汽车铝合金焊接新技术

汽车铝合金焊接新技术

王志刚,江游

比亚迪汽车工业有限公司  深圳 518000

摘要：铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等综合性能，使得铝合金成为航空、铁路运输、建筑等许多制造行业的一种重要金属材料。并且，随着我国汽车产业的发展，无论是安全性能还是节能减排，可提高汽车整体强度，使得铝合金成为汽车轻量化的重要材料之一。因此，铝合金焊接技术已成为汽车制造业的基本工艺之一，本文主要对汽车铝合金车身焊接新工艺和新方法进行了探讨和分析研究。

关键词：汽车；铝合金；焊接技术

引言

近年来，由于节能环保的要求日益严格，汽车轻量化便已成为世界汽车发展的必然趋势。对于燃油车辆，车身质量每下降10%，燃料效率就可以提高6%-8%；对于纯电动车辆，车身质量减轻100公斤，汽车续航可提高10%。车身质量约占汽车总质量的40%，车身轻量化最重要的是使用铝合金材料。铝密度仅为钢密度的1/3，具有良好的塑性和可回收性，是汽车轻量化的理想材料之一。铝合金车身比钢制车身具有更高的连接技术要求和更高的技术难度，而铝合金点焊(RSW)、自冲铆接(SPR)、自攻热铆接(FDS)、激光焊接(LW)等技术在连接过程中是铝合金车身常用的连接方法，与其他几种连接方法相比，铝点焊具有设备投资低、无需使用辅助材料、适配板的柔性厚度以及连接后板材表面没有较高的间隙等优点，正被越来越多的汽车厂家所使用。

1汽车制造中铝合金焊接技术概述

一方面，由于全球能源紧张等因素，汽车燃料消费受到越来越多的关注，因此，汽车轻量化已成为大型汽车企业产品设计的重点。作为轻型发展系统的一部分，轻型金属，如中高端钢结构、铝和铝合金结构、镁和镁合金结构，将逐步取代在轻型汽车车身系统中广泛使用传统钢结构，这是因为铝的重量比钢结构少60%，相较于传统的钢结构，车身实际上可以减少45%以上的总重量，而且铝和铝合金在承受同样的冲击强度时可以吸收更高的冲击能量。另一方面，基于节能环保的发展理念，铝合金是符合节能降耗要求的更加环保的应用材料，铝合金零部件回收率较高。总之，将铝合金焊接技术有效地融入汽车制造过程具有重要的现实意义。

2汽车车身铝合金焊接中存在的问题

汽车工业对能源和环境问题的影响越来越大，使汽车工业的轻量化发展成为一种不可或缺的趋势，不仅节约能源和减少排放，而且提高汽车工业的绩效和质量。铝合金作为轻型汽车制造的基本材料，但是，在实践中，焊接技术存在以下问题:在铝合金车身焊接过程中，由于铝合金材料的特性，焊接接头易出现焊接气孔；铝合金表面致密的氧化层密度较高、熔点高，表面处理难以完全清除氧化层，焊接过程中，容易出现未熔化、未焊接的区域；焊机需要更高的性能。此外，在实际焊接过程中，由于所用焊接方法的类型、类型和影响，铝合金车身焊接过程中可能会出现不同的裂纹，并且由于接头形状越来越复杂，分布特征也越来越复杂。

3汽车制造中的铝合金焊接新技术

3.1  铝合金车身连接技术

与传统钢相比,铝在晶体结构和物理性能上有很大差异。钢的熔点为1536℃,而铝仅为660℃,但铝的热膨胀系数是钢的两倍,导热系数是钢的四倍,这使得传统的焊接工艺难以实现铝合金的可靠连接。目前,解决新能源汽车车身轻量化连接的主要技术途径有:冷金属过渡焊、自适应电阻点焊、激光焊、激光电弧组合焊、搅拌摩擦焊、套管连接、自旋螺杆连接、粘结连接或结合使用多种方法完成轻量化车身连接。在材料和工艺方面,轻量化有几种工艺路线,每家公司都采取了不同的工艺路线。

(1)电阻点焊(RSW):电阻点焊是焊接工艺的传统方法。现阶段,必须从电源和焊枪入手,解决传统铝电极使用寿命短、生产效率低的问题。

(2)电弧焊:由于铝熔点低,热导率和电导率明显高于钢,导致焊接变形和焊接应力增加,因此必须采用低热输入或高能量密度的焊接工艺,如冷金属,激光焊接和等离子弧焊技术。由于铝合金吸收热量后容易产生集中热应力,导致板材严重变形甚至开裂,因此，冷金属过渡焊在这方面具有独特的优势，可以有效防止变形和裂纹。为了满足部件装配间隙对高能量密度弧焊的要求,激光焊、等离子弧焊、激光弧焊在未来也有一定的发展前景。

(3)自冲铆接(SPR)是一种机械冷连接技术,其独特的连接方式有效地克服了铝合金、镁合金等轻金属材料的导电率高、导热速度快、比热容小、易氧化等对焊接不利的影响因素,以及使用传统连接方式进行焊接的困难。其过程主要包括:定位,预压,挤压,射击,膨胀和形成。

(4)无钉冲铆(Clinching)是一种机械连接技术,它利用板材自身的冷变形能力进行压力加工,使板材产生局部变形,并将板材连接在一起。

(5)搅拌摩擦焊(FSW)是一种可用于焊接各种合金的固体焊接技术。与传统的焊接工艺相比,搅拌摩擦焊过程没有污垢、烟雾,不需要添加电线和保护气体,接头无裂纹；与普通摩擦焊相比,它不受轴的限制,可以焊接直缝。此外,该方法还具有许多优点,如接头机械性能好,节能,无污染,焊接前准备要求低。由于铝和铝合金的熔点较低,更适合搅拌摩擦焊接。

3.2  汽车车身铝合金点焊

车用铝合金主要包括5×(Al-Mg系列)、6×(Al-Mg-Si系列)和少量2×(Al-Cu系列)、7×(Al-Zn-Mg系列)。其中5×铝合金的热强度不高，焊接性能良好，但成型后可能有轻微弯曲的钎焊接头，影响产品质量，因此主要用于复杂的零件，如内板。6×铝合金可通过Mg、Si和Mg2Si固溶热处理得到增强，烘烤后颜色效果更强，耐受性更强。这适用于具有所需强度较高的区域，例如外板、车身框架等。

铝合金表面致密的氧化层密度较高、熔点高，表面处理难以完全清除氧化层，焊接过程中，容易出现未熔化、未焊接的区域。铝合金具有较高的导热系数和较高的耐热性。因此，焊接需要一个节能的热源。铝的线膨胀系数为23×10-6/K，n而体积收缩率为6.5%。这会导致焊核破裂，导致应力升高。由于铝合金材料的这些特性，焊接能力明显低于钢，车辆铝合金材料的焊接电流高达50kA，对于当前钢点的应力高达3.8kN-4.5kN。铝合金独特的物理化学性能导致焊接能力明显不如钢，车辆中铝合金所需的最大焊接电流为50kA，钢焊接接头所需的最大焊接电流为9-15Ka。为保证点焊质量，铝合金点焊控制器和点焊夹具的要求在设计中必须注意与钢点焊有很大不同。

3.3  提升铝合金汽车轻量化发展途径

中国的铝资源和加工业位居世界第一,在汽车工业中,除乘用车外，油罐车、卡车使用了许多铝合金,这不仅促进了汽车的轻量化,而且节能环保。目前铝合金以其优良的综合性能在汽车工业中大量使用,例如，铸造铝合金用于制造汽车发动机、气缸盖、杆件、曲轴等汽车零部件,铝合金冲压板材用于焊接结构件,铝合金的冷加工冲压件不仅强度高,而且适用于冷金属焊接技术,热处理增强铝合金的屈服强度极限高,其整体结构可作为型材组合,在保证设计强度的条件下,可有效降低外壳的重量。

结束语

随着汽车工业的发展，铝合金车身成了重要的制造需求，导致铝合金焊接技术的需求增加。本文阐述了三种焊接方法:铝合金点焊、电弧焊、搅拌摩擦焊、自冲铆接，为汽车工业的发展提供了可靠的参考和选择。

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