線圈針對的區(qū)域是電磁力分布集中的區(qū)域，放電能量的增加，飛板表面分布的渦流與電磁力也會隨之增加。從飛板變形全過程的情況來看，飛板沿著電磁力集中區(qū)域逐漸開始變形，在高速條件下與基板產(chǎn)生撞擊行為，且撞擊后的碰撞角度也處于不斷增大的狀態(tài)下，此時兩板件貼合面積逐漸增加。其中放電能量的增加也會影響焊接時飛板與基板的撞擊速度，放電能力越大，且二者間距越遠，撞擊速度越高，碰撞角度隨著間距增加而逐漸變大[4]。

在適宜的撞擊速度與碰撞角度參數(shù)下才會出現(xiàn)高強度焊縫，飛板與基板的間距是影響焊縫強度產(chǎn)生變化的主要因素，而間距增加直接引起撞擊速度與碰撞角度發(fā)生改變。不同放電能量條件下，所形成的焊縫強度超過原有材料強度，期間生成的合理間距也有著一定差異，但放電能量一旦超過限值，將會導(dǎo)致焊縫淺薄去發(fā)生斷裂等問題，影響磁脈沖焊接質(zhì)量?；诖?，在實際焊接過程中，相關(guān)人員需要重點加強對放電能力上限的控制，綜合分析間距與放電能量二者之間的關(guān)系，將其準確把握，以此獲得最優(yōu)磁脈沖焊接工藝參數(shù)。

鑒于金屬材料自身性質(zhì)影響，使得部分工藝參數(shù)仍需要展開進一步研究，板件表面質(zhì)量、規(guī)格尺寸以及焊縫形狀等因素均會直接影響磁脈沖焊接質(zhì)量，為了將其工藝應(yīng)用價值最大限度發(fā)揮，做好相關(guān)焊件多性能綜合評估尤為重要，如高速拉伸、疲勞試驗等，不僅便于更好地控制磁脈沖焊接工藝參數(shù)，也能實現(xiàn)汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域中深化對鋁合金材料的使用，滿足汽車輕量化設(shè)計需求。

4 結(jié)語

生產(chǎn)效率高、控制難度小以及滿足異種金屬焊接要求等是磁脈沖焊接工藝明顯的基本特征，將其應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)制造中，不僅能夠有效地解決生產(chǎn)制造中鋁與鋼兩種金屬材料無法連接的問題，對輕量化設(shè)計汽車車身結(jié)構(gòu)有著關(guān)鍵性作用發(fā)揮，有利于汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域更好地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標，為改善我國汽車行業(yè)發(fā)展環(huán)境提供助力。

參考文獻：

[1]孟正華，肖超，錢多發(fā).基于接頭界面分析的鋼/鋁傳動軸磁脈沖焊接工藝優(yōu)化[J].精密成形工程，2022，14（3）：78-86.

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

[3]杜建.鎂-鋁板件電磁脈沖焊接設(shè)備研制及焊接工藝研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2020.

[4]陽澤宇.3003鋁合金動力電池外殼磁脈沖焊接工藝與連接結(jié)構(gòu)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2020.

作者簡介：

黃春喜，男，1984年生，工程師，研究方向為汽車車身焊接工藝。