鋁點(diǎn)焊技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用

洪海玻，魏慶豐，杜坤

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 安徽合肥 230000

伴隨著汽車電動(dòng)化及智能化的發(fā)展，汽車制造材料構(gòu)成，發(fā)生了較大變化，高密度材料比例下降，低密度材料比例較大幅度地增加。其中鋁材的優(yōu)點(diǎn)，因其較低的密度及較高的耐腐蝕性能等，在汽車中的應(yīng)用比例逐漸增加。據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，每1kg鋁約能代替2.25～2.5kg鑄鐵。所以大量采用鋁制件是減輕汽車質(zhì)量的一個(gè)方面。

汽車白車身作為整車的主體結(jié)構(gòu)，隨著鋁材的大量應(yīng)用，鋁材的連接技術(shù)也變得尤為關(guān)鍵。目前常見涉及鋁材連接的技術(shù)包括鋁點(diǎn)焊、摩擦焊、自沖鉚接、壓鉚、高速射釘、熱融自攻絲、激光焊、弧焊、粘接及螺紋聯(lián)接等，其中電阻點(diǎn)焊技術(shù)，如圖1所示。鋁材電阻點(diǎn)焊技術(shù)以其成本低、質(zhì)量輕及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，仍為當(dāng)前鋁材焊接的主要工藝，本文針對(duì)鋁材點(diǎn)焊工藝進(jìn)行相關(guān)技術(shù)總結(jié)。

圖1 鋁材電阻點(diǎn)焊

設(shè)備及參數(shù)選擇

1.鋁點(diǎn)焊特點(diǎn)

鋁點(diǎn)焊與鋼點(diǎn)焊的主要差異見表1。

表1 鋁點(diǎn)焊與鋼點(diǎn)焊對(duì)比

2.焊接參數(shù)的選擇

相關(guān)參數(shù)的選擇，與鋼點(diǎn)焊相同，都取決于板件的厚度及材質(zhì)。而板厚是選擇的主要參考要素，材質(zhì)強(qiáng)度可作為輔助參考因子，見表2，視具體情況微調(diào)。

表2 鋁點(diǎn)焊相關(guān)參數(shù)選擇參考對(duì)照表

對(duì)于兩層板焊接，取最薄作為參考板厚。如1mm＋1.5mm焊接，以1mm板厚進(jìn)行參數(shù)的選擇。三層板焊接，以三個(gè)板厚居中的板件厚度作為參數(shù)選擇參考基準(zhǔn)。比如1mm＋2mm＋3mm及1mm＋2mm＋2mm都選擇2mm作為參考。

因鋁材質(zhì)同體積下強(qiáng)度相對(duì)低，為了獲得同等剛性，往往材料相對(duì)較厚。目前已知的最大可焊搭接為5mm+5mm。

生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

由于鋁點(diǎn)焊相對(duì)鋼點(diǎn)焊需要更大的電流和壓力，使得生產(chǎn)過程中的電極修模、夾具防護(hù)及板件外觀面控制需要采取相應(yīng)的特殊控制。

1.電極修模

鋁合金易形成低熔點(diǎn)（547℃）的共晶物，其電阻率較大。鋁合金板件較大的熱導(dǎo)率和焊接時(shí)較大的熱量，使得電極在與工件的接觸面上產(chǎn)生局部熔化并發(fā)生共晶反應(yīng)，導(dǎo)致電極與工件粘連，影響焊接表面質(zhì)量。同時(shí)破壞了電極表面的連續(xù)性，進(jìn)而影響后續(xù)焊點(diǎn)焊接時(shí)電極與板件的接觸狀態(tài)。將加劇飛濺、局部熔化及粘連的產(chǎn)生，使焊接質(zhì)量持續(xù)下降。在連續(xù)焊接中，表面不連續(xù)性具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，點(diǎn)焊過程對(duì)工件表面狀態(tài)、電極壓力、焊接電流等因素非常敏感，使得連續(xù)點(diǎn)焊焊核尺寸波動(dòng)較大。

解決以上問題是實(shí)現(xiàn)鋁點(diǎn)焊的關(guān)鍵，目前采用以下兩種主要方式：

1）較高頻次的修磨，參考建議每次50點(diǎn)。對(duì)于銅牌保護(hù)焊點(diǎn)，銅牌的打磨建議為每次200點(diǎn)。

2）動(dòng)態(tài)焊接，即在焊接通電時(shí)，焊槍同時(shí)繞著電極軸線方向旋轉(zhuǎn)（可設(shè)置為30°）。該方案作為輔助措施，可降低一定程度的粘連。

通過以上兩種方式配合使用，可在一定程度上解決鋁點(diǎn)焊最主要的粘連問題。特別提示，由于收縮效應(yīng)，同等條件下正極會(huì)受到更多損傷，需要更多保護(hù)的焊接面，如外觀面應(yīng)接負(fù)極，以減少電極磨損導(dǎo)致的焊點(diǎn)外觀質(zhì)量下降。

2.工裝處理

由于鋁點(diǎn)焊焊接電流大，產(chǎn)生的電磁干擾已經(jīng)很大。需要對(duì)所有電信號(hào)元件及磁性開關(guān)進(jìn)行耐強(qiáng)磁處理。

對(duì)于距離焊鉗300mm以內(nèi)的夾具也需要特殊處理。定位銷、托壓塊以及有硬度和耐磨要去的零件建議采用特殊材質(zhì)，7Mn15，高溫時(shí)效處理45～50HRC。過渡塊可采用0Cr18Ni9，表面硬化HB187。尺寸大的過渡塊可使用鋁合金。

鋼鋁焊接嘗試

鋼鋁混合焊接效果很不理想，基本很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，鋼鋁混合焊接時(shí)，往往鋼材一側(cè)已經(jīng)過燒，而鋁材一側(cè)尚未形成焊核。所以不建議采用電阻點(diǎn)焊的方式實(shí)現(xiàn)鋼鋁混合焊接。僅對(duì)于一些特殊部位的特殊情況，嘗試進(jìn)行鋼鋁混合點(diǎn)焊的嘗試。

鋼鋁混合點(diǎn)焊僅可作為過程點(diǎn)，確定工藝使用。容易疲勞失效，不可作為唯一的受力連接工藝。可通過增加涂膠、熔化焊、螺接等方式進(jìn)行加固。焊接點(diǎn)設(shè)置為兩層焊接，鋁材厚度不應(yīng)過薄，建議大于鋼板厚度50%以上。三層板焊接基本無法實(shí)現(xiàn)，對(duì)于最外兩層為鋁板，中間為鋼板的三層板焊接性相對(duì)改善。應(yīng)參照鋁材厚度設(shè)置鋁材點(diǎn)焊的焊接參數(shù)為基準(zhǔn)參考。鋼板側(cè)使用大端面電極頭或者設(shè)置銅牌，鋁材側(cè)使用小端面電極頭。鋁材側(cè)設(shè)置為正極。

結(jié)語

2021年電動(dòng)車銷量占比達(dá)到10%，汽車電動(dòng)化趨勢(shì)已經(jīng)成型。隨著各大新能源車廠家對(duì)電池質(zhì)量、成本及容量等參數(shù)的不斷探索，相信輕量化會(huì)成為產(chǎn)品開發(fā)的重中之重，鋁點(diǎn)焊技術(shù)也必將成為中短期汽車輕量化的主要技術(shù)路線。