汽車車身上鋁點焊的研究及應用

高菁菁 李釗文 范林 蔡鋼

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

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[1]。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。

1　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）T4——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）T5——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）T6——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）T7——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。

2　鋁合金電阻點焊的技術難題

2.1　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[2]。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。

圖1　鋁合金和無鍍層鋼板在焊接過程中的電阻變化

2.2　凝固過程中的裂紋

2.2.1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：

1）純鋁：無固液兩相區，不形成熱裂紋；2）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；3）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；4）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。

2.2.2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。

2.3　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。

2.4　焊接接頭的軟化問題

焊接接頭區域分為焊核區、熱影響區和母材區。焊核區是近鑄態組織，焊接過程中最高溫度在500℃以上。靠近焊核區的是熱影響區，焊接過程中，最高溫度在300～500℃之間，母材區最高溫度在130℃左右，其中，熱影響區的區域大小主要由焊接熱輸入決定。

熱影響區的軟化程度主要由母材的合金類型、組織和強化機制決定[3]。對于非時效硬化鋁（例如5xxx系），加工硬化特征在退火過程中會得到部分減弱，但引起的強度下降很小。對于時效硬化鋁（例如6xxx系和7xxx系），熱影響區由于過時效的影響，機械性能大幅下降。如果母材是T4態，接頭力學性能可以通過合適的焊后時效熱處理工藝得以部分補償；若母材是T6態，接頭力學性能需通過焊后固溶后時效熱處理工藝重新獲得T6態機械性能。然而，在汽車工業制造過程中，焊后固溶+時效工藝并不是切實有效的手段。因此，實際生產中，應盡量減小能量熱輸入，從而減小熱影響區域。

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T4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。

3　汽車行業鋁合金電阻點焊的研究方向

3.1　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。

3.2　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[4]，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。

4　鋁合金電阻點焊在汽車行業的研究進展

4.1　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。

4.2　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。

4.3　電極帽形狀改變

美國通用汽車申請了一項多環電極帽的專利，在焊接前期，電極帽上的多環配合焊鉗壓力和電流，可以有效實現表面氧化膜的分割、壓碎，順利進入焊接階段。圖2示出美國通用汽車多環電極帽專利技術。此外，也有設備廠和主機廠開發了大平面電極和弧面電極。

圖2　美國通用汽車多環電極帽專利技術

4.4　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。

4.5　工藝帶的應用

奧地利Fronius焊鉗設備商在傳統焊鉗基礎上增加了2條工藝帶，分別覆蓋2個電極帽，每焊接一個焊點，工藝帶移動一定距離，相當于每焊接一個點，與工件接觸的部分都是全新的，無需電極修磨，電極壽命也得到了極大提高。圖3示出奧地利Fronius增加工藝帶的DeltaSpot技術。

由于工藝帶的存在，由原來電極和工件間的電阻變為電極和工藝帶間的電阻，工藝帶本身的電阻以及工藝帶和工件間的電阻。隨之而來的焊接熱輸入分布，會在工藝帶和電極之間存在熱量峰值，一方面，焊接剛開始時可以作為額外的熱量輸入，實現熔池形成的同時，上下工件表面也同步加熱，可以改變熔池形成機制，有效增加熔深。另一方面，鋁合金本身的高導熱性，冷卻時工藝帶引起的電阻熱可以有效緩解熱量散失，避免裂紋和飛濺，提高焊核質量。圖4示出工藝帶導致的電阻變化和熱量分布變化。

5　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。