鋁合金框架車身弧焊焊接應力變形的控制

張寧寧?黃成成

摘要：科學技術的發展迅速，在汽車行業的發展，在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內部是平衡的。焊接過程中產生焊接應力和變形的根本原因，是不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比熱容不同的組織。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，所產生的應力和變形稱為瞬態焊接應力和變形;焊接溫度場消失后的應力和變形稱為殘余焊接應力和變形。在以鋁合金型材為主的鋁合金框架車身的焊接過程中，由于焊接應力與變形引起的焊件形狀和尺寸變化，帶來產品的連接質量、幾何尺寸精度、功能以及生產效率造成的影響比其他行業要大的多，因此，焊接應力變形是車身及其零部件設計和制造中需要重點考慮的問題。

關鍵詞：鋁合金框架;車身弧焊焊接;應力變形;控制

引言

由于鋁合金的諸多優點，目前世界主要車企在鋁合金材料上不斷加大使用量。例如，在全新一代奧迪A8中，鋁合金的使用比例達到了58%。在國內，蔚來汽車ES8車身用鋁高達96.4%，使得車身質量僅為335kg。然而，鋁合金與傳統的鋼材在晶體結構和物理屬性上存在較大差異。例如，鋼的熔點為1536℃，而鋁合金僅為660℃，鋁合金的熱導率、電導率遠遠高于鋼。這些都導致傳統焊接工藝難以實現可靠連接。目前，汽車車身鋁合金焊接與連接技術主要如下。

一、工裝夾具主要驗證方式

（一）工裝定位剛性負載驗證

預驗收時需對活動機構、懸臂結構的定位銷和活動定位基準面進行重復定位精度測量。按照對定位銷和定位基準面分別施加10和20 kg負載的標準，進行每個方向各10次的重復性測量，其中活動機構每次運動都要測量，施加負載后的偏差值控制在±0.3 mm為合格。

（二）定位一致性驗證

活動定位部件在夾具上反復動作定位10次，利用三坐標進行檢測工件或夾具的特征點位置（根據實際情況選取，數量不低于5個），對每個點的偏差進行數據記錄，每點變化量<0.2 mm時，夾具定位一致性滿足要求，具體包含定位抓手和大型翻轉定位部件（CKZ3T80及以上氣缸驅動）。相互配合的零件定位完成后，在相互配合面的位置打若干個共用孔（位置根據實際情況選取，數量不低于5個），夾具反復工作5次，分別測量共用孔的變化，每次測量孔徑偏差≤0.5 mm為合格。

（三）產品驗證試驗

批量生產前每套工裝夾具需焊接10套工件作為試驗件，焊后需對試驗件進行焊縫編號，對焊縫進行低倍檢測，滿足焊接熔深要求方可證明焊接用工裝的可行性。

二、車身材料發展趨勢

（一）乘用車

本文從典型乘用車奧迪A8、寶馬7系、寶馬i3車型分析乘用車車身用材的發展方向，具體分析如下：奧迪A8：D3車型采用全鋁結構車身，減重效果非常明顯。D4車型綜合考慮駕駛室性能、結構強度要求，在白車身B柱部位使用熱成型高強度鋼，車身選材以鑄造鋁、擠壓鋁、鋁板材為主，局部使用熱成型高強鋼。D5車型選用多種材料，車身選材以鋁合金、合金鋼為主，局部使用碳纖維復合材料、鎂合金。奧迪A8產品的升級，白車身用材向復合型、多元化材料發展。寶馬7系：將碳纖維復合材料、鋼材、鋁材及塑料進行組合，其中車身B柱、車頂縱梁/前橫梁、門檻梁、中央通道及C柱使用碳纖維復合材料和高強鋼。寶馬i3車型：白車身選用多種材料進行組合，如碳纖維復合材料、鋁材、鋼材、膠粘劑等。乘用車車身用材向多元化發展，同時提高鋁材的應用占比，而鋁材對車身輕量化效果影響明顯。

（二）商用車

目前國內外商用車車身用材以低碳鋼為主，局部使用高強度鋼，如車門、側圍、前圍、地板部位，高強鋼用量逐漸提高。考慮輕量化因素，部分車型車身或部件已選用鋁合金材料。在車身選材時需綜合考慮車身性能、輕量化和成本等因素選用合適的材料。鋁合金材料是否為車身用材的發展趨勢，需要進一步探討，但車身用材的多元化無疑是汽車行業的發展方向。

三、優化措施分析

（一）通過工藝優化設計控制

（1）合理拆序鋁合金框架車身的結構主要是以鋁型材件為主體構成框架，外部覆蓋鋁板材件形成完整的車身骨架總成。在工藝設計工序拆分階段，在節拍允許的前提下，將車身骨架上各零件在空間上進行分散、對稱布置;相鄰零件分序間隔布置。可減小局部焊接變形量，也提高了焊接機器人動作的可靠性。同時，在后期實際制造過程中，杜絕打開夾具補焊現象，有利于變形的控制，提升車身尺寸穩定性和一致性。（2）優化焊接順序同一工序的焊縫焊接時，按照“先弱后強、先里后外、分段交叉”和車身重要功能點后焊等原則編排焊接順序。這樣可以減少單位時間內焊縫接頭區域的熱輸入量，使焊接時產生的熱量得到充分的冷卻，同時盡量使相互交叉變形量之間形成對沖效果，最終減小整個零件的焊接變形量。（3）優化焊接參數通常主機廠購買的焊接設備均為標準設備，其焊接控制系統內的參數庫和控制波形均為制造商在其焊接實驗室按照通用工況得出的優選方案。而在具體項目應用時，需要在工藝評定環節，結合項目產品結構的特點進行適配性微調（焊機廠家工藝人員配合）。在保證焊接質量的前提下，通過優化焊接電壓、焊接電流基值/峰值、脈沖頻率及送絲速度等參數，選取合適的焊接波形控制策略，將焊縫焊接所需要的線能量優化到最小，焊接應力變形也相應減小。

（二）激光束焊工藝

通過脈沖或者連續的激光束照射鋁合金表面，把金屬表面的熱量迅速擴散到鋁合金內部，使鋁合金快速融化形成一條焊縫。激光焊接加熱集中、焊接變形小，焊接過程易于集成自動化、柔性化，焊接質量穩定。

（三）通過焊后保壓冷卻控制

焊接結束后，利用夾具上的銅支撐和自然風冷，將工件冷卻到環境溫度+20℃范圍內，通過夾具上各控制點的溫度傳感器檢測到板件溫度符合夾具打開要求后，打開夾具。根據項目實際經驗，車身骨架總成單工位工時會增加60～90s（隨環境溫度變化），車身下部總成增加30～45s，二級分總成（前艙總成、前地板總成、后地板總成及側圍總成）增加60～90s，其他三級小總成增加10～30s。實際項目經驗表明，該措施有明顯地提升尺寸穩定性的效果（每個工位的保壓冷卻時間需要詳細的試驗得出最佳參數）。驗證方法：使用焊后保壓冷卻法和不使用焊后保壓冷卻的零件進行三坐標測量數據對比，樣本數建議每組4件，共五組。

結語

鋁合金作為輕量化新能源汽車的主要材料，廣泛應用到車身的各個位置。由于車身構件多以擠壓型材為主，而擠壓型材經過折彎、機加工、沖壓等工藝加工后會影響材料尺寸的一致性，同時鋁合金焊接時的專用設備操作空間要遠遠大于鋼件焊接的空間，所以在鋁合金焊接工裝的設計上應避免過定位，少用“死”定位，盡量選擇“活”定位，可以多選用二次壓緊和二次開啟命令。工藝拆分要更精細合理，工裝終驗收時要做充分試驗驗證。目前，能源、環境、安全等已經對汽車輕量化提出了迫切需求，而鋁合金材料由于優良的性能，已經成為使用最廣的輕量化材料。由于鋁合金和傳統鋼材在物理屬性等方面存在巨大差異，傳統的點焊技術已不是最佳的連接工藝。目前整套匹配測量控制方式和量產的監控系統在國內一些較為先進的主機廠都已經實現，但是仍然是其他一些主機廠努力的方向。正確使用好匹配和量產的測量監控設備，會使不良品率大幅度下降。

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