鋁合金在汽車(chē)車(chē)身的應(yīng)用及連接技術(shù)研究

張玉坤

(廣汽豐田汽車(chē)有限公司,廣東 廣州 511455)

近年來(lái),環(huán)境破壞、污染和氣候變暖等令人擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題促使汽車(chē)工業(yè)提高車(chē)輛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性,以減少人為造成的氣候變化、環(huán)境破壞和代價(jià)高昂的尾氣排放。 汽車(chē)輕量化是降低車(chē)輛油耗、減少污染物排放的重要措施。 首先,可以通過(guò)優(yōu)化整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減少零部件數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化;其次,也可以通過(guò)汽車(chē)的合理設(shè)計(jì),在保證汽車(chē)穩(wěn)定性和安全性的前提下,采用新型輕量化材料,替換傳統(tǒng)鋼鐵材料,也是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑[1-2]。

鋁材料由于其密度低的特性,僅為鋼的1/3,同時(shí)可以通過(guò)合金化高強(qiáng)度,進(jìn)而得到高強(qiáng)度重量比。而且鋁合金適用于多種生產(chǎn)工藝,如:鑄造、擠壓、沖壓、鍛造和機(jī)加工等,因此鋁合金在汽車(chē)輕量化中得到了廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)在,鋁合金的使用不僅限于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等常規(guī)鑄件,已經(jīng)延伸到發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、翼子板、車(chē)門(mén)等外板和包括隔熱材料的保護(hù)罩,以及最近出現(xiàn)的全鋁車(chē)身等[3]。

鋁合金的連接工藝主要有電阻點(diǎn)焊、激光焊、摩擦攪拌焊、電子束焊接、電弧焊和機(jī)械連接等[4]。 目前豐田市售汽車(chē)中,采用的鋁合金連接工藝有電阻點(diǎn)焊、激光焊、摩擦攪拌焊,而且這三種鋁合金連接技術(shù)在當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)也應(yīng)用最為廣泛。 本文針對(duì)以上幾種連接技術(shù),在汽車(chē)車(chē)身的最新研究成果,同時(shí)對(duì)各種連接技術(shù)在加工工藝過(guò)程中的影響因素進(jìn)行了探究。

1 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊是一種快速連接技術(shù),廣泛運(yùn)用于汽車(chē)工業(yè)的車(chē)身連接。 焊接過(guò)程中,電流經(jīng)過(guò)工件,由于工件界面電阻和體電阻產(chǎn)生的熱量使接觸工件表面熔合。 電阻點(diǎn)焊具有工藝成熟、成本低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn),因此在傳統(tǒng)車(chē)身制造工藝中占據(jù)重要地位。 但是由于鋁對(duì)氧的高親和性,鋁合金的表面會(huì)自發(fā)形成一層連續(xù)、自修復(fù)的致密氧化膜。 正是由于鋁合金表面致密且堅(jiān)韌的氧化膜,以及鋁合金較高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的固有物理屬性,使得電阻點(diǎn)焊應(yīng)用于鋁合金的焊接,變得困難重重[5]。 廣大科技工作者,為此做出了許多嘗試,并取得了顯著的成就。

Wang 等[6-7]為了提升鋁合金的電阻點(diǎn)焊效果,在傳統(tǒng)焊接設(shè)備電極(FT)的基礎(chǔ)上,自主開(kāi)發(fā)了牛頓環(huán)(NTR)電極,如圖1 所示。 與傳統(tǒng)FT 電極不同,該NTR 電極在焊接接觸界面中心有一個(gè)凹槽,由于凹槽的存在,在焊接過(guò)程中減少了電極與工件之間的接觸面積。 分別采用FT 電極和NTR 電極對(duì)2 mm 厚的AA5182-O 鋁板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,結(jié)果表明,NTR 電極由于凹槽的存在,板材受熱向電極中心的凹槽膨脹,從而增大了焊核尺寸,減少了飛濺和變形。 同時(shí)NTR 電極得到的接頭力學(xué)性能也大大提高,拉伸強(qiáng)度達(dá)到了7 068.60 N,而FT 電極得到的拉伸強(qiáng)度為6 125.93 N。 此外,與傳統(tǒng)FT 電極相比,NTR電極形成相同尺寸焊點(diǎn)所需電流更低,節(jié)約了能源。

Huang 等[8]對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行改造,通過(guò)在電阻點(diǎn)焊電極的兩側(cè)追加磁體(見(jiàn)圖2),從而實(shí)現(xiàn)在對(duì)3 mm 厚的AA6061-T6 片材進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的同時(shí),施加外部磁場(chǎng),系統(tǒng)的研究了外磁場(chǎng)對(duì)鋁材電阻點(diǎn)焊的微觀組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),外磁場(chǎng)提供了電磁攪拌,加速熔融金屬的流動(dòng),實(shí)現(xiàn)了焊縫處的焊接部位更大、形狀更規(guī)則,以及無(wú)缺陷產(chǎn)生。 而且電磁攪拌可以使熔融過(guò)程中溫度更均勻,外圍柱狀晶區(qū)和中心混合結(jié)構(gòu)等軸晶區(qū)分別演變成雙層結(jié)構(gòu)和近乎單一結(jié)構(gòu)的等軸晶區(qū)。 機(jī)械性能方面,發(fā)現(xiàn)在27 kA 電流下,外部磁場(chǎng)的施加,剪切峰值增量達(dá)到了1.21 kN,提高了41.7%。

由于電阻點(diǎn)焊在鋁合金汽車(chē)車(chē)身焊接領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,因此,除了以上焊接設(shè)備相關(guān)研究外,人們還通過(guò)工件表面處理[9]、焊接工藝參數(shù)改善[10]、以及鋁合金材料組成等方面進(jìn)行了充分研究,也取得了一定的效果,這里不再贅述。

2 激光焊

激光焊,屬于熔融焊接,是利用高能量的激光脈沖對(duì)工件進(jìn)行微小區(qū)域的局部加熱,激光輻射的能量通過(guò)熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞擴(kuò)散,將工件局部區(qū)域熔化后形成特定熔池,從而達(dá)到焊接的目的。 激光焊是一種先進(jìn)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)構(gòu)造連接技術(shù),它具有高效、低熱輸入和靈活等特點(diǎn)。 鋁合金采用激光焊,與傳統(tǒng)焊接工藝相比,具有更深的熔深、更少的變形和更高的生產(chǎn)效率[11-12]。 但是,激光焊在鋁合金領(lǐng)域的應(yīng)用,仍然面臨著諸多挑戰(zhàn),如:激光焊涉及較多的物理變化和化學(xué)變化過(guò)程,而焊縫的機(jī)械性能對(duì)這些工藝變化過(guò)程又比較敏感等問(wèn)題,這些問(wèn)題都限制著激光焊在鋁合金領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)大,人們對(duì)此也展開(kāi)了諸多的研究[13]。

Holzer 等[14]研究了在激光焊過(guò)程中,采用10 m/min、6 m/min、4 m/min、2 m/min 四種焊接速度制作樣品,研究了揮發(fā)性元素Mg 和Zn 的汽化量與焊接速度的關(guān)系,以及焊接速度對(duì)鋁合金AA 7075 的熱裂敏性的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),揮發(fā)性元素Mg 和Zn 的汽化量在2 m/min 的焊接速度下最大。 而且,通過(guò)分析20 mm 見(jiàn)方的鋁合金焊接接頭部位金相,引入了相對(duì)熱裂紋長(zhǎng)度(Relative Hot Crack Length,RHCL)的計(jì)算方式,如式(1)所示。 同時(shí)以10 m/min 焊接速度制作的樣本,包含0.48 最高相對(duì)熱裂紋長(zhǎng)度,而以6 m/min 焊接速度制作的樣本,包含0.31 最高相對(duì)熱裂紋長(zhǎng)度,以4 m/min 和2 m/min 焊接速度制作的樣本未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。 然而也發(fā)現(xiàn),焊接速度的變化也會(huì)會(huì)影響凝固條件,這種效應(yīng)和改變?cè)貪舛鹊男?yīng)是相互疊加的,因此,這種影響比較難以分隔,在焊接AA 7075 時(shí),可能會(huì)降低甚至防止熱裂紋敏感性,但是這會(huì)伴隨元素?fù)p失。

其中,LCS:橫截面裂紋長(zhǎng)度;LLCS:縱向截面裂紋長(zhǎng)度;LSGt:研磨表面裂紋長(zhǎng)度;LSGb:研磨底面裂紋長(zhǎng)度。

AlShaer 等[15]在對(duì)AA6014 鋁合金激光焊接前,用Nd:YAG 短脈沖激光對(duì)工件表面進(jìn)行清洗,然后再利用碟片式激光器對(duì)工件實(shí)施激光焊,研究了短脈沖激光清潔對(duì)鋁合金激光焊的氣孔形成和焊縫尺寸的影響。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),納秒脈沖Nd:YAG 激光清洗可以顯著降低焊接區(qū)的孔隙率,對(duì)于搭接接頭焊縫,從沒(méi)有激光清洗的氣孔率大于10%,降低至氣孔率小于0.5%。 這是由于激光清洗基于熱燒蝕,消除了鋁合金工件表面有助于形成孔隙的污染物和氧化層,其清洗厚度可達(dá)19 μm。 同時(shí)還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)激光清洗預(yù)處理的鋁合金工件表面變得更加明亮,因此在激光焊接過(guò)程中,會(huì)反射更多的激光束能量。 這也就意味著,在激光焊接過(guò)程中,更少的能力被傳遞到基材,從而制造出更小尺寸的焊縫。

此外,Alfieri 等[16]發(fā)現(xiàn)鋁合金2024 焊縫中的孔隙率,與熱輸入量有關(guān)。 較高的熱輸入量,有利于降低完全穿透焊縫中的孔隙率,而較低的熱輸入量,可減少不完全穿透焊縫中的汽化和不穩(wěn)定引起的氣孔形成。

3 摩擦攪拌焊

摩擦攪拌焊是一種固態(tài)連接技術(shù),于1991 年由英國(guó)焊接研究所開(kāi)發(fā),是一種主要應(yīng)用于鋁合金的連接技術(shù),可以用于連接難以通過(guò)熔合工藝焊接的鋁合金,適用于大部分的鋁合金材料體系。 摩擦攪拌焊,是利用攪拌頭,促使其與工件相互摩擦產(chǎn)生熱量,而使工件摩擦部位產(chǎn)生塑性變形。 攪拌頭持續(xù)作業(yè),當(dāng)產(chǎn)生足夠熱量后,工件焊接部位達(dá)到熱塑性形態(tài),并在攪拌頭的作用下,發(fā)生流動(dòng)混合,冷卻后形成穩(wěn)定的焊縫,并達(dá)成工件焊接的目的[17]。

摩擦攪拌焊具有設(shè)備簡(jiǎn)單、耗材少和能耗低等優(yōu)勢(shì),但是摩擦攪拌焊工藝過(guò)程比較復(fù)雜,而且該連接技術(shù)的機(jī)理研究也尚未取得突破性成果,這些課題都限制著摩擦攪拌焊在鋁合金車(chē)身連接領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 為此,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)摩擦攪拌焊的工藝過(guò)程進(jìn)行了深入研究,以及焊接質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了分析,取得了一定的研究成果。

張克梁[18]研究了焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭的微觀形貌和機(jī)械性能的影響,進(jìn)而優(yōu)化了鋁合金6082 摩擦攪拌焊的工藝參數(shù)。 微觀形貌方面,隨著焊接速度的增大,焊核區(qū)晶粒尺寸逐漸減小,當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min,焊接速度為200 mm/min 時(shí),焊核區(qū)晶粒尺寸最為細(xì)小,平均晶粒尺寸為3.8 μm。機(jī)械性能方面,隨著焊接速度或旋轉(zhuǎn)速度的增大,鋁合金6082 接頭的抗拉強(qiáng)度先增大后減小。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min,焊接速度為200 mm/min 時(shí),接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值(236 MPa),為基材的74.0%。當(dāng)焊接速度過(guò)大(400 mm/min)或旋轉(zhuǎn)速度過(guò)低時(shí)接頭因存在孔洞缺陷,接頭抗拉強(qiáng)度僅為基材的61%左右。

Liu 等[19]采用焊接速度為104 mm/min,旋轉(zhuǎn)速度為1 100 rpm 的摩擦攪拌焊工藝條件,對(duì)鋁合金6061 工件進(jìn)行焊接,并采用電子背散射衍射觀察接頭的微觀結(jié)構(gòu)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與熱機(jī)械影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)顯著不同。 在熱機(jī)械影響區(qū)中觀察到更多的低角度晶界,即具有恢復(fù)的粒狀結(jié)構(gòu)的亞晶粒,比在熱影響區(qū)中觀察到更多。 這是由于摩擦攪拌焊接過(guò)程中的摩擦加熱和塑性流動(dòng),在熱機(jī)械影響區(qū)中產(chǎn)生了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒和回收晶粒。

摩擦攪拌焊工藝可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)焊槍上靈活配置不同接頭,以及鋼材和鋁材之間切換,是鋁合金連接大批量生產(chǎn)最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。 最近的研究成果,還出現(xiàn)了混合材料接頭,如鋁對(duì)鋼、鋁對(duì)鎂的接頭。 但是摩擦攪拌焊電極壽命短等問(wèn)題,也限制著摩擦攪拌焊充分發(fā)揮其潛力[20-22]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展,鋁合金及其連接技術(shù)的研究深入,鋁合金及其連接技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身制造領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的潛力。 人們也不斷嘗試多種連接技術(shù)混合使用,以及采用有限元分析模擬焊接過(guò)程,優(yōu)化工藝過(guò)程,為鋁合金的連接提供更為理想的解決方案。 相信隨著研究的不斷深入,鋁合金的連接技術(shù)難題能夠不斷得到攻克,從而使鋁合金在汽車(chē)車(chē)身得到更為廣泛的應(yīng)用。