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的發展進步，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展規劃，實現經濟效益和環保效益和諧統一的目標。據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容展開討論。

關鍵詞：汽車制造;鋁合金焊接技術;應用內容

中圖分類號：U466收稿日期：2022-05-16

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.020

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

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，汽車輕量化已經成為各大汽車企業產品設計的目標。而在輕量化發展體系內，中高強鋼結構、鋁和鋁合金結構、鎂和鎂合金結構等輕質金屬將逐步替代傳統鋼板結構，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%，替代傳統材料能有效實現整車減重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，基于節能環保的發展理念，鋁合金是較為環保的應用材料，滿足節能降耗的要求，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，激光技術能維持統籌應用效果。另外，在鋁合金汽車制造工藝體系內，焊接長度在20～30m之間時，激光焊接作業能替代傳統的MAG焊接、電阻焊等傳統操作模式（表1），在滿足質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，并在特定環境下透過密閉透明物體后還能實現鋁合金焊接處理，在優化焊接工藝水平的基礎上，保障整體焊接質量。

比如，大眾Audi A2轎車制造環節中，就采取鋁合金激光焊接技術模式，焊縫長度為30m。

a.車身鑄造環節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控，最大程度上避免了安全隱患現象的留存。

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，難免會出現蒸發問題，必然會對鋁合金材質強化效果產生影響，甚至會出現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、優化工藝參數等，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會對接頭的力學性能產生不同程度的影響，甚至會出現形變或者是色變等情況?；诖?，激光-電弧復合焊技術也在不斷升級和優化，而針對其產生的問題，要建立新型焊接技術模式，有效規避焊接操作中產生的問題。攪拌摩擦焊也成為鋁合金車身制造產業中應用較為廣泛的技術體系之一[5-7]。

a.特點。

相較于傳統的技術模式，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，并且借助高速旋轉處理和攪拌摩擦處理，應用其產生的熱量完成金屬位置的打磨，有效形成熱塑性處理環境，并配合攪拌頭壓力保證前端向后端實現塑性的合理性流動，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域，主要包括焊核區域、熱影響區域、熱形變影響區域，要結合具體的焊接處理要求保證不同區域應用的規范性。在攪拌頭的中間位置會設置晶粒結構，其產生的焊接操作區域就是焊核區域，金屬在摩擦熱的影響下會逐漸出現形態的變化，從初級形變逐步轉變為塑性變形。同時，利用再結晶的處理方式，將其設置為環狀結構。

b.優勢。

第一，攪拌摩擦焊接技術最大的優勢在于焊接接頭的基礎性能參數較好，在焊接過程中，鋁合金車身要經歷塑性變形到動態再結晶的過程，此時焊縫的形成能最大程度上維持其穩定性。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控制在熱影響區規定范圍內。

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也會隨之降低，避免對周圍環境產生更多的影響[8]。

第三，攪拌摩擦焊接技術基于其特殊性，能大大減少飛濺、煙塵等環境問題，滿足環保化焊接處理的需求，打造環保效能和經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時，會在焊縫的端部出現鑰孔現象，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。

3 汽車制造產業鋁合金焊接工藝發展

傳統的單一化技術已經逐漸無法滿足汽車制造行業的實際需求，因此，實現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，其質量更輕、強度更高，具有較高的吸能性質和阻尼特性，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 技術優勢

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

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高能量密集處理，保證大加熱區域的控制效果最優化。并且激光-電弧復合焊的熱輸入形態較為合理，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，能在維持電弧穩定性的基礎上有效整合控制效果，發揮電弧焊技術的優勢作用，配合電弧等離子體進行光子吸收，并且能更好地優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，可實現焊接效能的優化。

4 結語

汽車制造產業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，發揮相應技術的優勢作用，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勢和弊端的同時，為汽車制造行業發展提供更為廣闊的技術空間，促進汽車制造行業可持續健康發展。

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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。