鋁合金汽車輕量化與焊接技術探究

湯蓉蓉 唐學幫

摘要：汽車輕量化能夠有效降低汽車生產與維護中的能源消耗，當前國內外汽車制造產業中，常常通過大量應用高強度鋁合金材料來實現汽車輕量化設計，與此對應的鋁合金焊接技術上也應進一步發展與革新，成為汽車輕量化發展的重要技術推動力。因此，闡述汽車輕量化與鋁合金焊接技術的材料特性和應用，探索相應的先進焊接技術，是實現汽車輕量化與鋁合金焊接技術協調發展的有效途徑。

關鍵詞：汽車輕量化;焊接技術;鋁合金

中圖分類號：TG445???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0105-03

Research on Aluminum Alloy Automobile Lightweight and Welding Technology

Tang Rongrong ，Tang Xuebang

（Guilin University of Aerospace Technology， Guilin， Guangxi 541000， China）

Abstract： Automobile lightweight can effectively reduce the energy consumption in automobile production and maintenance. The main means is to apply high strength aluminum alloy and achieve technical innovation and breakthrough in its welding process. In the automobile manufacturing industry， a large number of high-strength aluminum alloy materials are often used to realize automobile lightweight design. The corresponding aluminum alloy welding technology should also be further developed and innovated， and become an important technical driving force for the development of automobile lightweight. Therefore， the material characteristics and application of automobile lightweight and aluminum alloy welding technology were described， and the corresponding advanced welding technology was explored， which is an effective way to realize the coordinated development of automobile lightweight and aluminum alloy welding technology.

Key words： lightweight car; welding technology; aluminium alloy

0 引言

汽車輕量化有利于減少整車重量，提高燃油效率與有害氣體排放量，在當前我國經濟生產節能降耗、減少石油燃料依賴度有很大貢獻。除此之外，我國正在推進新能源汽車的發展與普及，與傳統燃油汽車相比，新能源汽車的動力系統自重量比燃油及發動機更大，整車質量更高，因此汽車輕量化的需求也進一步迫切。汽車輕量化的基本思路是提高整車強度、性能的同時對汽車進行整體減重，以充分利用燃料使用效率的同時減少有害氣體排放量，根據比較顯示，鋁合金結構的車身設計比傳統鋼結構車身設計整重節約30%～40%，發動機重量減少30%左右，汽車輪轂減少50%左右，經濟效益不彰自顯，這就要求廣泛采用自重更輕的鋁合金材料、零部件，進一步降低整車重量與能源消耗、提升鋁合金材料在汽車輕量化設計中的實際貢獻，將鋁合金材料對汽車節能減排、提高性能方面的輕量化貢獻凸顯出來。同時，應用新材料就必須有與之適應的焊接技術，因此對開發高性能鋁合金及其焊接工藝的要求也有著進一步的改善需求，例如有效改善傳統鋼材焊接技術的氣孔、飛濺、裂痕等工藝現象，朝著進一步減少焊點數量、進一步縮短加工工序及材料消耗、進一步提高生產裝配效率的方向發展鋁合金焊接技術，才能加速推進汽車輕量化的整體市場需求，進而推動汽車輕量化的可持續發展。

1 鋁合金輕量化材料及其焊接特性

1.1 鋁合金的特點

鋁合金作為輕量化材料主要有三大特點，其一是耐腐蝕性上佳，材料中鋁分子表面在原電池環境下會產生一層隔絕氧化作用的氧化膜，應用在汽車車體中接縫、彈性縫等防腐材料涂抹效果不佳的零部件位置，能有效延長汽車的使用壽命;其二是成本低廉，鋁合金原材料成本低，可回收利用而且再生料工藝成熟，能夠有效降低能源浪費現象，容易加工的特性也使得鋁合金生產成本進一步降低[1];第三是易于加工制作，當前汽車輕量化材料應用鋁合金的鋁擠壓技術已經全面且成熟，經濟性能比較凸顯。

1.2 鋁合金在汽車輕量化中的應用

由于鋁合金質量較輕，因此在汽車輕量化設計中最常見用于車身輕量化設計，例如奧迪 A8車身采用全鋁鈑金制作，整車重量比鋼合金減少約40%，提高車身抗碰撞性的同時也有效降低了能耗[2]。汽車底盤在整車重量中占有很大比重，因此在汽車底盤中局部應用鋁合金材料實現輕量化也是一種務實思路，包括底盤懸掛系統、鋁合金動盤等關鍵部位的用材能夠延長底盤使用壽命，提高整車性價比是很高的。目前汽車發動機中許多部件也應用鋁合金更優良的導熱性和力學特性進行優化設計，例如鋁合金活塞的應用，通過提升活塞使用效率來提高汽車的輕量化水平。此外為了有效減輕整車重量，鋁合金也應用于制造車輪減震、抗腐蝕、高耐久的汽車輪轂。1.3 鋁合金焊接特性

常用焊接結構鋁合金成分與性能如表1所示。鋁合金焊特性要適應鋁合金的材料材質，其焊接特性是與傳統焊接技術熔化極惰性氣體保護焊（ MIG ）和熔化極活性氣體保護焊（ MAG ）相比較而彰顯的[3]。傳統焊接技術通過在熔化極采用不同的的保護氣體，例如氬氣、氦氣或惰性氣體為主的混合氣體，在惰性氣體電弧條件下完成作業，一般采用短路過渡、大滴過渡、射流過渡等作業原理進行焊接作業，比較容易實現自動化生產，適用于大熔深母材與連續等速送進焊接作業，在碳鋼、低合金鋼和不銹鋼的焊接上廣泛應用，但隨著密度、厚度、質量更低的鋁合金廣泛應用，對焊接缺陷、焊縫質量、作業成本的要求更高，諸如激光焊接、冷金屬過渡焊接、攪拌摩擦焊接、電極帶式電阻點焊接等更適合鋁合金焊接的技術應用也逐漸廣泛起來。當前鋁合金輕質材料的應用范圍僅次于鋼材，而且在氧化性、導熱性、導電性、線膨脹系數等方面都比傳統鋼材要求更高，具有熱變形大、尺寸精度高、氣孔率低、理化性質燒損率低等新工藝要求。

2 鋁合金汽車輕量化先進焊接技術

2.1 激光焊接技術

鋁合金激光焊接技術使用高能量、高密度激光束為熱源，進行焊接作業，當前廣泛應用于變速箱齒輪、發動機連接件、鈑金拼接、車身框架制造等汽車工業。與傳統的氣體保護焊接法相比，此技術具有自動化程度高、焊縫變形率低、熱影響區小、接頭質量精密等優點。通過實際應用對比表明，激光焊接技術由于焊接設備無需與母材直接接觸，因此在固定單位長度上的熱輸入與傳統焊接技術相比更低，表面溫差更小，產生的焊接變形與殘余應力更適合厚度更低、強度更高的鋁合金車身薄板;而在高復合性的鋼材、砂筑鎂合金焊接效果來看，激光焊接所產生的熔池深而窄，不利于焊縫內氣體逸出，更容易產生氣孔問題等焊接缺陷，因此在鋁合金焊接方面應用激光焊接技術更加具有效率，但也要研究如何進一步降低激光焊接過程中產生的等離子體云，減少激光的吸收與反射導致影響能量轉換效率等問題。

2.2 激光-電弧復合焊接技術

激光-電弧復合焊接技術產生于20世紀70年代末期，其焊接原理融合了電弧以及激光兩種焊接技術的優點[4]。與激光焊接技術相比，復合焊技術引入了電弧焊相結合的焊接工藝，利用電弧焊間隙適應性強的優點改善焊縫成型質量，提高激光焊接速度，激光焊接過程中熔池上方產生的等離子體云對 MIG 焊槍形成的電弧具有穩定作用，通過光學吸收現象吸收電弧等離子體，能夠有效降低金屬表面的激光束吸收、反射現象，提高激光束的整體傳輸效率。當前我國汽車生產制造中多少情況下以激光-電弧焊復合焊接技術替代了單一的激光焊接技術，例如在德國大眾輝騰鋁合金車門焊接、奧迪 A6 車框焊接等具體工藝方面，都采用了激光-電弧復合焊接技術進行焊縫作業，與單一激光焊接技術相比，復合焊接技術下，在相同熔深下的焊縫成形焊縫更窄，焊縫表面更加平整，而且更能夠適合不同異種金屬的焊接適應性，是比較適應汽車輕量化的先進焊接技術[5]。

2.3 冷金屬過渡焊接技術（CMT）

冷金屬過渡焊接技術的基礎原理是短路過渡焊接技術，但是冷金屬過渡焊接技術利用熔滴與熔池接觸短路作業時，能夠在瞬時內將焊接電流降至極低，焊接熱輸入量能夠有效減少約23%左右。除此之外，冷金屬過渡焊接技術以極高的機械轉換頻率促使焊絲高速完成送絲-回抽作業，當頻率高達100 Hz 時，而焊接電流無限接近于0，相對傳統的熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護焊而言，此時熔滴過渡進熔池飛濺現象降至最低。除此之外，冷金屬過渡焊接技術還可通過焊絲在正極之間的移動調節作業質量，焊絲越是靠近正極，作用于母材上的電弧熱量越高，能起到增加熔深、清理母材表面的氧化膜的作用，焊絲越是靠近負極，作用于焊絲上的電弧熱量越高，能起到增加熔化量、提高工件連接能力的效果，可見冷金屬過渡焊接技術通過調節正負半波能夠精確控制鋁合金焊接質量，能夠有效適應各類工件需求。

2.4 攪拌摩擦焊接技術（GHI）

攪拌摩擦焊屬于固相焊技術，是一種有突破性的新型焊接技術，其工作原理是利用高速轉速攪拌頭與工件激烈摩擦，以摩擦熱作為焊接熱源在進入熱塑性的母材上完成焊接工藝。攪拌摩擦焊接技術施焊時對工件的剛性固定要求很高，與傳統焊接技術相比沒有焊絲、焊劑、保護氣的材料消耗，也沒有熔滴產生，有效避免了熔池飛濺、氣化煙塵、熔池氣孔結構、工件裂紋等現象。除此之外，攪拌摩擦焊接技術的熱輸入較低，化學性影響小，對鋁合金材料的理化性質及金相組織結構的改變很少，介金屬形成量很小，因此攪拌摩擦焊接技術能夠適應絕大多數在新型鋁合金材料在汽車各部分組件上的焊接作業，可廣泛應用于車身框架、汽車輪轂、發動機、底盤懸掛系統、車身鈑金等零部件焊接作業[6]。

2.5 電極帶式電阻點焊接技術（FSW）

電阻點焊技術的基本原理是以工件之間接通電流產生的電阻焦耳熱應為熱源，使工件進入熱塑性狀態相互聯接，具備易于自動化、焊接效率高、節省成本等經濟優勢，在當前的汽車生產制造中應用是主要的車身焊接方法。以小型家用汽車為例，車身材料多數由高強度的鋼合金及鋁合金構成，焊點一般在4 500個左右，其中鋼鋁復合接頭所占比重非常大，所以電極帶式電阻點焊接技術以其較高的焊接效率得到了廣泛應用[7] 。主要注意的是，鋼、鋁合金之間的電阻值不同，鋁合金所需的焊接能量要大于鋼合金且鋁合金的熔點更低，電極容易吸附熔化的鋁合金導致電阻熱產生變化，因此電極需要隨時更換、清理，如何保證電極帶式電阻點焊接連續性是該技術進一步發展的客觀趨勢[8] 。

3 提升鋁合金汽車輕量化與焊接技術的發展途徑

3.1 優化結構設計

優化結構設計是實現汽車輕量化技術的基礎條件，近年來鋁合金以其優異的性能、低廉的成本，在車身結構設計方面能夠更好地滿足汽車的功能性與舒適性，工藝也大為成熟，汽車設計專家可通過合理的結構設計，對工件形狀進行改良、發展，在車身設計中大量應用鋁合金材料，減少耗能高的鋼材合金的應用[9]。例如美、德、日等汽車工業發達國家的汽車結構設計均大量應用了鋁合金，其中日本本田公司車身設計中鋁合金的用量最高，達到80%左右，德國大眾系列汽車車身設計約在60%左右，而且大量鋁合金結構能有效提高焊接效率，進一步降低鋼、鋁合金之間熔點、電阻不同的焊接問題。3.2 選擇輕量化材料

我國鋁資源及加工業排名世界前列，汽車工業中除了家用轎車以外，罐車、貨車也常常大量應用鋁合金結構，不但推進了汽車輕量化進程，而且節能環保。當前鋁合金分類以其性能不同大量應用于汽車工業，例如鑄鋁多用于汽車發動機、汽缸蓋、連桿、曲軸等汽車零部件的制造，變形鋁合金多用于焊接結構，冷加工強化鋁合金不但強度較高，而且適用于冷金屬過度焊接技術，熱處理強化鋁合金的屈服極限與合金鋼接近，適用于制造車身鈑金，其通用結構均可作為型材組合焊接，能在保證設計強度的前提下有效減少車身重量，一般可達合金鋼材料重量的2/3左右[10]。

3.3 創新制造技術

當前我國汽車制造業應用鋁合金材料，相應的焊接技術主要為激光焊接技術，近年來一些高端車型也應用了攪拌摩擦焊接技術、電極帶式電阻點焊接技術等國際新型技術，目前尚在進一步發展之中，但保障我國汽車工業中應用鋁合金汽車輕量化事業不能單靠沖壓焊接技術，液壓成型技術也齊頭并進[11]。當前應用于汽車構件的生產當中，管材液壓成型技術引入我國汽車工業并快速發展也已有30年左右的歷史，與傳統的沖壓焊接技術相比，管材液壓技術可以更進一步降低零件制造的成本，尤其是汽車底盤零配件的生產制造，其材料成本比焊接技術低10%左右，設備成本低15%左右，而且也在不斷發展之中，可視為焊接技術的必要補充與創新動力[12]。

4 結束語

根據國內外汽車工業發展趨勢以及本文分析研究表明，鋁合金材料在汽車輕量化中的應用是一條有效降低車身重量、提高車身性能的重要途徑，而與之同步發展的焊接技術是優化汽車構造質量的最有效措施。根據不同的鋁合金材料及焊接材料選擇合適的焊接技術對汽車產業健康發展具有重要意義，應通過先進的結構設計、選擇輕量化鋁合金材料及發展創新工件成型技術以推動鋁合金材料的應用及焊接技術的革新，為我國低碳時代的汽車輕量化發展提供助推力。

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作者簡介：湯蓉蓉（1995-），女，廣西桂林人，碩士研究生，助教，研究領域為汽車營銷與交通規劃。

唐學幫（1972-），男，廣西鐘山人，教授，高級工程師，研究領域為客車技術與工藝。

（編輯：刁少華）