鋁螺柱在一體式鑄鋁車身上的焊接性研究

曹久雷 李大勇 吳強 李少華 錢紅麗 吳顯波

摘要：隨著汽車輕量化的需求，鋁質材料越來越多的應用在車身上，特別是在一體式鑄鋁上焊接鋁螺柱。由于鋁合金材料特性決定了鋁合金焊接性較差，包括：焊接變形大、易產生氣孔、夾渣，接頭質量不穩定，易燒穿及易產生裂紋等等。為解決以上問題，本文主要介紹了應對一體式鑄鋁車身帶來的鋁螺柱焊的工藝性研究，主要有焊接工藝特性、可焊性試驗驗證、接頭質量影響因素及評價、焊接應用可行性分析及常見缺陷的優化策略等。

關鍵詞：鑄造車身；一體化車身；鋁合金；螺柱焊；焊接參數

隨著電動汽車的迅速發展，續駛里程的訴求帶來了輕量化需求。從目前技術和成本應用來看，鋁合金的性能、密度以及價格等多方面具備優勢，是最具有性價比的輕量化材料。

目前白車身采用鋁合金一體式壓鑄成為趨勢。所謂的一體式壓鑄技術，指通過大噸位壓鑄機，將多個單獨、分散的鋁合金零部件高度集成，再一次成型壓鑄為一個大型鋁鑄件，替代傳統的多個零部件，先沖壓再焊接在一起的新鑄造方式。相對應的連接螺柱也由鋼螺柱替換成鋁螺柱，鋁螺柱的連接成為新的研究課題。

鋁螺柱焊接電極特性

在正接模式下，板材表面被難分解氧化膜阻擋難以發出金屬正離子，導致引弧困難，焊接過程中能量集中于板材，熱量過高容易燒穿母材。但在反接模式下，螺柱發射大質量的金屬正離子撞擊板件表面氧化膜，有助于氧化膜破碎。并且焊接過程中能量集中于螺柱，有助于螺柱受熱融化，板材接受的熱量不致過高，變形小。因此鋁螺柱焊大多采用反接模式，主要有直流反接和交流反接，如圖1所示。

鋁螺柱焊接試驗準備

1.試驗設備

試驗室使用設備為鴻栢PIDS鋁合金螺柱焊接系統（配置M5/M6/M8手動焊槍）。設備原理：直流脈沖波形，利用小電流長時間擊穿鋁材氧化膜，主要熔化母材形成熔池，實現鋁螺柱與母材連接。圖2所示為試驗設備實物圖及原理圖。

2.試驗材料

試驗材料見表１，為M5/M6/M8鋁合金螺柱/螺母（AlMg5）；3mm鑄鋁（AlSi10MnMg）。

3.保護氣體設計

保護氣選擇高純度氬氣（＞99.99%）—Ar陰極霧化作用強，有利于鋁合金表面氧化膜破碎清理，或者（75%Ar+25%He）混合氣體—He能夠增加電弧熱功率，但陰極霧化作用較Ar弱，并且成本較高。氣體的流量選擇不是越大越好，流量過大會造成紊流，導致熔池保護不充分，空氣與熔池金屬發生反應，降低接頭性能，而且產生焊接氣孔的傾向增加。一般鋁合金螺柱焊保護氣流量為8～12L/min。焊接面是曲面（彎曲半徑≥300mm）時，必須使用保護氣罩，如圖3所示，防止保護氣溢出。

4.接地設計

螺柱焊系統接地設計：每臺焊機接地數量至少2個，大件需4個以上，且相對螺柱位置對稱分布。分線排至各接地極的線纜長度相等。每臺焊機必須單獨接地，不能共用接地極。接地極底座與夾具間須做絕緣處理，保證焊接電流直接通過接地線纜形成回路；多層板通過涂膠、SPR、Clinch等機械方式連接時，需要至少1個接地極直接與螺柱焊接側板件接觸。圖4所示為是螺柱焊系統接地示意圖。

5.檢測工具

試驗采用彎矩扳手進行彎矩檢測，采用數顯游標卡尺進行破壞扭矩檢測，如圖5所示。主要評價指標有：靜態彎矩，即螺柱保持不彎曲的最大彎矩；變形彎矩，即螺柱發生彎曲但未被破壞的最大扭矩；破壞彎矩，即螺柱彎曲至接頭斷裂的最大扭矩；承載扭矩，即用扭矩扳手擰緊匹配螺母直至接頭被破壞，記錄螺柱接頭承載的最大扭矩。

6.試驗質量評價

接頭質量評價分為外觀質量、強度質量和剖面質量。外觀質量缺陷主要有：表面氣孔、焊環不對稱、焊瘤、螺牙燒損、過融合/燒穿、未熔合、飛濺及咬邊等；剖面質量缺陷主要有：螺柱與板材未熔合、穿透型氣孔、密集氣孔、夾渣、裂紋及咬邊等[1] [2]。評價標準如表2所示。

表2為鋁螺柱焊外觀、強度及剖面質量評價表。

試驗結果及分析

1.鋁螺柱焊接接頭質量關聯關系試驗數據

采用DOE全因子試驗，僅采用M6凸焊螺柱+3mm鑄鋁（AlSi10MnMg）試片，主要焊接參數為：焊接電流/A（700、800、900），焊接時間/ms（20、30、40），提升高度/mm（1.0、1.5、2.0）。主要評價外觀質量、靜態彎矩、承載扭矩及接頭融化量等，鋁螺柱焊接接頭質量關聯關系如圖6所示。

2.參數單獨影響

接頭融化量與焊接電流、焊接時間、提升高度均為正相關關系：焊接電流越大，焊接時間越長，提升高度越高，接頭融化量越多。根據曲線斜率判斷，影響因素由大到小排序為：焊接時間＞焊接電流＞提升高度，如圖7所示。

3.多參數綜合影響

在焊接電流相同情況下，焊接時間/提升高度的關系：焊接時間增加，提升高度對融化量的影響增大（曲線斜率隨時間增加而增大）；不同提升高度下，焊接時間對融化量的影響增大（曲線斜率隨時間增加而增大）；提升高度相同時，焊接時間增加，焊接電流對融化量的影響減小（曲線間距隨時間增大而越小）；焊接時間相同時，不同提升高度下，焊接電流對融化量的影響無明顯變化（曲線間距基本相同）。焊接電流相同下的參數關系曲線如圖8所示。

在焊接時間相同，焊接電流/提升高度的關系：不同焊接電流下，提升高度對融化量的影響無明顯變化（曲線斜率基本一致）；不同提升高度下，焊接電流對融化量的影響無明顯變化（曲線斜率基本一致）；提升高度相同時，焊接電流增加，焊接時間對融化量的影響減小（曲線間距隨時間增大而越小）；焊接電流相同時，提升高度增加，焊接時間對融化量的影響增大（曲線間距隨時間增大而增大）。焊接時間相同下的參數關系曲線如圖9所示。

在提升高度相同情況下，焊接時間/焊接電流的關系：焊接時間增加，焊接電流對融化量的影響減小（曲線斜率隨時間的增加而減小）；焊接電流增加，焊接時間對融化量的影響減小（曲線斜率隨時間的增加而減小） ；焊接電流相同時，焊接時間增加，提升高度對融化量的影響增大（曲線間距隨時間增大而增大）；焊接時間相同時，不同焊接電流下，提升高度對融化量的影響無明顯變化（曲線間距基本相同）。提升高度相同下的參數關系曲線如圖10所示。

結語

一般情況下，考慮現場設備選型及布局，提升高度及保護罩設計相對固定（按照1.5mm設計），通過調整焊接電流和焊接時間來滿足接頭質量的要求。通過多組試驗得出，對于厚度約3mm的鑄鋁材料（AlSi10MnMg），M5/M6/M8鋁螺柱的焊接性良好，數據如下：M5螺柱接頭靜態彎矩約為2.5N·m，變形彎矩約為3.0N·m，破壞彎矩約為3.5N·m；最大承載扭矩約為4N·m左右；M6螺柱接頭靜態彎矩約為5.0N·m，變形彎矩約為5.5N·m，破壞彎矩約為6.0N·m；最大承載扭矩約為8N·m左右；M8接地螺柱接頭最大承載扭矩約為14.0N·m左右。鋁螺柱焊接質量測試情況如圖11所示。

如圖12所示，針對用量最多的M6鋁螺柱，在3mm鋁合金鑄件（ AlSi10MnMg ），在提升高度為1.5mm的情況下，最優焊接區間為焊接電流800～900A，焊接時間30～46ms；可焊區間隨著焊接電流和焊接時間的增大而逐漸收窄。

參考文獻

[1] 武英海.螺柱焊工藝評定試驗[J].金屬加工 （熱加工），2016（6）：30-31.

[2] 郭中付，宋亞東.螺柱焊在車身焊接工藝中的 應用[J].汽車實用技術，2014（5）：101