鋁合金攪拌摩擦焊在汽車上的應用

2021-06-07 06:23:02趙啟洲鐘萬澤姚智文周春偉

科技創新與應用 2021年14期

趙啟洲，唐強，李斌，王晨，范佳，陳鵬，鐘萬澤，姚智文，王歡，周春偉

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧遼陽111003）

近30年來，隨著先進科學技術的高速發展、環境壓力和能源壓力的增大，工業生產中對汽車、飛機等產品的性能要求也在逐漸增高。同時，世界性能源問題變得越來越嚴重，這使得減輕汽車自重、降低油耗成為各大汽車生產廠提高競爭力的關鍵。鋁具有密度小、耐蝕性好等特點，且鋁合金的塑性優良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，非常適合汽車零部件生產的擠壓、機加工藝，所以目前鋁合金作為有色金屬結構材料，在航空航天領域、兵器業領域，以及汽車領域中的應用越來越廣泛。本文主要對汽車行業應用鋁合金攪拌摩擦焊（簡稱FSW）作出一定的論述。

1 鋁合金攪拌摩擦焊的焊接性

普通的弧焊如MIG、TIG焊接對于鋁合金來說同樣適用。但是由于鋁合金的材質特殊性，使得焊接時需要進行打磨防止氧化，因此比較費時費力。并且焊接的接頭處在熱循環的作用下組織變化較大，因而容易造成接頭處力學性能的下降。

鋁合金具有重量輕、抗腐蝕、易成型等優點。隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現使得這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦艇、汽車等工業制造領域得到了越來越廣泛的應用。同時因為鋁及其合金的熱膨脹系數大會引起變形；易氧化焊接時需要用惰性氣體保護；焊接時易產生氣孔、熱裂紋，以及熱影響區的軟化、強度降低等問題。為了解決以上問題攪拌摩擦焊的產生作為一種新的焊接方式逐漸在鋁及其合金的焊接中廣泛應用。

攪拌摩擦焊，它是由英國焊接研究所于1991年發明的專利焊接技術。攪拌摩擦焊的焊接熱源是由摩擦熱和塑性變形熱提供出來的，攪拌摩擦焊的攪拌針是一個圓柱體或者其他形狀制成來伸入需要焊接的接縫處，這也是與傳統弧焊進行焊接的不同之處。通過攪拌針的高速旋轉，使其與鋁合金工件材料的摩擦，使連接部位的材料溫度升高軟化實現融合。

在攪拌摩擦焊時，鋁合金對接板材之間對接面上的氧化物會在攪拌針旋轉和平動過程中被打碎，并在攪拌頭后部形成致密的接頭，同時氧化物分散分布在接頭中。

攪拌摩擦焊的本質就是一個焊縫材料體積不變的過程。FSW的原理就是焊接探頭的攪拌針一邊旋轉一邊沿焊縫的結合處指定方向移動，鋁合金在摩擦熱的作用下軟化，并且由于焊接探頭的旋轉產生塑性流動從而被結合（如圖1所示）。結合部的溫度在鋁合金的熔點（660℃）以下，所以很容易進行焊接。

2 鋁合金FSW的亮點

（1）攪拌摩擦焊的焊接接頭性能良好，無明顯缺陷。由于FSW屬于固相焊，焊接時的溫度低于鋁合金熔點，因此能夠得到組織與母材相近的焊接接頭且工件變形小；焊接接頭不易產生弧焊凝固過程中出現的裂紋、氣孔等缺陷；焊后沒有色澤變化。

（2）焊接所需輔助設備少，大批量生產成本低。不需填充材料和保護氣體如氬氣等；焊前準備工序簡單；厚板焊接不需開坡口；接合機構簡單，易于管理和節能。

（3）操作簡單方便同時比較安全易于實現機械化、自動化，焊接過程穩定。

（4）不污染環境，不產生飛濺或難聞的煙氣，也不發生紫外線或紅外線等有害光線。

3 鋁合金FSW在汽車上的應用

近年來，鋁合金材料在汽車上的應用越來越廣泛。很多汽車行業都采用鋁合金零件來代替傳統的鋼制零件來減輕整車的重量，進而達到節能環保的目的。尤其是現如今的很多新能源汽車更是進行整車鋁合金的結構優化，從而達到減輕整車重量，續航更持久的功效。例如，特斯拉汽車、吉利汽車、奇瑞汽車，以及江鈴新能源汽車等都在鋁合金車身的應用上進行了飛躍式的改革。

（1）如圖2的某汽車前縱梁后段的兩部分型材連接形式為管-管對接，選擇攪拌摩擦焊來對此位置進行焊接。