汽车轻量化先进焊接技术研究进展

摘要：随着能源和环境问题的日益突出，汽车轻量化成为汽车工业的发展趋势。采用高强度钢、镁、铝合金等轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径之一。 介绍了几种常用轻量化金属材料及其焊接特性。 对国内外车身结构轻量化先进焊接技术的研究进展进行了综述，包括激光焊、激光 - 电弧复合焊、冷金属过渡焊接技术、搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊和 Delta spot 电极带式电阻点焊。

关键词：汽车轻量化；先进焊接技术

我国汽车保有量和销售量逐年上升，使得我国石油对外依存度逐年上升，节能降耗已刻不容缓。迫于国家对汽车燃油消耗量逐渐降低的要求，各大汽车厂商纷纷抓紧了对新能源汽车尤其是电动汽车的研制与推广，电动汽车的销量正逐渐上升。与传统燃油汽车相比，电动汽车目前所使用的动力电池的比能量比燃油的比能量小很多，且电池的引入大幅增加了汽车的整车质量，这使得电动汽车的续航里程远不如传统燃油汽车，因此加快对电动汽车的轻量化显得十分迫切。

1 轻量化材料及其焊接特性

高强度钢是目前使用最广、 最成熟的轻量化材料。 采用高强度钢材料，原 1.0～1.2mm 厚的车身钢板可减薄至 0.7mm。 但是超高强度钢对热输入较敏感，采用传统熔化焊时容易产生较大变形；另外，高强度钢具有较高的碳当量， 其伸长率通常随着强度的增加而降低。进行电阻点焊时，通水强冷的电极导致焊点急冷，焊点处裂纹倾向较大。如何避免焊接变形、降低冷裂倾向成为高强度钢的焊接新课题。铝合金具有储量高、 密度低、 耐腐蚀性好等优点， 已经成为仅次于钢材使用量的轻质材料。 由于铝合金具有强氧化性、导热系数大、导电性好以及线膨胀系数大的特点，导致在焊接时热变形大，尺寸精度不易控制，容易产生气孔、合金元素烧损等缺陷；另外，限于开发高性能铝合金的工艺不够成熟，生产成本高，一些中高端车型通常采用钢 / 铝复合车身。

2 轻量化先进焊接技术

2.1 激光焊、激光 - 电弧复合焊

激光焊是一种利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法， 被广泛地应用在汽车变速箱的齿轮等零部件、板材拼接、车身框架的生产制造中。 与传统焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小的优点。对比了 Q345 钢板激光焊与气体保护焊的焊接变形及残余应力， 并利用 Abaqus 软件计算了两种焊接方法的焊接温度场、 焊接变形及残余应力，试验与计算结果表明，由于激光焊单位长度的热输入比气體保护焊小，且上下表面温差较小，采用激光焊时的焊接变形和残余应力均小于气体保护焊。可以看出， 激光焊接 Q345 低合金高强度薄板相对气体保护焊更具有优势。对镁合金的激光焊气孔问题进行了试验研究，结果表明，变形镁合金、砂铸镁合金、压铸镁合金气孔率依次升高。 激光焊焊接时，由于熔池深而窄不利于焊缝内气体逸出，当功率参数设置不当、 保护气体角度及流量不合适时容易造成气孔等缺陷，应加以重视。随着激光焊在工业中应用增多， 其不足也逐渐突显出来。在焊接过程中，等离子体云对激光的吸收与反射作用会导致能量转换效率低， 而且激光焊装配精度要求较高，焊缝处存在凹陷等。把激光与其它能量形式结合起来进行复合焊接，如激光 -MIG 焊、激光 -MAG 焊等，能充分利用电弧焊间隙适应性强的优点， 可以大大提高焊接速度、 改善焊缝成形质量。 目前，激光 - 电弧焊在汽车生产制造中也得到了应用， 大众辉腾铝合金车门激光焊焊缝 11 条，约1030mm ，激光 -MIG 复合焊缝 48 条，约 3570mm ；奥迪 A8 车框焊接用到了 4.5m 长的激光复合焊缝。图 1 为不同焊接方法相同熔深情况下的焊缝成形，激光焊焊缝较窄、焊缝表面凹陷，电弧焊焊缝宽、余高大，复合焊居中。 5 系、 6 系铝合金是目前在汽车工业中最具有应用前景的轻量化材料， 为研究异种金属的激光 - 电弧焊焊接适应性， 相关学者做了大量研究。

2.2 冷金属过渡焊接技术

冷金属过渡焊接（ CMT ）技术是在短路过渡的基础上设计的， 但是 CMT 焊接熔滴接触到熔池发生短路时， 焊接电流瞬间降至几乎为零， 可以降低15%～30% 的焊接热输入量。另外， CMT 焊通过对焊丝以高达 100Hz 送丝 - 回抽的机械转换使熔滴脱落进入熔池，而此时的焊接电流几乎为零，因此该熔滴过渡过程相对 MIG 、 MAG 焊几乎无飞溅。当焊丝接正极时，电弧热量主要作用于母材，不仅可以增加熔深，还有助于在焊接铝合金时清理铝合金表面的氧化膜；当焊丝接负极时，大部分电弧热量用于熔化焊丝，增加焊丝熔化量，对间隙较大的工件有较好的连接能力， 因此， 通过调节交流CMT 焊接过程中的正负半波占比，可以实现精确控制焊接热输入及熔敷效率以适应不同的工件需求。

2.3 搅拌摩擦焊及搅拌摩擦点焊

搅拌摩擦焊是一种新型固相焊技术， 通过高速旋转的搅拌头和工件摩擦产生热量作为热源，使母材处于热塑性状态。与传统焊接相比， FSW 不需要消耗焊丝、焊剂、保护气等材料，无飞溅、无烟尘、能有效避免气孔及显微裂纹，且由于热输入较低，不受异种材料物理化学性质及晶体结构的影响，可有效控制 IMC 的形成，在焊接铝、镁合金及钢 - 铝异种金属时具有较大优势，被誉为继激光焊后又一革命性的焊接技术。目前，搅拌摩擦焊已在轮毂、发动机、底盘支架、车体框架、车门等零部件中得到应用。但是搅拌摩擦焊也有不足之处，如施焊时需将工件进行刚性固定， 焊接结束后会在根部留下凹孔。

2.4 电极带式电阻点焊

电阻点焊是在压紧的两个工件间通入电流，由电阻焦耳热效应提供热源， 将工件加热到熔化或塑性状态进行连接的一种压焊方法，其自动化程度高、焊接时间短、效率高，另外，不需要填充焊丝，成本低，因此被广泛应用在汽车生产制造中。电阻点焊是目前最主要的白车身焊接方法， 一台轿车上的焊点可以达到 3000～6000 个。 近年来，中外科研人员对电阻点焊的应用做了大量研究。随着汽车轻量化进程的推进， 高强钢及铝合金在车身上得到广泛应用，钢 - 铝复合接头越来越多。 但是由于铝合金的电阻远小于钢，因此需要更大的焊接能量，约为钢的 4倍；另外，铝合金熔点较低，焊接过程中熔化的材料很容易附着在电极上，导致电极产生电阻热不稳定，因此每焊接 300 个左右的焊点就需要更换或者清理电极，严重影响生产连续性。

3结束语

轻量化设计的任务是在最小的构造质量下，达到最大限度的使用范围，汽车轻量化对汽车节油、降低排放、改善性能、汽车产业健康发展都具有重要意义，是低碳时代汽车技术的发展方向。国产汽车轻量化目标是2013年目标车型中的燃油轿车减重5% ～8% 、混合动力客车减重10% 。

参考文献：

[1] 刘媛媛. 内高压成形技术在汽车轻量化中的应用[J]. 价值工程. 2017（19）.

[2] 王祝堂. 镁将成为下一代汽车轻量化主要材料[J]. 轻合金加工技术. 2014（08）.

[3] 宋振官. 600MPa级汽车轻量化轮辐用钢的研制[J]. 轧钢. 2017（02）.

（作者单位：江西昌河汽车有限责任公司）

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