汽車輕量化先進焊接技術研究進展

曲家宇

摘要：隨著能源和環境問題的日益突出，汽車輕量化成為汽車工業的發展趨勢。采用高強度鋼、鎂、鋁合金等輕量化材料是實現汽車輕量化的重要途徑之一。 介紹了幾種常用輕量化金屬材料及其焊接特性。 對國內外車身結構輕量化先進焊接技術的研究進展進行了綜述，包括激光焊、激光 - 電弧復合焊、冷金屬過渡焊接技術、攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點焊和 Delta spot 電極帶式電阻點焊。

關鍵詞：汽車輕量化；先進焊接技術

我國汽車保有量和銷售量逐年上升，使得我國石油對外依存度逐年上升，節能降耗已刻不容緩。迫于國家對汽車燃油消耗量逐漸降低的要求，各大汽車廠商紛紛抓緊了對新能源汽車尤其是電動汽車的研制與推廣，電動汽車的銷量正逐漸上升。與傳統燃油汽車相比，電動汽車目前所使用的動力電池的比能量比燃油的比能量小很多，且電池的引入大幅增加了汽車的整車質量，這使得電動汽車的續航里程遠不如傳統燃油汽車，因此加快對電動汽車的輕量化顯得十分迫切。

1 輕量化材料及其焊接特性

高強度鋼是目前使用最廣、 最成熟的輕量化材料。 采用高強度鋼材料，原 1.0～1.2mm 厚的車身鋼板可減薄至 0.7mm。 但是超高強度鋼對熱輸入較敏感，采用傳統熔化焊時容易產生較大變形；另外，高強度鋼具有較高的碳當量， 其伸長率通常隨著強度的增加而降低。進行電阻點焊時，通水強冷的電極導致焊點急冷，焊點處裂紋傾向較大。如何避免焊接變形、降低冷裂傾向成為高強度鋼的焊接新課題。鋁合金具有儲量高、 密度低、 耐腐蝕性好等優點， 已經成為僅次于鋼材使用量的輕質材料。 由于鋁合金具有強氧化性、導熱系數大、導電性好以及線膨脹系數大的特點，導致在焊接時熱變形大，尺寸精度不易控制，容易產生氣孔、合金元素燒損等缺陷；另外，限于開發高性能鋁合金的工藝不夠成熟，生產成本高，一些中高端車型通常采用鋼 / 鋁復合車身。

2 輕量化先進焊接技術

2.1 激光焊、激光 - 電弧復合焊

激光焊是一種利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法， 被廣泛地應用在汽車變速箱的齒輪等零部件、板材拼接、車身框架的生產制造中。 與傳統焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊縫深寬比大、熱影響區小、焊接變形小的優點。對比了 Q345 鋼板激光焊與氣體保護焊的焊接變形及殘余應力， 并利用 Abaqus 軟件計算了兩種焊接方法的焊接溫度場、 焊接變形及殘余應力，試驗與計算結果表明，由于激光焊單位長度的熱輸入比氣體保護焊小，且上下表面溫差較小，采用激光焊時的焊接變形和殘余應力均小于氣體保護焊。可以看出， 激光焊接 Q345 低合金高強度薄板相對氣體保護焊更具有優勢。對鎂合金的激光焊氣孔問題進行了試驗研究，結果表明，變形鎂合金、砂鑄鎂合金、壓鑄鎂合金氣孔率依次升高。 激光焊焊接時，由于熔池深而窄不利于焊縫內氣體逸出，當功率參數設置不當、 保護氣體角度及流量不合適時容易造成氣孔等缺陷，應加以重視。隨著激光焊在工業中應用增多， 其不足也逐漸突顯出來。在焊接過程中，等離子體云對激光的吸收與反射作用會導致能量轉換效率低， 而且激光焊裝配精度要求較高，焊縫處存在凹陷等。把激光與其它能量形式結合起來進行復合焊接，如激光 -MIG 焊、激光 -MAG 焊等，能充分利用電弧焊間隙適應性強的優點， 可以大大提高焊接速度、 改善焊縫成形質量。 目前，激光 - 電弧焊在汽車生產制造中也得到了應用， 大眾輝騰鋁合金車門激光焊焊縫 11 條，約1030mm ，激光 -MIG 復合焊縫 48 條，約 3570mm ；奧迪 A8 車框焊接用到了 4.5m 長的激光復合焊縫。圖 1 為不同焊接方法相同熔深情況下的焊縫成形，激光焊焊縫較窄、焊縫表面凹陷，電弧焊焊縫寬、余高大，復合焊居中。 5 系、 6 系鋁合金是目前在汽車工業中最具有應用前景的輕量化材料， 為研究異種金屬的激光 - 電弧焊焊接適應性， 相關學者做了大量研究。

2.2 冷金屬過渡焊接技術

冷金屬過渡焊接（ CMT ）技術是在短路過渡的基礎上設計的， 但是 CMT 焊接熔滴接觸到熔池發生短路時， 焊接電流瞬間降至幾乎為零， 可以降低15%～30% 的焊接熱輸入量。另外， CMT 焊通過對焊絲以高達 100Hz 送絲 - 回抽的機械轉換使熔滴脫落進入熔池，而此時的焊接電流幾乎為零，因此該熔滴過渡過程相對 MIG 、 MAG 焊幾乎無飛濺。當焊絲接正極時，電弧熱量主要作用于母材，不僅可以增加熔深，還有助于在焊接鋁合金時清理鋁合金表面的氧化膜；當焊絲接負極時，大部分電弧熱量用于熔化焊絲，增加焊絲熔化量，對間隙較大的工件有較好的連接能力， 因此， 通過調節交流CMT 焊接過程中的正負半波占比，可以實現精確控制焊接熱輸入及熔敷效率以適應不同的工件需求。

2.3 攪拌摩擦焊及攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦焊是一種新型固相焊技術， 通過高速旋轉的攪拌頭和工件摩擦產生熱量作為熱源，使母材處于熱塑性狀態。與傳統焊接相比， FSW 不需要消耗焊絲、焊劑、保護氣等材料，無飛濺、無煙塵、能有效避免氣孔及顯微裂紋，且由于熱輸入較低，不受異種材料物理化學性質及晶體結構的影響，可有效控制 IMC 的形成，在焊接鋁、鎂合金及鋼 - 鋁異種金屬時具有較大優勢，被譽為繼激光焊后又一革命性的焊接技術。目前，攪拌摩擦焊已在輪轂、發動機、底盤支架、車體框架、車門等零部件中得到應用。但是攪拌摩擦焊也有不足之處，如施焊時需將工件進行剛性固定， 焊接結束后會在根部留下凹孔。

2.4 電極帶式電阻點焊

電阻點焊是在壓緊的兩個工件間通入電流，由電阻焦耳熱效應提供熱源， 將工件加熱到熔化或塑性狀態進行連接的一種壓焊方法，其自動化程度高、焊接時間短、效率高，另外，不需要填充焊絲，成本低，因此被廣泛應用在汽車生產制造中。電阻點焊是目前最主要的白車身焊接方法， 一臺轎車上的焊點可以達到 3000～6000 個。 近年來，中外科研人員對電阻點焊的應用做了大量研究。隨著汽車輕量化進程的推進， 高強鋼及鋁合金在車身上得到廣泛應用，鋼 - 鋁復合接頭越來越多。 但是由于鋁合金的電阻遠小于鋼，因此需要更大的焊接能量，約為鋼的 4倍；另外，鋁合金熔點較低，焊接過程中熔化的材料很容易附著在電極上，導致電極產生電阻熱不穩定，因此每焊接 300 個左右的焊點就需要更換或者清理電極，嚴重影響生產連續性。

3結束語

輕量化設計的任務是在最小的構造質量下，達到最大限度的使用范圍，汽車輕量化對汽車節油、降低排放、改善性能、汽車產業健康發展都具有重要意義，是低碳時代汽車技術的發展方向。國產汽車輕量化目標是2013年目標車型中的燃油轎車減重5% ～8% 、混合動力客車減重10% 。

參考文獻：

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（作者單位：江西昌河汽車有限責任公司）