汽車鋁合金車身焊接工藝開發與應用分析

林文超

摘 要：輕量化是汽車發展的方向之一，鋁合金作為重要的輕量化材料應用于汽車車身中。本文討論了鋁合金作為汽車輕量化材料在車身焊接過程中存在的問題，并對電阻點焊、電弧焊、激光焊接和攪拌摩擦焊等方法進行了分析和討論。這些焊接方法各有優缺點，需要根據實際工藝需求選擇合適的方法。此外，為了優化鋁合金車身的焊接工藝，本文還提出了一些優化措施，例如采用合適的焊接參數、預處理材料表面以減少氧化等。這些措施有助于提高焊接質量和效率，為汽車輕量化提供技術支持和指導。

關鍵詞：鋁合金 焊接工藝 電阻點焊 電弧焊

1 引言

隨著社會的發展，汽車已經成為人們生活中不可或缺的交通工具。面對日益嚴重的能源危機和環境污染問題，汽車工業逐漸向輕量化、節能和環保方向轉型。其中，輕量化是汽車工業在節能和減排方面最有效的手段之一。鋁合金具有重量輕、比強度高、導熱性好等優點，成為了汽車輕量化生產的核心組成材料。

鋁合金車身的生產工藝是汽車輕量化中至關重要的一環。然而，鋁合金車身焊接存在一些問題，例如鋁合金熔點低、易氧化、焊縫質量不穩定等，給車身制造帶來了很大的難度。因此，為了解決這些問題，需要探討合適的焊接工藝，提高生產效率和焊接質量。

2 汽車鋁合金車身焊接工藝

鋁合金具有良好的強度和輕量化的特點，其強度高、重量輕、耐腐蝕性好等特點使其在汽車制造領域得到廣泛的應用。而鋁合金車身的焊接工藝也成了車身生產的重要環節之一。目前鋁合金車身焊接主要采用電阻點焊、電弧焊、激光焊接和攪拌摩擦焊等技術。

2.1 電阻點焊

電阻點焊是一種快速、低成本的金屬焊接方法，適用于焊接鋁合金車身等薄板材料。其操作簡單，只需要將焊接材料放置于夾具中，通過電流通過連接部位形成局部加熱，使鋁合金材料熔化，然后冷卻形成對一定形狀的連接點。這種焊接技術在鋁合金車身制造中得到廣泛應用，可以快速、高效地完成焊接工作，有效降低了制造成本。然而，電阻點焊也有其局限性，主要表現在焊接強度較低，不能承受高負載或沖擊負荷。在實際應用中，既要確保產品的質量，又要考慮使用的安全性，因此，電阻點焊的應用場合較為有限。

2.2 電弧焊

電弧焊是一種常用的焊接方法，廣泛應用于鋁合金焊接領域。其原理是在電極和焊接材料表面之間產生電流弧，使焊接材料表面熔融，在氧化保護氣氛下形成焊縫并冷卻。電弧焊可以使用于較大的工件，操作簡單，焊接效果良好，因此被廣泛采用。然而，鋁合金在高溫環境下很容易熔化，這就要求在電弧焊過程中需要采用氣體保護焊，以避免焊接材料的氧化。常用的氣體保護焊有惰性氣體（如氬氣）保護、惰性氣體混合氣體保護等。這樣可以保護鋁合金焊接材料表面，減少氧化反應，避免出現焊接質量問題，提高焊接強度和質量。同時在焊接過程中，注意控制電流時的電壓和電弧穩定性，一般要采用直流進行焊接。焊接之前需要清除材料表面的氧化物，保證焊接材料的清潔度，以避免對焊接質量產生負面影響。

2.3 激光焊接

激光焊接是一種近年來得到廣泛應用的鋁合金焊接方法，該方法利用激光束的高能量密度，將鋁合金材料快速加熱至熔點以上，使其溶解成為一體。由于激光束的焦點直徑小、聚焦能量高，因此該方法具有高精度、高效、無接觸等優點，并且可以減少熱影響區和變形，使焊接質量更加可靠。盡管激光焊接方法在細小和高精度部件的生產中表現良好，但設備成本較高，這是該方法使用的主要限制因素。大型鋁合金工件需要更大的激光功率和不同的焊接技術來應對，這進一步增加了使用激光焊接方法的成本。此外，該方法也需要專業技術人員進行操作，對人員素質的要求比較高。

激光焊接是一種高精度、高效、無接觸的焊接方法，對特殊領域的鋁合金焊接具有較高的應用價值。但該方法的設備成本較高且應用限制比較大。因此，在實際應用中需要靈活選擇，以滿足不同鋁合金焊接需求。

2.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種新型的愈合方法，該方法與傳統焊接方式不同，它通過在鋁合金板上施加攪拌力，并在高溫、超塑性狀態下加以愈合。相比傳統焊接方式，攪拌摩擦焊不產生氣體，沒有熔化、熱影響區和固化現象，可以有效提高焊件的強度和耐腐蝕性，同時降低生產成本。該方法廣泛應用于航空、汽車及其他鋁合金制品的制造中。

在實際應用中，需要根據具體情況選擇最適合的焊接工藝。在車身焊接中，攪拌摩擦焊是一種較為廣泛應用的焊接方式，可以達到高質量、高效率的需求。同時，在選擇工藝時還需要考慮其他因素，如對材料表面狀態的要求、加工成本、生產效率、環境影響等。需要注意其局限性，選擇適當的技術方案，并加強質量監控，以達到最佳的焊接效果[1]。

3 鋁合金車身焊接存在問題

3.1 鋁合金的熔點低

鋁合金車身焊接是制造輕量化汽車的重要工藝，然而這種焊接工藝也存在一系列的問題。其中，鋁合金的熔點低就是一個比較明顯的問題，容易導致過熱和燃燒現象的發生，進而影響焊接質量和結構強度。

一方面，鋁合金的熔點低，很容易在焊接過程中發生過熱和燃燒現象。過熱會導致鋁合金材料出現結構變化，形成熱影響區，進而對焊接接頭的強度和性能產生不利影響。而燃燒則會導致鋁合金材料的氧化和蒸發，影響接頭的質量和焊接強度。另一方面，鋁合金的熔點低也會導致焊接過程中，鋁合金材料難以達到充分熔化，影響焊接效果。為了解決這個問題，需要采取有效的措施對焊接參數進行控制，以確保鋁合金材料達到充分熔化狀態。

3.2 鋁合金易氧化

鋁合金的易氧化問題是焊接過程中需要非常重視的一個問題。鋁合金材料的氧化會導致焊接接頭周邊出現脆性氧化物，進而導致焊縫出現麻花狀和龜裂等缺陷，從而影響整個結構的強度和質量，并縮短了車身的使用壽命。在焊接過程中，鋁合金材料會與空氣中的氧氣接觸，如果不采用保護氣體進行控制，就很容易出現氧化現象。因此，焊接鋁合金時必須采用保護氣體焊接技術，利用保護氣體起到隔絕空氣中氧氣和其他雜質的作用，保護鋁合金材料不受氧化的影響。同時，在焊接鋁合金的過程中，控制氣氛也十分關鍵，需要保持一定的空氣流量和壓力控制，以避免空氣中的氧氣和水分混入焊接區域，導致鋁合金材料的氧化[2]。

3.3 焊接質量不穩定

鋁合金車身在焊接過程中容易出現間接缺陷，如針孔、氣泡、夾雜等，這些缺陷會影響焊縫的質量和強度，進而影響整個車身的結構穩定性。

間接缺陷的產生原因主要是焊接過程中存在的氣體、雜質和臟污等。這些雜質和氣體在焊接過程中無法完全排出，導致焊接接頭中出現針孔、氣泡、夾雜等缺陷。同時，焊接過程中焊接溫度的變化，也會導致鋁合金材料內部微觀組織發生變化，從而形成夾雜。這些間接缺陷的存在會對鋁合金車身的性能和強度產生很大的影響。針孔、氣泡等缺陷會導致焊接接頭的密封性變差，在使用中可能會發生泄漏，從而影響車輛的行駛安全。夾雜則會導致焊接接頭的強度降低，使得車身結構不穩定，影響行駛平穩性，由此也會影響乘客和行車安全。

鋁合金車身在焊接過程中容易出現間接缺陷，這些缺陷會對車身結構的穩定性和安全性產生不利影響。通過采用適當的焊接工藝和措施，可以有效地避免間接缺陷的產生，提高車身結構的穩定性和焊接質量[3]。

3.4 冶金不相容

鋁合金車身由于使用不同的型號和牌號的材料進行制造，這些材料的化學成分和物理性質可能存在差異，因此在焊接不同材質的鋁合金時，容易出現冶金不相容現象。這種現象表現為焊接部位出現局部破裂或者斷裂，導致焊接點的強度明顯下降，進而影響整車的結構強度和穩定性。

冶金不相容現象主要是由材料間的化學反應和不同熱膨脹系數所引起的。在焊接不同材質的鋁合金時，焊接區域的材料存在不同的既定化學反應，可能會形成化合物或其他復雜化學物質，從而導致焊接接頭部分的材料性能發生明顯變化，使焊接接頭的強度下降。此外，不同材質的鋁合金還存在不同的熱膨脹系數，當材料溫度發生變化時，不同材質會出現不同的熱膨脹程度，導致焊接接頭出現應力集中，從而出現裂紋和破裂現象，影響焊接接頭的強度。

冶金不相容現象會導致鋁合金車身焊接接頭出現強度下降的問題，威脅到整車的結構穩定性和安全性。正確選擇合適的焊接材料和工藝是減少冶金不相容風險的重要措施，對于保障鋁合金車身的質量和強度具有至關重要的作用。

4 鋁合金汽車車身焊接方法分析

4.1 鋁合金電阻點焊工藝

采用電阻點焊工藝焊接鋁合金車身，可以獲得高質量的焊縫，并且焊接結構牢固、耐久性強，而且操作簡單，提高了生產效率。除此之外，電阻點焊還能避免使用可燃性焊接材料可能引起的較大安全風險。但是，鋁合金電阻點焊在實際應用中也存在一些限制因素。首先，它對板厚限制較大，通常僅適用于板厚在2毫米以內的薄板材料焊接。其次，電阻點焊設備相對較為復雜，需要消耗大量的電力和空間，對于一些體量較小的企業來說，可能會導致技術和設備投入方面的問題。另外，鋁合金電阻點焊無法實現異種材料的焊接，因為不同材料之間的化學性質和物理性質不同，難以實現好的焊接效果。針對以上限制因素，我們可以選擇其他的焊接方法，例如TIG（鎢極氬弧焊）、MIG（金屬氣體保護焊）以及激光焊接等方法。這些方法在鋁合金車身焊接過程中都能夠達到較好的焊接效果，并且可以滿足不同的生產需求，從而提高鋁合金車身的生產效率和質量。

鋁合金電阻點焊是一種高效的金屬焊接方法，但仍然存在側重于板厚在2毫米以內、設備復雜和無法焊接異種材料的限制因素。在實際使用過程中，需要根據不同的產品和生產需求，靈活選擇合適的焊接方法，從而保證產品的質量和效益。

4.2 鋁合金汽車車身電弧焊工藝

電弧焊焊接速度快、能夠焊接不同厚度的金屬材料、設備簡單、成本低。但是，在實際焊接過程中，操作人員需要嚴格控制焊接電流和電壓，以避免過熱和燃燒現象的發生。鋁合金的熔點比較低，焊接溫度較高，同時鋁合金的熱導率較好，容易導致焊接位置過熱或者燃燒，影響焊接質量。因此，需要掌握合適的焊接電流和電壓的大小、焊接時間以及焊接速度等因素，實現合適的焊接溫度和熔化。此外，在焊接過程中，還需要注意氣氛控制，避免空氣中的氧氣、水蒸氣、油脂等雜質進入焊接區域，引起氧化和油漬，從而降低焊接質量。可以使用惰性氣體作為保護氣體，保證焊接區域的氣氛干燥和穩定。

鋁合金汽車車身的電弧焊是一種常規的焊接方法，對于加快焊接進度、降低成本等方面都有很大幫助。但需要嚴謹的操作流程以及工作人員對于氣氛控制的重視，確保焊接過程的順利進行，獲得高質量的焊接效果[4]。

4.3 鋁合金車身的激光焊接工藝

激光焊接是一種高效、高質量和高精度的鋁合金車身焊接方法。這種方法通過利用激光束的高能量密度來加熱材料并使其融合。

激光焊接的優點之一是快速焊接速度。激光束的高能量密度使其能夠快速加熱鋁合金材料，使其融化并形成焊接。這個過程非常迅速，可以在短時間內完成整個焊接過程。此外，激光焊接還可以保證焊接質量高。激光焊接可以實現高質量的焊縫，焊接縫的結構非常緊密，不會類似傳統的焊接方法那樣容易出現裂縫或腐蝕。這在汽車制造行業極為重要，因為要確保車身的結構強度和安全性。另一個優點是，激光焊接可以焊接復雜曲面和異種材料。激光焊接技術可以實現需要在復雜曲面上進行焊接的部件，如汽車車身的鋼鋁復合結構的焊接，傳統的焊接方法很難實現。除此之外，激光焊接還可以較容易地焊接各種異型材料，如鋁合金和不銹鋼之間的焊接等。然而，激光焊接也有一些缺點。需要注意的是，激光焊接需要嚴格控制焊接參數，否則會影響焊接質量。還有，激光焊接的設備成本較高。由于激光設備本身價格較高，因此在設備投資方面需要預算足夠的費用。

激光焊接是一種高效、高質量和高精度的焊接方法，特別適用于鋁合金汽車車身的焊接。然而，操作人員必須嚴格控制焊接參數，以確保高質量的焊接效果，并提前預算足夠的費用來購買激光設備。

4.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是一種新興的焊接方法，被廣泛應用于鋁合金車身焊接中。它通過機械運動引起摩擦熱并將金屬材料熔化接合。

首先，攪拌摩擦焊的焊接速度非常快。這是因為攪拌頭在焊接時高速旋轉，由于攪拌熱效應使材料表面的金屬得以熔融，在摩擦頭通過時，在材料的兩端構成攪拌區域的區域內，金屬材料會變得柔軟粘合在一起，如此一來，最終的焊縫就形成了。其次，攪拌摩擦焊的焊接效果非常好。焊縫幾乎沒有放熱區，沒有裂縫和氣孔。焊縫質量非常高，可以直接做推力和拉伸強度測試。這種焊接方法還可以適用于異種材料的焊接，如不同種類和不同厚度的鋁合金。不過，攪拌摩擦焊的設備成本相對較高，需要使用高力矩電機、變速傳動裝置、慣性制動器等特殊設備，因此不是所有的制造行業都適用于這種焊接方法。此外，當材料較厚時，就不能施加太大的壓力，否則會破壞材料的厚度，使焊縫出現撕裂等缺陷，影響焊接質量。這也是攪拌摩擦焊的一大缺點。總的來說，攪拌摩擦焊具有快速、高效、高質量的優點，應用領域廣泛，但同時也需要注意設備成本和焊接設備在不同厚度材質上的限制。

5 結語

隨著汽車輕量化趨勢的不斷加強，鋁合金車身作為一種優秀的輕量化材料得到了廣泛應用。然而，鋁合金車身的焊接技術面臨著一些挑戰，例如鋁合金的熔點低、易氧化等問題，這給車身生產工藝帶來了一定難度。為了解決這些問題，本文分析了現有的鋁合金車身焊接方法，并提出了一系列優化措施。針對焊接過程中存在的問題和挑戰，本文還提出了一些優化措施，如控制焊接參數、合理選擇焊接方法、加強質量監控等。這些措施可以有效地提高鋁合金車身焊接的質量和效率，并為汽車輕量化的發展提供一些參考和支持。在未來，我們相信隨著更多技術的涌現和應用，鋁合金車身焊接技術必將得到更加快速和靈活的發展，為汽車輕量化的發展注入新的動力和活力。

參考文獻：

[1]溫雨.汽車鋁合金車身焊接工藝開發與應用分析[J].時代汽車，2020（18）：2.

[2]紀圓，魏海峰，叢永亮，等.一種鋁合金輕量車身自動化焊接工藝，CN201811292735.0[P]. 2021.

[3]劉桂孫.汽車鋁合金車身焊接工藝開發與應用[J].中外交流，2018，000（048）：76.

[4]徐勇亮.全鋁合金白車身焊接生產線關鍵工藝設備探討[J].汽車世界，2019.