汽车车身铝合金焊接与连接技术

汽车车身铝合金焊接与连接技术

王小山

辽宁忠旺铝合金精深加工有限公司 辽宁 辽阳 111000

摘要：现如今，汽车行业在我国发展十分迅速，由于铝合金的诸多优点，目前世界主要车企在铝合金材料上不断加大使用量。例如，在全新一代奥迪A8中，铝合金的使用比例达到了58%。在国内，蔚来汽车ES8车身用铝高达96.4%，使得车身质量仅为335kg。然而，铝合金与传统的钢材在晶体结构和物理属性上存在较大差异。例如，钢的熔点为1536℃，而铝合金仅为660℃，铝合金的热导率、电导率远远高于钢。这些都导致传统焊接工艺难以实现可靠连接。目前，汽车车身铝合金焊接与连接技术主要如下。

关键词：汽车车身；铝合金焊接；连接技术

引言

随着可持续发展理念的不断深化，汽车制造行业中，实现汽车轻量化是未来汽车发展的必然趋势。目前，主要是从车身轻量化入手，通过简化车身结构、利用更为轻便的材料进行车身设计。传统的汽车车身多采用钢材，为实现汽车轻量化发展，选择更为合理的材料是当前的主要工作。铝合金质量约为钢材的1/3，是当前实现汽车轻量化的主要车身材料。同时，铝合金材料可以回收利用，利用率高，减少资源消耗和浪费；可塑性强，能够满足复杂的结构。利用铝合金进行车身设计，能有效推动汽车轻量化发展，减少资源浪费和环境污染，实现汽车制造行业经济效益与社会效益的有机统一。但在运用铝合金制作车身过程中，铝合金焊接技术是目前最为关键的问题。

1SPR（自冲铆接）

半空心铆钉自冲铆接（Self-PiercingRivet简称SPR）通过将铆钉穿透上层的板材，铆钉腿部的中空结构在铆模的作用下，向下层板材料周围扩张并刺入底层板材，但是不会对下层板材进行冲裁。最后铆钉与上下层板材之间形成机械互锁结构。其工艺过程主要包括：定位、预压、夹紧、冲刺、扩张和成形，如图2所示。SPR技术优势主要有：（1）SPR可以实现异种金属板材的连接，如铝和钢的连接。（2）当进行铝合金板材连接时，SPR的负载强度高于电阻点焊。（3）SPR属于冷连接技术，对板材表面要求较低。（4）铝合金板材的表面氧化层及油污都会加大铝点焊电极损耗，需要频繁修磨或更换电极，而自冲铆接只需定期添加铆钉即可，大大节省设备辅料时间。（5）SPR过程绿色环保，不产生焊渣、烟尘等有害物质。SPR工艺缺点主要有：SPR过程要求板材发生塑性变形，所以要求底层板材应必须拥有12%以上的延伸率。SPR铆钉需要穿透上层板材，因此有密封性要求地方需做密封处理。SPR的铆钉属于消耗品，生产成本增加，例如在某车型中铆钉的单价成本为0.13～0.17元。对材料的要求，厚板、硬度低、塑性好的板在下侧。两层板搭接时，底层板厚度占总板厚的1/2以上；三层板搭接时，底层板厚度占总板厚的1/3以上；避免出现相同厚度板材的搭接组合。目前SPR是铝合金车身上应用最多的连接工艺，数量远远超过铝点焊。例如在AudiA8（D3）上使用数量达2400点，AudiTT上数量达1606点，在上汽大众某车型前轮罩的铸铝件和镀锌钢的连接使用SPR工艺，共81点。SPR技术的主要设备供应商包括：德国Böllhoff、英国Henrob、德国Tunkers及德国TOX。

2冷金属过渡技术（CMT）

CMT是一种全新的MIG/MAG焊接工艺，可以焊接薄至0.3mm的板材，并可以实现钢与铝的异种连接。CMT是将送丝与熔滴过渡过程进行数字化自动协调，通过焊丝的回抽将熔滴同焊丝分离，实现了近乎无电流状态下的熔滴过渡。所以CMT工艺可以很好地实现钢与铝的焊接。工艺难点：铝合金熔点低、线膨胀率高、导电率高、表面易氧化、焊缝易产生气孔、导热性强焊接时易产生零件变形。

3铝合金车身MIG焊

MIG焊是目前铝合金车身的主要焊接技术之一，在焊接过程中，电弧稳定，氧化性弱，适合焊接多种活泼金属及合金；焊缝均匀，焊缝强度较大，能进行铝合金薄板焊接并有效保证焊接强度达到母体强度的70%。例如：德国奥迪在焊接过程中，使用MIG电弧钎焊，对车身及构件进行焊接，有效焊接铝合金，保证焊缝均匀，焊接强度达到母体强度标准，并有效提高焊接效率。为不断适应铝合金车身焊接需要，MIG焊不断创新，出现了脉冲MIG焊、单丝MIG焊、单枪焊丝MIG焊、复合热源MIG焊等多种新型MIG焊接技术。通过不断研发、创新MIG焊接技术和设备，提高焊接效率，提高焊接质量和自动化焊接水平。例如：奥地利Fronius公司在传统MIG焊基础上开发了单枪焊丝MIG焊技术，保留了焊接效率高的特点，同时焊接变形小，提高了铝合金车身焊接质量。相较于传统MIG焊，单枪焊丝MIG焊的焊枪小巧，受限较少，可焊接铝合金车身的各个位置。

4摩擦塞铆焊 EJOWELD

摩擦塞铆焊EJOWELD是一种新型连接技术，利用“钉子”的高速旋转穿透上板板料（如铝合金），并利用钉子和下层板的旋转摩擦生热熔化下层板料（如22MnB5硼钢），并在压力的作用下，完成“钉子”（钢质）与下层板料的焊接，从而形成稳固结合。摩擦塞铆焊EJOWELD特别适用于铝合金和高强钢、超高强钢及热成型零件的连接。例如在Audi A8中，由于外覆盖为铝合金，A、B柱为热成型钢板，由于热成型钢的塑性较差，SPR技术不能使用。Audi A8将此工艺称为FrictionElement Welding（简称FEW），共使用数量为238点。摩擦塞铆焊EJOWELD的优点是：1）是一种少有的可以直接连接铝合金（如6061）和高强钢（热成形硼钢22MnB5）的新工艺。2）无需预开孔。摩擦塞铆焊EJOWELD的缺点是：1）双面可达，必须双面都能操作。2）需要一个额外的连接元件。3）在需要严格密封的位置（如海洋环境），在钉头处需要使用密封胶。

5填丝型激光熔焊技术特点与应用

对于铝合金搭接接头，如果采用激光熔焊方式会存在焊缝塌陷等问题，即从表面形貌看，焊缝明显凹陷，形成一条沟槽，这严重降低了接头强度和质量。该现象产生的主要原因有：（1）激光熔焊具有较高的能量密度，且激光光束的刚性较高，冲击力较强，容易使焊缝下坠。（2）在高温条件下，铝合金熔池表面的界面张力较低，在重力和激光冲击力的联合作用下，在焊缝背面焊穿的情况下极易发生流淌，从而造成焊缝的塌陷。为补偿塌陷带来的焊缝有效界面的损失，可以采用类似激光钎焊的方法，即在激光熔焊的同时向焊缝熔池区域同时输入与母材近似同质的铝合金焊丝材料，借助于激光能量，使其熔化并有效补偿焊缝的塌陷，从而改善焊缝成型，满足产品设计要求。焊接时液态焊丝金属和母材熔化的液态金属相互融合，冷却后形成共同的焊缝。由于焊丝与母材近似同质，焊缝金属和母材金属之间形成了共同的晶粒，建立了原子之间的结合，焊接接头具有与母材类似的强度和性能。这种焊接方式与激光钎焊具有本质区别，因为激光钎焊仅仅是钎料熔化，而母材并未熔化。一般认为，钎焊接头并未与母材建立原子之间的联系，而仅仅是依靠界面张力的作用来实现两种材料的连接，所以接头强度并非很高。对于大众集团旗下车型而言，常用铝合金板材为六系TL09X系列，为固溶强化型材料。

结语

目前，能源、环境、安全等已经对汽车轻量化提出了迫切需求，而铝合金材料由于优良的性能，已经成为使用最广的轻量化材料。由于铝合金和传统钢材在物理属性等方面存在巨大差异，传统的点焊技术已不是最佳的连接工艺。目前，铝合金常见的连接方式主要包括：自冲铆接SPR、无铆钉铆接Clinchen、摩擦塞铆焊EJOWELD和热融旋转攻丝铆接FDS；主要的焊接工艺包括：铝电阻点焊、冷金属过渡焊接CMT和激光焊接。各种焊接与连接工艺都有一定的优势和局限性，需要综合考虑实际的应用场合、经济性等方面选择最佳的工艺。未来，随着轻量化材料、轻量化设计的不断发展，必将会有新的焊接与连接工艺的不断创新和发展。

参考文献

[1]尹庆方,刘义考.铝合金客车车身的焊接加工技术探析[J].现代制造技术与装备,2017(08):122-123.

[2]孙玲玲.激光焊及搅拌摩擦焊技术在动车组铝合金车体焊接中的应用[J].内燃机与配件,2018(09):144.