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技術丨汽車車身上鋁點焊的研究及應用

2018-11-30 11:47:41 作者：高菁菁等來源：鋁加工分享至：

隨著中國制造 2025 和工業 4.0 戰略的實施，在我國對新能源汽車產業大力扶持的背景下，新能源汽車的研發與制造已成為推動我國汽車產業升級的一個重要環節。受限于動力電池能量密度的技術瓶頸，純電動汽車的整備質量比同級別的傳統能源車高出13%~20%，車身輕量化是新能源汽車發展的主要趨勢，而鋁合金材料應用是目前車身輕量化的主要解決方案。

焊接是汽車制造中最重要的制造技術，傳統電阻點焊具有設備通用性高、成本較低、質量穩定、工時較短等特點，常規鋼車體的主要連接技術是電阻點焊。隨著高強度、超高強度鋼，鋁合金和復合材料的引進，新的連接技術也同時引進，包括激光焊、鉚接、膠粘等。文章主要闡述了鋁合金電阻點焊的工藝研究和在汽車行業的應用現狀。

一、鋁合金的焊接性鋁合金的焊接性

通常考慮 3個方面：母材、工藝設計和焊接過程。

根據鋁合金成型方式的不同，分為變形鋁合金（包括沖壓板和型材）和鑄造鋁合金。變形鋁合金中，根據強化機制的不同，分為時效硬化鋁（例如 6xxx 系和7xxx 系鋁合金）和固溶強化鋁（例如 5xxx 系鋁合金）。不同的強化機制會導致電阻點焊過程中的缺陷傾向和組織形成過程不同。

針對鋁合金，不同的熱處理工藝對母材的影響很大，常用的熱處理工藝包括：

（1）O-退火態：消除加工硬化和內應力，可以穩定外形和尺寸；（2）T 4 -固溶處理（淬火）加自然時效：通過加熱保溫，使可溶相溶解，然后急冷，獲得過飽和固溶體，以提高合金的硬度、強度及抗蝕性。對 Al- Mg 系合金為最終熱處理，對需人工時效的其它合金則是預備熱處理；（3）T 5-固溶處理（淬火）加不完全人工時效：用來得到較高的強度和塑性，但抗蝕性會有所下降，尤其是晶間腐蝕會有所增加；（4）T 6-固溶處理（淬火）加完全人工時效：用來獲得最高的強度，但塑性和抗蝕性有所降低；（5）T 7 -固溶處理（淬火）加穩定化回火：用來穩定鑄件尺寸和組織，提高抗腐蝕（尤其是抗應力腐蝕）能力，并保持較高的力學性能。

此外，焊接工藝設計主要包括：板件搭接形式和工藝尺寸；焊接過程涉及焊接方法、焊接設備、焊前/焊后處理和工藝參數等。

二、鋁合金電阻點焊的技術難題

（1）鋁合金的氧化膜

鋁合金的熔點為 520~660 ℃，鋁合金表面有一層致密的氧化膜，厚度小于 0.01 mm，熔點約 2 000 ℃。電阻點焊過程中，熱量輸入使熔池溫度略高于鋁合金熔點，但遠遠無法達到氧化膜的熔點，因此，氧化物無法熔化。此外，氧化膜具有低導電性和低導熱性。因此，電阻點焊如何在焊接開始時保證氧化膜的刺穿和破碎是需要解決的一個重要問題。氧化膜對氣體具有吸附作用，容易形成氣孔，同時，無法熔化的氧化膜在焊核中容易形成非金屬夾雜物。圖 1 示出鋁合金和無鍍層鋼板在焊接過程中的電阻變化。

（2）凝固過程中的裂紋

熱裂紋

由于部分鋁合金的固溶溫度區間較大，焊核在熔化、再凝固的過程中，凝固后收縮，在應力影響下，容易在焊核形成熱裂紋，根據鋁合金成分不同，形成熱裂紋的情況如下：

純鋁：無固液兩相區，不形成熱裂紋；非時效硬化鋁（例如 3xxx 和 5xxx），固溶溫度區間小于 50 ℃，對于電阻點焊這種熔化焊，熱裂紋傾向很小；6xxx 和7xxx 中的 AL- Zn- Mg 系列鋁合金，固溶溫度區間在50~100 ℃，熱裂紋傾向較為敏感，需采用合適的對策保證焊接質量；2xxx和 7xxx中，因為 Cu，Mg，Zn 合金元素的加入，固溶溫度區間在 100 ℃以上，熱裂紋非常容易形成，應盡量避免熔化焊。

液化裂紋

在時效硬化鋁中，還存在一種液化裂紋。當焊核溫度達到熔點以上，低熔點共晶相重新溶解到液相中，凝固過程中收縮，同時液態金屬無法及時流動到凝固位置，因而形成液化裂紋。液化裂紋的形成主要與高熱量輸入有關，因此，除了添加低熔點焊絲外，降低能量輸入，減少熱影響區也是降低液化裂紋的有效手段。

（3）氣孔

焊核熔化過程中，液態鋁合金吸收大量氫，凝固后，氫的固溶量下降 20%，因此，多余的氣體無法排出而形成氣孔。

（4）焊接接頭的軟化問題

對不同合金，常見焊后熱處理方法：焊接 Al-Mg- Si 合金（6xxx系鋁合金）時，母材采用 T 4 態，焊接后采用時效處理；焊接 AL- Zn- Mg 合金（7xxx 系中無 Cu的鋁合金），熱影響區由于強化相的固溶而強度下降，焊后可通過約 90 天的自然時效恢復到母材強度。除強度外，熱影響區的抗腐蝕能力也是點焊過程中不可忽視的因素。一般來說，時效硬化鋁（6xxx系和 7xxx系）抗腐蝕能力較差，非時效硬化鋁抗腐蝕能力較強。

三、汽車行業鋁合金電阻點焊的研究方向

（1）鋁合金點焊需要更高的熱輸入

由于鋁合金的導電和導熱性很好，需要比鋼大得多的熱量輸入才能實現焊接。一般來說，鋁合金的焊接電流是鋼的 2~3 倍，同時為了保證熱量的集中快速輸入，焊接時間是鋼的 1/3。焊接壓力相比鋼要求更高，因此，焊接鋼一般需要 0.2~4 kN 的焊鉗壓力，最高15 kA 的焊接電流；而焊接鋁合金需要 0.2~8 kN 的焊鉗壓力，最高 40 kA的焊接電流。

（2）電極的延壽

鋁點焊過程中，由于大電流、高壓力，鋁材的粘連和飛濺現象較為嚴重，因此，每個電極帽在焊接約 20 個點后需要進行修磨，需要花費大量時間，降低生產節拍，電極帽的快速磨損導致了生產費用的增加。此外，電極的極性影響焊核質量和電極磨損。焊接過程一開始，勢能決定極性，焊核形成偏向于陽極，因此，陽極磨損更為嚴重。同樣厚度的板材，焊核偏向陽極成核；對于不同厚度的板材，可能引起焊核偏移，甚至虛焊。

四、鋁合金電阻點焊在汽車行業的研究進展

（1）采用中頻直流焊機（MFDC）

應用 MFDC 的最大優勢在于焊接不同板厚和材料時，能量供應的靈活切換，在鋁點焊時，充分發揮電流傳輸的高效率和高利用率。

（2）采用交流焊機

采用交流焊機的主要目的有 2 個：一方面，采用直流焊機時，正電極磨損程度明顯比陰極嚴重，采用交流焊機可以均衡并改善正負極磨損情況，間接提高修磨頻次，延長電極壽命。另一方面，由于電極極性導致焊核不在板材中間位置，而是向正極側偏移，導致焊接質量不良，通過采用交流焊機，可以有效避免焊核偏移。

（3）焊鉗變壓力

法國 ARO 焊鉗設備商開發了一套利用電子伺服和壓力反饋實現變壓力焊接的鋁焊鉗。針對整個焊接過程初期的預壓力、焊接壓力、焊核成型的鍛壓力，可以實現變壓力焊接，有效減少因壓力不當引起的裂紋和飛濺等焊接缺陷。

五、結語

如何實現鋁合金高效、低成本的可靠連接是一個重要的研究方向。相比鉚接、膠粘，鋁合金電阻點焊具備設備通用率高、成本低廉、輕量化等特點，對其的研究也將持續開展。但鋁合金點焊的技術難點主要有：（1）部分鋁合金焊接存在軟化區，降低焊接強度；（2）鋁合金表面有致密氧化膜，難熔、難擊穿，且易形成焊接缺陷；（3）鋁合金點焊需短時大量熱輸入，引起電極磨損和粘連。

從目前汽車車身上的鋁點焊研究和應用現狀來看，未來幾年鋁點焊的研究重點是鋁點焊強度的提升和質量的穩定性，鋁點焊大幅產業化應用需進一步降低制造成本。

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責任編輯：韓鑫

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