汽車鋁合金焊接技術的研究

摘要：為了全面推動汽車制造行業(yè)的發(fā)展進步，積極整合新型材料，應用鋁合金焊接技術，有助于更好地落實汽車輕量化發(fā)展規(guī)劃，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)保效益和諧統(tǒng)一的目標。據(jù)此分析了汽車制造中鋁合金焊接技術應用的意義，并對具體技術應用內(nèi)容展開討論。

關鍵詞：汽車制造;鋁合金焊接技術;應用內(nèi)容

中圖分類號：U466收稿日期：2022-05-16

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.020

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和進步，圍繞安全性能、低碳環(huán)保生產(chǎn)工藝的話題不斷增多，為了更好地滿足汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級要求，需要整合鋁合金焊接技術方案，在優(yōu)化汽車整體強度的同時優(yōu)化其使用價值。

1 汽車制造中鋁合金焊接技術概述

一方面，受到全球能源緊張等因素的影響，汽車油耗受到了更多的關注，因此，汽車輕量化已經(jīng)成為各大汽車企業(yè)產(chǎn)品設計的目標。而在輕量化發(fā)展體系內(nèi)，中高強鋼結構、鋁和鋁合金結構、鎂和鎂合金結構等輕質(zhì)金屬將逐步替代傳統(tǒng)鋼板結構，其中，鋁和鋁合金被廣泛應用在汽車車身輕量化體系中。究其原因，相較于鋼結構，鋁的重量要低60%，替代傳統(tǒng)材料能有效實現(xiàn)整車減重45%以上，承受同樣的沖擊力時，鋁和鋁合金能吸收更高的沖擊能。

另一方面，基于節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，鋁合金是較為環(huán)保的應用材料，滿足節(jié)能降耗的要求，并且鋁合金零部件的回收率較高，能在提升整體車輛安全性的同時，最大程度上減少制造項目的工序，有效優(yōu)化裝配效率。

綜上所述，在汽車制造過程中有效融合鋁合金焊接技術具有重要的實踐意義。

2 汽車制造中鋁合金焊接技術內(nèi)容

2.1 鋁合金激光焊接

激光焊接以其快速、熱應力小等特點受到了廣泛關注，在汽車制造中應用激光焊接技術，能有效縮減焊縫結構并減少搭接縫，一定程度上提高了焊接操作模式的質(zhì)量水平。并且在更高功率和更高性能落實的過程中，激光技術能維持統(tǒng)籌應用效果。另外，在鋁合金汽車制造工藝體系內(nèi)，焊接長度在20～30m之間時，激光焊接作業(yè)能替代傳統(tǒng)的MAG焊接、電阻焊等傳統(tǒng)操作模式（表1），在滿足質(zhì)量要求的同時提升焊接的精度水平[1-2]

由表1可知，激光焊接具有較為突出的應用優(yōu)勢，相較于其他焊接模式，激光焊接技術的應用范圍更加廣泛。由于其本身屬于無接觸焊接處理模式，汽車車身不會受到其他電磁等因素的影響，并在特定環(huán)境下透過密閉透明物體后還能實現(xiàn)鋁合金焊接處理，在優(yōu)化焊接工藝水平的基礎上，保障整體焊接質(zhì)量。

比如，大眾Audi A2轎車制造環(huán)節(jié)中，就采取鋁合金激光焊接技術模式，焊縫長度為30m。

a.車身鑄造環(huán)節(jié)要整合具體技術要點和標準，利用高強度真空低壓鑄件的處理模式，能有效維持良好的應用效能，確保鑄件抗拉強度能控制在225MPa以上，實際的應用厚度約為4mm。

b.焊接作業(yè)中利用激光焊接技術完成組對間隙焊接，主要采取的方式是單條直線焊縫處理模式，能維持焊板的成型效果，有效對結疤問題、裂縫問題、夾雜問題、空洞問題等進行實時性調(diào)控，最大程度上避免了安全隱患現(xiàn)象的留存。

c.配合RT焊接焊縫檢測技術完成相應操作工序的檢測分析，目測合格后就要利用射線檢測對其進行進一步的評估31。

盡管如此，鋁合金激光焊接技術還是存在弊端：

一方面，合金元素會存在燒毀嚴重的現(xiàn)象，在鋁合金中，

Mg、Zn

等元素含量較多，其本身存在低沸點的特性，而激光焊接的溫度較高，難免會出現(xiàn)蒸發(fā)問題，必然會對鋁合金材質(zhì)強化效果產(chǎn)生影響，甚至會出現(xiàn)焊縫強度下降的情況。

另一方面，熱裂紋也是鋁合金激光焊接技術中較為常見的問題，凝固裂紋和液化裂紋的出現(xiàn)會對應用效能造成影響。針對熱裂紋，目前較為有效的方式就是填充金屬、優(yōu)化工藝參數(shù)等，或者是在車身表面進行化學鍍鎳處理。

2.2 攪拌摩擦焊

在應用激光-電弧復合焊技術的過程中，依舊存在一些技術無法達到的問題，比如，熔化焊焊縫本身具有鑄態(tài)組織特性，這就使得激光-電弧復合焊技術應用過程中熱循環(huán)會對接頭的力學性能產(chǎn)生不同程度的影響，甚至會出現(xiàn)形變或者是色變等情況?；诖耍す?電弧復合焊技術也在不斷升級和優(yōu)化，而針對其產(chǎn)生的問題，要建立新型焊接技術模式，有效規(guī)避焊接操作中產(chǎn)生的問題。攪拌摩擦焊也成為鋁合金車身制造產(chǎn)業(yè)中應用較為廣泛的技術體系之一[5-7]。

a.特點。

相較于傳統(tǒng)的技術模式，攪拌摩擦技術更依賴于特殊制作的攪拌頭結構，配合技術方案和應用要求，要將特殊制造的攪拌頭直接插入到工件內(nèi)，并且借助高速旋轉(zhuǎn)處理和攪拌摩擦處理，應用其產(chǎn)生的熱量完成金屬位置的打磨，有效形成熱塑性處理環(huán)境，并配合攪拌頭壓力保證前端向后端實現(xiàn)塑性的合理性流動，有效完成焊件的焊接處理。

值得一提的是，在攪拌摩擦技術應用過程中，結合技術要求會將焊接結構形成不同的工作區(qū)域，主要包括焊核區(qū)域、熱影響區(qū)域、熱形變影響區(qū)域，要結合具體的焊接處理要求保證不同區(qū)域應用的規(guī)范性。在攪拌頭的中間位置會設置晶粒結構，其產(chǎn)生的焊接操作區(qū)域就是焊核區(qū)域，金屬在摩擦熱的影響下會逐漸出現(xiàn)形態(tài)的變化，從初級形變逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍Ｍ瑫r，利用再結晶的處理方式，將其設置為環(huán)狀結構。

b.優(yōu)勢。

第一，攪拌摩擦焊接技術最大的優(yōu)勢在于焊接接頭的基礎性能參數(shù)較好，在焊接過程中，鋁合金車身要經(jīng)歷塑性變形到動態(tài)再結晶的過程，此時焊縫的形成能最大程度上維持其穩(wěn)定性。正是因為晶粒的細化處理，使得熔焊形成的晶粒降到最低，不僅能保證焊縫組織的密實度還能將具體參數(shù)控制在熱影響區(qū)規(guī)定范圍內(nèi)。

第二，攪拌摩擦焊接技術操作體系，能大大降低焊接后變形問題，并且減少參與應力，正是因為攪拌摩擦焊接處理中生成的溫度較低，所以，焊接前形變量和應變力參數(shù)也會隨之降低，避免對周圍環(huán)境產(chǎn)生更多的影響[8]。

第三，攪拌摩擦焊接技術基于其特殊性，能大大減少飛濺、煙塵等環(huán)境問題，滿足環(huán)?；附犹幚淼男枨螅蛟飙h(huán)保效能和經(jīng)濟效益并行的焊接處理模式，且不會形成紫外線等不良影響。

c.局限性。

首先，焊接過程中對焊接夾取效果的要求非常高，一旦無法進行焊件固定，就會滋生其他的殘余應力。其次，利用攪拌摩擦焊接作業(yè)時，會在焊縫的端部出現(xiàn)鑰孔現(xiàn)象，需要較為精細化的焊縫處理工藝。

基于此，目前攪拌摩擦焊接技術多被國外越野車輛制造行業(yè)應用，秉持輕量化的需求應用在汽車輪轂制造中，配合鋁合金板材壓制技術，完成焊接作業(yè)。

3 汽車制造產(chǎn)業(yè)鋁合金焊接工藝發(fā)展

傳統(tǒng)的單一化技術已經(jīng)逐漸無法滿足汽車制造行業(yè)的實際需求，因此，實現(xiàn)技術的合理化融合和科學資源配置，就能最大程度上提高焊接的實效性和控制效果。其中，激光-電弧復合焊技術的市場應用率越來越高。3.1 工藝特點

第一，快速凝固鋁合金。冷速達到104～109材料能實現(xiàn)組織結構的新特征，利用超細化的微觀組織提升合金的固溶度極限，減少偏析現(xiàn)象。

第二，鋁基復合材料，將晶須、微粒等作為增強材料，形成鋁基復合材料。

第三，泡沫鋁合金。在金屬基體中分布多孔材料，其質(zhì)量更輕、強度更高，具有較高的吸能性質(zhì)和阻尼特性，將泡沫鋁填充在高強度外板之間，就能形成三明治板材，主要焊接在車身頂蓋[5]。

3.2 技術優(yōu)勢

激光-電弧復合焊技術最大的優(yōu)勢在于融合了激光焊和電弧焊的優(yōu)點，能在實時性應用激光高能量密度的同時，發(fā)揮電弧焊加熱優(yōu)勢作用，配合耦合分析模式就能提升焊接質(zhì)量。

第一，激光-電弧復合焊技術的焊接效能較好，在應用復合熱源的基礎上，配合焊接過程就能實現(xiàn)高能量密集處理，保證大加熱區(qū)域的控制效果最優(yōu)化。并且激光-電弧復合焊的熱輸入形態(tài)較為合理，能在深化焊縫結構效能的同時減少熱裂紋。比如，應用鋁合金焊絲能有效提升焊接的質(zhì)量效果，具體型號見表2。

第二，激光-電弧復合焊技術的熱量利用率較高，配合電弧處理，激光束就能在焊接區(qū)域進行激光等離子體的處理，并且能有效完成相應等離子體的稀釋操作，配合電弧熔融效果，能更好地強化鋁合金車身表面對激光能量的吸收水平，為熱量利用率的提升奠定基礎。具體參數(shù)如下：a.板厚為1mm，焊接電流為40～60A，焊絲直徑為1.6mm，焊接層數(shù)為正1，用卷邊焊，噴嘴孔徑8mm;b.板厚為2～3mm，焊接電流為90～120A，焊絲直徑為2～2.5mm，焊接層數(shù)為正1，用對接焊，噴嘴孔徑8～12mm。

3.3 應用實例

我國大眾汽車在鋁合金車門焊接中廣泛應用激光-電弧復合焊技術，設計激光-MIG復合焊接機頭，配合焊接機器人的智能化操作，能打造更加可控且合理的焊接處理工序，形成更多空間和環(huán)境的位置操作模式，確保不同方向的精度都能滿足預期61。另外，輝騰系列車門利用激光-電弧復合焊技術進行處理，48處接口采取的是1.6mm直徑的AlSi2合金，能將焊接速度提升到每分鐘4.2m，激光功率約為2.9kW。

因此，積極采取激光-電弧復合焊技術，熔池會配置具備激光作用的等離子體，能在維持電弧穩(wěn)定性的基礎上有效整合控制效果，發(fā)揮電弧焊技術的優(yōu)勢作用，配合電弧等離子體進行光子吸收，并且能更好地優(yōu)化鋁合金車身對激光能量的吸收效果。激光-電弧復合焊技術應用在新型鋁合金材料上，可實現(xiàn)焊接效能的優(yōu)化。

4 結語

汽車制造產(chǎn)業(yè)中鋁合金焊接工作具有重要的意義，要結合制造要求落實更加可控的制造模式，發(fā)揮相應技術的優(yōu)勢作用，從而保證技術體系滿足焊接要求，在全面評估不同焊接技術優(yōu)勢和弊端的同時，為汽車制造行業(yè)發(fā)展提供更為廣闊的技術空間，促進汽車制造行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

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作者簡介：

嚴繼斌，男，1967年生，學士，研究方向為材料科學與工程技術。