探析汽車車身異種金屬板件磁脈沖焊接工藝

徐興

摘 要：在汽車車身采用異種金屬板件中由于材料的參數不同使其在焊接中存在許多不可忽視的問題，在此條件下許多學者對其焊接方法不斷的研究及研發，其中磁脈沖焊接工藝在實際應用中具有較好的效果，其彌補了傳統焊接方式中存在的缺陷及不足。為此本文從異種金屬板件焊接中存在的難點入手，通過試驗的方式來探討磁脈沖焊接在使用中需要注意的技術難點及要點，以此對其焊接工藝進行深入分析，進而保證磁脈沖焊接工藝可以在異種金屬板件焊接中得到良好的應用。

關鍵詞：汽車；輕量化；磁脈沖焊接；異種材料焊接

在汽車行業其輕量化、節能化生產已經成為汽車設計中的重點內容，在汽車輕量化中其材料的選用及處理廣受關注，其最主要的特點就是應用輕質合金來代替汽車車身部分所應用的鋼材。由于目前在汽車生產中，其并不能全面的使用輕質合金，車身關鍵部位仍然以鋼材的應用為主，為此必須要通過焊接的方式來對輕質合金及鋼材進行連接。但是由于輕質合金與鋼材之間物化性能差異大，因此采用普通的焊接方式容易造成材料之間出現融合效果差、裂縫明顯等情況，嚴重影響焊接質量。

一、汽車車身異種金屬在焊接中存在的工藝難點

目前在汽車車身中主要應用的輕質合金有鋁、鎂等，以下主要以鋁為研究對象分析其與鋼之間焊接存在的問題及難點。

1、物理差異

鋼的熔點為1538℃，而鋁的熔點為600℃，二者熔點之間存在的差異過大，這也使其在傳統的熔焊中存在著鋁先熔化而鋼還遠遠沒有達到熔點的情況。并且還需注意的是，鋼的密度要遠高于輕質合金，因此在熔焊中，鋼完全熔化為鋼水后，液態鋁會浮于其表面，使鋼、鋁在凝固之后整體分布不均勻。再加上二者之間的熱導率及膨脹系數等之間的差別會導致焊接后的產品出現脆硬的中間化合物，更易出現裂紋等情況。

2、化學差異

鋼屬于一種鐵碳合金，而在異種金屬焊接中需要注意，鐵與鋁之間的溶解度極小，在常態下可以說鐵完全不溶于固態鋁，因此在傳統的熔焊中，二者的化合物狀態無法受到控制，因此在實際中其鋼、鋁接頭質脆且塑性較差。并且在高溫環境下，鋁會發生氧化反應，尤其是在高熔點下會形成阻礙液態金屬融合的氧化膜，使焊縫處形成夾雜。

二、磁脈沖焊接試驗

1、試驗原理

變壓器首先將380V工業電壓升至數千伏，隨后整流器將其整流為直流，并對電容器組進行充電。當電容器組電壓上升至閾值后，接通高壓開關，實現對線圈的放電。放電后，線圈回路產生高頻的衰減電流I，由于電磁感應現象，在線圈周圍空間中產生高頻時變磁場，導致飛板內產生感應電流Iv。在線圈與飛板的間隙中，I與Iv產生的磁場相互疊加，形成增強磁場。在該磁場作用下，飛板會受到巨大的洛倫磁力Fl而產生高速塑性變形，與基板發生碰撞。在合適的碰撞速度和角度下，碰撞點會產生高速射流沖刷焊接表面雜質，使兩潔凈表面金屬在高壓下緊密結合形成金屬鍵連接。

2、試驗材料與方法

磁脈沖焊接試驗采用德國PST公司生產的電磁脈沖連接裝置PS48-16，其上部內嵌有兩組平板線圈，可同時充電、放電，一次完成兩組板件的焊接。線圈下面為板件的固定工裝。通過該工裝可限定兩焊接板件的間距，亦可保證板件在高速撞擊時板件的位移約束。

三、試驗結果

對于Cu-SS焊接件，焊接區域銅板表面有明顯的熔化現象，且有一定皺縮。這是由于放電能量大，而銅板過薄（0.1mm），銅板內的渦流產生熱量，放電時使其表層瞬間熔化，放電完成后又迅速凝固。而對于Al-SS焊接件，由于采用厚度較大的鋁板作為飛板，且鋁的導電率較低，渦流較小，因此未出現表面熔化狀態。表面質量良好，無損傷，基板無明顯形變。鋁板與不銹鋼板在焊接區域完全連接在一起，無未焊接區域。在A和B兩處，位于焊接區域的邊緣有深灰色、質地松散的粉末。這些粉末是磁脈沖焊接過程中，飛板撞擊基板時形成的高速射流，在慣性作用下噴射至焊接區域外，冷卻后的產物。射流能清除焊接表面的氧化物和污染物，為板件結合提供清潔的表面。在碰撞的巨大壓力下，元素互相擴散，兩個清潔表面緊密結合。

四、分析與討論

1、焊接界面中部與兩側微觀特征的區別

斷面焊接區域兩側焊接效果明顯優于中部。引起上述差異的主要原因是沖擊角度的不同。由于兩焊接板件平行放置，當高速的飛板撞擊基板時，中心區域是垂直撞擊，沖擊角度為0°，兩側板件撞擊時有一定的撞擊角度，會造成撞擊速度在水平方向產生分量。垂直撞擊會直接引起垂直方向的反彈，減弱板件的連接，一定的沖擊角度能增加沖擊的水平分量，減弱垂直方向的反彈。同時，射流的產生是波形界面和過渡區形成的至關重要的條件，直接影響到焊接效果。垂直沖擊時，由于缺失撞擊水平速度分量，往往不會產生射流。綜上所述，焊接區域兩側位置的焊接效果往往要好于中心位置。事實上，撞擊整個界面上撞擊速度有一定差異，中部撞擊速度略大于兩側，但只要撞擊速度超過最小臨界速度，連接強度便可滿足整體要求。

2、板件厚度對焊接效果的影響

當飛板撞擊基板時，在兩板件中會產生沿著板厚方向的反射波，且方向相反。隨后，反射波在板件外表面發生反射，傳播至新的撞擊點處并與該點沖擊波疊加形成壓力峰值。在碰撞點處碰撞速度高于兩邊位置的金屬流動速度故形成波峰。波的形成與反射波在板內的運動時間有關。板件越厚，反射波在板件中傳播時間越長，產生波峰的時間約長，故波形尺寸越大。

3、板間距對焊接效果的影響

如果不考慮基板的影響，飛板的運動可分為加速和減速兩個階段。在加速階段中，飛板受到洛倫磁力而做向下的加速運動，速度迅速增大，洛倫磁力逐漸減小，加速度逐漸減小至零，飛板速度達到最大值。當飛板依靠慣性繼續向下運動時，進入減速階段，速度逐漸減小至最終停止。因此，通過適當調整基板與飛板的間距，便可獲得一個最大的撞擊速度，使焊接效果最優。

結語：本文中完成了鋁-不銹鋼和銅-不銹鋼板件的磁脈沖焊接試驗，結果表明磁脈沖焊接適用于鋁-鋼和銅-鋼異種金屬板件焊接，可有效地解決汽車應用中鋁與鋼的焊接難題。

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