汽車車身焊接技術的研究進展

陳道齊

摘 要：眾所周知，石油是不可再生能源，同時受全球環境影響，節能減排勢在必行，汽車輕量化研究將是汽車工業發展主要研究方向。文章介紹了汽車車身焊接中運用到的傳統焊接技術，并對國內外新型的車身焊接技術發展進行綜述。為汽車車身輕量化設計提供了新的焊接思路。

關鍵詞：汽車焊接技術;輕量化;汽車材料

中圖分類號：TP212.14 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-179-03

Research progress of automobile body welding technology

Chen Daoqi

（Fuzhou Vocational and Technical College， Fujian Fuzhou 350108）

Abstract：?As everyone knows， oil is a non-renewable energy source， and at the same time， due to the global environmental impact， energy saving and emission reduction are imperative. The research on automobile light-weighting will be the main research direction of the automotive industry. The research on automobile lightweight will be an important part of the development of the automobile industry.This article introduces the traditional welding technology used in automobile body welding， and summarizes the development of new body welding technologies at home and abroad. ?It provides new welding ideas for lightweight design of automobile body.

Keywords： Automotive welding technology; Lightweight; Automotive materials

CLC NO.：?TP212.14??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-179-03

前言

傳統的鋼、鐵材料作為汽車車身材料與現有的以工頻電阻點焊為主汽車車身焊接技術，已經很難滿足汽車車身“節能、環保、安全”的要求。研究表明，汽車重量每減少100 kg，可節省燃油0.3-0.5L·（ 100 km） ^-1，可減少CO₂排放8-11 g·（ 100 km） ^-1[1]。據世界鋁業協會數據報告顯示，汽車質量每減少1%，汽車在行駛中燃油的消耗就會減少6%到8%。由此可見汽車輕量化是減少能耗和污染物排放的最有效可行路徑之一，目前汽車輕量化主要研究方向一方面是研發汽車車身新型材料優化車身結構，另一方面是運用先進的汽車車身焊接技術。隨著汽車材料技術的不斷發展，越來越多的新型材料被運用到汽車白車身上，如輕金屬材料：鋁合金、高分子材料、碳纖維等特種材料都得到廣泛的運用^[1]。同時隨著汽車焊接技術的不斷發展，一些新型汽車車身焊接技術已經在汽車工業中得到廣泛的運用，如激光拼焊、釬焊、中頻電阻焊、氣體保護焊、摩擦攪拌點焊等。

1?汽車車身材料技術的發展

車身占汽車總重量的三分之一重，所以車身材料的選擇對汽車輕量化起著重要影響。汽車車身材料選擇原則：（1）滿足汽車零件的使用性能要求，如安全性等;（2）具有良好的工藝性能;（3）具有較好的經濟性。

在汽車工業發展100多年來，鋼和鐵一直都是作為汽車車身生產的主要金屬材料^[2]。但是隨著能源、環境問題不斷影響和科學技術的不斷發展，鋼鐵材料在車身上運用呈現下降趨勢，而其他一些輕金屬材料、高分子材料、特種材料等先進材料被運用到汽車生產中。國內外汽車材料技術研究方向主要有復合材料、高強度鋼材料、鋁合金材料。

李鎮等人^[3]在研究中發現鍍層能夠有效抑制鋁鐵間的擴散反應，并發現鋁/鍍鋅鋼抗拉剪強度最大。

梁森等人^[4]在研究中發現高強度、高剛度、高性能的復合材料在汽車車身結構輕量化設計中扮演著越來越重要的角色。

徐峰祥等人^[5]在研究中發現采用的光滑策略在分析車身復合材料零部件動力特性方面具有較好的可靠性和有效性。

Goede M等人^[6]在研究中發現為了充分利用各材料的優異性能，將多種輕量化材料拼焊成鋼/鋁、鋁/鎂、鋼/鎂等多材料一體化復合構件成為一種趨勢。

福特Ford P2000的前門內板上就成功地采用了不同厚度的鋁合金拼焊板，采用的母材為AA5182^[7]

2?汽車傳統焊接技術

傳統汽車焊接技術有手工電弧焊、氣焊、氣體保護焊、等離子弧焊、電阻焊、等。其中手工電弧焊、氣焊、氣體保護焊、主要運用在汽車車身修復上，等離子弧焊、電阻焊、激光焊則運用在汽車工業生產中白車身的焊裝上。

2.1?手工電弧焊

手工電弧焊由電源、電纜、焊鉗、焊條、焊件組成，是利用焊接電源在焊條和焊件之間的電弧熱使金屬和母材熔化形成焊縫的一種焊接方法。其示意圖如圖1：

手工電弧焊是最基本也是最常用的一種焊接方法，它不僅可以焊接各種低碳鋼、低合金結構鋼、鑄鐵等，還可以焊接多種有色金屬上，能焊接90%常用金屬。手工電弧焊在主要運用在汽車車身修復上，比如修復斷裂的零件或磨損件等。

2.2?氣焊

氣焊與手工電弧焊不同，它是將可燃氣體與助燃氣體在焊炬混合后引燃后，利用產生的高溫火焰作為熱源將焊件和焊絲融化，形成熔池待冷卻后形成焊縫的一種焊接方法。其原理示意圖如圖2。

由于氣焊的熱源產生的熱能有限，所以氣焊一般用來焊接一些較薄的鋼板或者熔點較低的材料。在汽車鈑金作業中，氣焊是常用的方法之一。

2.3?氣體保護焊

熔化極惰性氣體保護焊，是以連續送進的焊絲作為熔化電極，采用惰性氣體作為保護氣體的電弧焊方法，簡稱MIG（Metal Inertia Gas）焊。其原理示意圖如圖3：

在汽車鈑金焊接維修作業中，熔化極惰性氣體保護焊常用的方法之一，它主要應用于一些活性較強金屬的焊接，例如不銹鋼、耐熱合金、銅合金及鋁鎂合金等。

2.4?等離子弧焊

等離子弧是電弧的一種特殊形式。當自由電弧被壓縮后，即可形成等離子電弧。利用等離子電弧可以進行焊接。從本質上講，等離子電弧仍然屬于一種氣體放電的導電現象。按焊縫的成形原理，等離子弧焊有3種基本方法，即穿透型等離子弧焊，熔化透型等離子弧焊和微束等離子弧焊。

2.5?工頻電阻焊

電阻點焊是對金屬板材裝配成搭接接頭，利用電流流過電阻（工件）時產生熱量（Q=I²Rt）熔化母材金屬形成熔核最終形成焊縫的一種焊接方法。其工作步驟主要分四步：1、加壓;2、保持;3、通斷電流;4、泄壓。其原理圖如圖4所示：

3?汽車先進焊接技術

伴隨著汽車材料技術的不斷發展，越來越多的新型材料運用到汽車生產中，新的先進焊接技術也運運而生。目前運用到汽車車身焊接的先進焊接技術有摩擦攪拌焊、釬焊、磁脈沖焊（ MPW） 等。相對而言，激光焊熱源控制精準、熱量集中、應力應變較小，更加適用于鋼、鋁異種材料的焊接。傳統的工頻電阻焊技術進行技術改進，改成中頻電阻焊。

3.1?激光焊、激光-電弧復合焊

激光焊是一種利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，?通過高能量密度熔化金屬，焊接效率高，且熱影響區小、焊接變形小，被廣泛地應用在汽車生產制造中^[8]。

激光拼焊能夠將不同強度等級、不同厚度、不同鍍層的材料拼焊在一起，可以優化選材，提高材料的綜合力學性能。整體沖壓成形，可減少零件及模具，提高零件整體剛度，保證材料的安全性能，是汽車輕量化的主要技術之一，在汽車覆蓋件中得到廣泛應用。

3.2?冷金屬過渡焊接技術

冷金屬過渡焊接（CMT）技術是在短路過渡的基礎上設計的，但是CMT焊接熔滴接觸到熔池發生短路時，焊接電流瞬間降至幾乎為零，通過冷-熱”之間的交替變化大大降低了焊接熱量的產生低15%～30%的焊接熱輸入量。正確設置熔滴參數，可實現更好的焊縫厚度過渡，提高焊接速度的同時可以保證熔滴過渡幾乎無飛濺。

3.3?攪拌摩擦焊及攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是由快速旋轉的鉆頭與鈑金件摩擦產生的熱量作為熱源熔化局部的被焊材料，在鉆頭的擠壓下被焊材料形成致密的固相焊縫。與其他形式的焊接技術比，FSW不需要消耗焊條、保護氣等材料，無飛濺、無煙塵、能有效避免氣孔及顯微裂紋，且因為需要的熱源熱量低，不受異種材料物理化學性質晶體結構的影響，在焊接鋁、鎂合金及鋼-鋁異種金屬時具有較大優勢^[10-12]。

3.4?電極帶式電阻點焊

電極帶式電阻點焊不僅保護電極不受污染，還能有效調節異種金屬焊接時的電阻熱平衡，從而改善焊點質量、節約能源，在輕量化車身焊接領域中具有廣闊的應用前景。

4?展望

由于起步晚，我國汽車工業整體水平落后于歐美國家。但今后先進的汽車材料和焊接技術可以讓車身減重從而讓汽車達到節能減排的要求。汽車材料的研究可以往輕金屬方向研究，焊接技術可以側重激光焊和摩擦攪拌焊的研究。

參考文獻

[1] 范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014， 5（1）： 1-16.

[2] 康明.北美汽車材料的研究及應用動態[J]，汽車工程.2003，04.

[3] 李鎮，石巖，劉佳等.鍍層對鋁/鋼異種金屬激光焊接質量的影響[J]，激光雜志，2016年08期.

[4] 梁森，張術國，梁天錫等.大阻尼高比剛度復合材料儀表板結構設計及動態特性分析[J].振動與沖擊， 2017， 36（ 6）： 212-217.

[5] 徐峰祥，張鎖，武昆迎.基于光滑策略的復合材料車身結構動力特性分析[J].華南理工大學學報， 2018， 46（9）：125 -130

[6] Goede M， Stehlin M， Rafflenbeul L， et al. Super light car-lightweight construction thanks to a multi-material design and function integra?-tion [J]. European Transport Research Review， 2009， 1（1）： 5-10.

[7] Tanaka T， Hirata T， Shinomiya N， et al. Analysis of material flow in the sheet forming of friction-stir welds on alloys of mild steel and aluminum [J]. Journal of Materials Processing Technology，?2015，?226：115-124.

[8] 姚燕生，王園園，李修宇.激光復合焊接技術綜述[J].熱加工工藝， 2014， 43（9）： 16-20.

[9] 李報，陳思杰，趙丕峰.汽車輕量化先進焊接技術研究進展[J].熱加工工藝2018， 47（3）： 13-17

[10] Dawes C J.An introduction to friction stir welding and its develop?-ment [J].Archives of Biochemistry & Biophysics，1995， 63（1）：?279-285.

[11] 陽代軍，許青，呂華英，等.7085-T7452高強鍛造鋁合金攪拌摩擦焊組織及性能分析[J].熱加工工藝， 2017，46 （1）： 226-229.

[12] 宋曉村，朱政強，陳燕飛.攪拌摩擦焊的研究現狀及前景展望[J]. 熱加工工藝， 2013，42（13）： 5-7.