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技術(shù)丨汽車(chē)車(chē)身上鋁點(diǎn)焊的研究及應(yīng)用

2018-11-30 11:47:41 作者：高菁菁等來(lái)源：鋁加工分享至：

隨著中國(guó)制造 2025 和工業(yè) 4.0 戰(zhàn)略的實(shí)施，在我國(guó)對(duì)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大力扶持的背景下，新能源汽車(chē)的研發(fā)與制造已成為推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。受限于動(dòng)力電池能量密度的技術(shù)瓶頸，純電動(dòng)汽車(chē)的整備質(zhì)量比同級(jí)別的傳統(tǒng)能源車(chē)高出13%~20%，車(chē)身輕量化是新能源汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)，而鋁合金材料應(yīng)用是目前車(chē)身輕量化的主要解決方案。

焊接是汽車(chē)制造中最重要的制造技術(shù)，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊具有設(shè)備通用性高、成本較低、質(zhì)量穩(wěn)定、工時(shí)較短等特點(diǎn)，常規(guī)鋼車(chē)體的主要連接技術(shù)是電阻點(diǎn)焊。隨著高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼，鋁合金和復(fù)合材料的引進(jìn)，新的連接技術(shù)也同時(shí)引進(jìn)，包括激光焊、鉚接、膠粘等。文章主要闡述了鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝研究和在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

一、鋁合金的焊接性鋁合金的焊接性

通常考慮 3個(gè)方面：母材、工藝設(shè)計(jì)和焊接過(guò)程。

根據(jù)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(jù)強(qiáng)化機(jī)制的不同，分為時(shí)效硬化鋁（例如 6xxx 系和7xxx 系鋁合金）和固溶強(qiáng)化鋁（例如 5xxx 系鋁合金）。不同的強(qiáng)化機(jī)制會(huì)導(dǎo)致電阻點(diǎn)焊過(guò)程中的缺陷傾向和組織形成過(guò)程不同。

針對(duì)鋁合金，不同的熱處理工藝對(duì)母材的影響很大，常用的熱處理工藝包括：

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

此外，焊接工藝設(shè)計(jì)主要包括：板件搭接形式和工藝尺寸；焊接過(guò)程涉及焊接方法、焊接設(shè)備、焊前/焊后處理和工藝參數(shù)等。

二、鋁合金電阻點(diǎn)焊的技術(shù)難題

（1）鋁合金的氧化膜

鋁合金的熔點(diǎn)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(diǎn)約 2 000 ℃。電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，熱量輸入使熔池溫度略高于鋁合金熔點(diǎn)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到氧化膜的熔點(diǎn)，因此，氧化物無(wú)法熔化。此外，氧化膜具有低導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性。因此，電阻點(diǎn)焊如何在焊接開(kāi)始時(shí)保證氧化膜的刺穿和破碎是需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。氧化膜對(duì)氣體具有吸附作用，容易形成氣孔，同時(shí)，無(wú)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(wú)鍍層鋼板在焊接過(guò)程中的電阻變化。

（2）凝固過(guò)程中的裂紋

熱裂紋

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

純鋁：無(wú)固液兩相區(qū)，不形成熱裂紋；非時(shí)效硬化鋁（例如 3xxx 和 5xxx），固溶溫度區(qū)間小于 50 ℃，對(duì)于電阻點(diǎn)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(qū)間在50~100 ℃，熱裂紋傾向較為敏感，需采用合適的對(duì)策保證焊接質(zhì)量；2xxx和 7xxx中，因?yàn)?Cu，Mg，Zn 合金元素的加入，固溶溫度區(qū)間在 100 ℃以上，熱裂紋非常容易形成，應(yīng)盡量避免熔化焊。

液化裂紋

在時(shí)效硬化鋁中，還存在一種液化裂紋。當(dāng)焊核溫度達(dá)到熔點(diǎn)以上，低熔點(diǎn)共晶相重新溶解到液相中，凝固過(guò)程中收縮，同時(shí)液態(tài)金屬無(wú)法及時(shí)流動(dòng)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(guān)，因此，除了添加低熔點(diǎn)焊絲外，降低能量輸入，減少熱影響區(qū)也是降低液化裂紋的有效手段。

（3）氣孔

焊核熔化過(guò)程中，液態(tài)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(wú)法排出而形成氣孔。

（4）焊接接頭的軟化問(wèn)題

對(duì)不同合金，常見(jiàn)焊后熱處理方法：焊接 Al-Mg- Si 合金（6xxx系鋁合金）時(shí)，母材采用 T 4 態(tài)，焊接后采用時(shí)效處理；焊接 AL- Zn- Mg 合金（7xxx 系中無(wú) Cu的鋁合金），熱影響區(qū)由于強(qiáng)化相的固溶而強(qiáng)度下降，焊后可通過(guò)約 90 天的自然時(shí)效恢復(fù)到母材強(qiáng)度。除強(qiáng)度外，熱影響區(qū)的抗腐蝕能力也是點(diǎn)焊過(guò)程中不可忽視的因素。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)效硬化鋁（6xxx系和 7xxx系）抗腐蝕能力較差，非時(shí)效硬化鋁抗腐蝕能力較強(qiáng)。

三、汽車(chē)行業(yè)鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究方向

（1）鋁合金點(diǎn)焊需要更高的熱輸入

由于鋁合金的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性很好，需要比鋼大得多的熱量輸入才能實(shí)現(xiàn)焊接。一般來(lái)說(shuō)，鋁合金的焊接電流是鋼的 2~3 倍，同時(shí)為了保證熱量的集中快速輸入，焊接時(shí)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(diǎn)焊過(guò)程中，由于大電流、高壓力，鋁材的粘連和飛濺現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此，每個(gè)電極帽在焊接約 20 個(gè)點(diǎn)后需要進(jìn)行修磨，需要花費(fèi)大量時(shí)間，降低生產(chǎn)節(jié)拍，電極帽的快速磨損導(dǎo)致了生產(chǎn)費(fèi)用的增加。此外，電極的極性影響焊核質(zhì)量和電極磨損。焊接過(guò)程一開(kāi)始，勢(shì)能決定極性，焊核形成偏向于陽(yáng)極，因此，陽(yáng)極磨損更為嚴(yán)重。同樣厚度的板材，焊核偏向陽(yáng)極成核；對(duì)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(diǎn)焊在汽車(chē)行業(yè)的研究進(jìn)展

（1）采用中頻直流焊機(jī)（MFDC）

應(yīng)用 MFDC 的最大優(yōu)勢(shì)在于焊接不同板厚和材料時(shí)，能量供應(yīng)的靈活切換，在鋁點(diǎn)焊時(shí)，充分發(fā)揮電流傳輸?shù)母咝屎透呃寐省?/span>

（2）采用交流焊機(jī)

采用交流焊機(jī)的主要目的有 2 個(gè)：一方面，采用直流焊機(jī)時(shí)，正電極磨損程度明顯比陰極嚴(yán)重，采用交流焊機(jī)可以均衡并改善正負(fù)極磨損情況，間接提高修磨頻次，延長(zhǎng)電極壽命。另一方面，由于電極極性導(dǎo)致焊核不在板材中間位置，而是向正極側(cè)偏移，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不良，通過(guò)采用交流焊機(jī)，可以有效避免焊核偏移。

（3）焊鉗變壓力

法國(guó) ARO 焊鉗設(shè)備商開(kāi)發(fā)了一套利用電子伺服和壓力反饋實(shí)現(xiàn)變壓力焊接的鋁焊鉗。針對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程初期的預(yù)壓力、焊接壓力、焊核成型的鍛壓力，可以實(shí)現(xiàn)變壓力焊接，有效減少因壓力不當(dāng)引起的裂紋和飛濺等焊接缺陷。

五、結(jié)語(yǔ)

如何實(shí)現(xiàn)鋁合金高效、低成本的可靠連接是一個(gè)重要的研究方向。相比鉚接、膠粘，鋁合金電阻點(diǎn)焊具備設(shè)備通用率高、成本低廉、輕量化等特點(diǎn)，對(duì)其的研究也將持續(xù)開(kāi)展。但鋁合金點(diǎn)焊的技術(shù)難點(diǎn)主要有：（1）部分鋁合金焊接存在軟化區(qū)，降低焊接強(qiáng)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(diǎn)焊需短時(shí)大量熱輸入，引起電極磨損和粘連。

從目前汽車(chē)車(chē)身上的鋁點(diǎn)焊研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，未來(lái)幾年鋁點(diǎn)焊的研究重點(diǎn)是鋁點(diǎn)焊強(qiáng)度的提升和質(zhì)量的穩(wěn)定性，鋁點(diǎn)焊大幅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需進(jìn)一步降低制造成本。

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