汽車車身制造中鋁合金連接技術研究

盧清爽 楊杰寅 秦志剛

（一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，天津301509）

0 引言

綠色低碳、可持續是世界經濟發展的潮流和趨勢，中國在2020年提出了“雙碳”目標，力爭于2030年前達到峰值，在2060 年前實現“碳中和”。2021 年末全國汽車保有量已突破3億，目前我國千人汽車保有量相比發達國家還有很大差距，未來汽車保有量會持續增加。交通領域的碳排放“居于高位”，車身輕量化是降低碳排放行之有效的手段，汽車質量減輕10%，油耗降低7%[1-2]。另外，消費者對新能源汽車的續航能力有著越來越高的要求和期待，車身輕量化已經成為發展趨勢。

婁元豪等[3]認為車身輕量化應從結構輕量化、材料輕量化、工藝輕量化3個方面同步進行，實現結構一體化，研發綜合性能更好的輕量化材料以及采用更加先進的制造工藝是實現汽車輕量化的重要途徑。王國軍[4]對汽車用鋁合金板材的結構設計及應用技術進行了系統性的概述，在設計有鋁制發動機蓋內板中應用了結構拓撲優化技術和CAE分析技術。王小蘭[5]歸納了車身輕量化材料，主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料及工程塑料、非金屬復合材料、混合材料等，較新研發的有鋼鋁組合混合材料、鋼鋁及碳纖維增強復合材料。楊海[6]等對比研究了弧焊、自沖鉚接，熱熔自攻絲、無鉚連接4 種工藝連接6082-T6鋁合金，MIG焊接的對接接頭效率最高，達到64%，相同條件下無鉚連接的力學性能最低，吸能效果較差。鋁合金是最重要的車身輕量化材料之一，但目前針對鋁合金在汽車制造中應用的綜合分析較少。本文從鋁合金材料的焊接性、連接技術等方面進行研究歸納，為汽車行業及其相關產業的應用提供參考。

1 鋁合金材料

鋁合金的密度為2.7 g/cm3，約為鋼的三分之一，具有高比強度、抗沖擊性能和耐腐蝕性能，價格相比鎂合金、鈦合金低，是使用最廣泛的輕量化材料之一。鋁合金最早在20世紀50年代開始用于汽車發動機和傳動部件的制造，隨后日本的馬自達汽車公司在RX-7 跑車車身制造中引入了鋁合金，減輕汽車質量的同時提高了車身結構強度[7]。綜合考慮成本、性能及輕量化效果，多材料混合車身設計成為車身輕量化手段的主要發展方向，上汽通用CT5車型鋁材占比64%，蔚來ES8 車型鋁材占比96%，特斯拉汽車采用一體壓鑄鋁合金后地板，一汽-大眾部分車型前蓋、電池外殼箱體、后地板使用鋁合金材料。

在鋁合金中添加微量元素，可以提高其綜合力學性能。根據增加的元素不同，鋁合金分為一到九系。一系是純鋁，九系是備用組號。目前，在汽車制造中應用的鋁合金有三系、五系、六系和七系，應用相對較多的是五系和六系；三系強度較低，則主要用于輪罩等非承載部件；七系力學性能優異，可以用于制作飛機的起落架，也被稱為航空鋁合金，成本較高（表1）。

表1 鋁合金分類[5]

2 鋁合金的焊接性

2.1 鋁/鋁的焊接性

在車身制造中，焊接是焊裝車間最常用的連接技術。不同材料的可焊接性不同，適用于不同的焊接方法。對于鋁/鋁焊接來說，主要有5個難點。

（1）鋁熔化之后粘度大、流動性差，容易形成表面缺陷。

（2）鋁特性活潑，表面易形成致密的氧化鋁薄膜，氧化鋁熔點高達2 050 ℃，會阻礙鋁合金的熔化，導致未熔透、夾渣等缺陷[4]。

（3）鋁合金液態時能溶解大量氫，固態幾乎不溶解，焊接熔池凝固后極易形成氫氣孔。

（4）熱導率高，約為鋼的4倍，焊接時熱量損失大，應盡量采用能量集中、功率大的熱源，比如激光焊、等離子束焊。

（5）焊縫和熱影響區容易軟化，焊接時合金元素易蒸發燒損，使焊縫性能下降。總體來說，鋁合金的焊接性比鋼要差，焊接難度更高。

2.2 鋁/鋼的焊接性

鋁/鋼焊接的難點不僅包含鋁焊接的難點，還包含鋁和鋼2種材料之間性能差異帶來的難點（表2）。

表2 鋁合金和碳鋼性能對比[8]

（1）鋁和鋼的熔點差異大，鋁合金的熔點約為600 ℃，鋼的熔點約為1 500 ℃，很難形成熔焊接頭。

（2）鋁的導電性優于鋼，在最常用的電阻焊過程中，焊核會向鋼一側偏移，導致焊接接頭強度較低。

（3）對于鋼和鋼的焊接，電阻最大的地方是鋼材本身，熱量集中在鋼板上（圖1）。

圖1 不同材料電阻點焊過程中電阻熱分布示意[9]

（4）對于鋁和鋁的焊接，由于鋁導電性好，自身電阻小，而板材之間以及板材與電極帽之間的接觸電阻較大，因此界面連接處熱量較少，不利于形成焊核，而板材與電極帽之間容易發生粘連。

（5）對于鋁和鋼的焊接，電阻熱主要生成于鋼板內部，導致熱量分布極度不平衡，容易出現熔核偏移、界面處縮孔等問題[10]。

（6）鋁和鋼的導熱性和線膨脹系數差異大，變形和焊接應力大。

（7）鋁、鋼固溶度低、冶金相容性差，易生成脆而硬的Fe-Al 金屬間化合物（Inter Metallic Compounds，IMCs），不利于接頭的力學性能[11]。

（8）鋁/鋼之間的焊接性比鋁/鋁更差，目前鋁和鋼的焊接技術沒有在汽車主機廠實現規?；瘧谩?/p>

3 鋁合金連接技術

連接技術可以分為焊接、機械連接和粘接。焊接是通過加熱、加壓或兩者并用的方式使2種材料間實現原子間結合的連接方法。機械連接是通過連接件的機械咬合作用實現連接的方法，如鉚接、螺紋連接。粘接是借助膠粘劑在固體表面上所產生的粘合力，實現材料連接的方法。

3.1 焊接

3.1.1 電阻點焊

電阻點焊（Resistance Spot Welding，RSW）具有生產效率高、不需要焊絲和保護氣等輔助材料、易于實現自動化的優點，是目前汽車行業應用最為廣泛的焊接技術。電阻點焊的焊接原理是在電極壓力下，利用電阻熱熔化母材形成熔焊接頭。

由于鋁導熱快的特性以及高熔點氧化膜的影響，焊接時需要采用大電流、大電極壓力、短時間的硬規范，普通鋼板電阻點焊電流在6～10 kA，而鋁板焊接電流約為50 kA，因此鋁合金電阻點焊對焊機、變壓器的供電要求更高。

另外，鋁板與電極帽的接觸電阻產熱較多，容易出現粘帽現象，故每焊接20次左右需要銑削一次電極帽，而鋼板焊接可以做到每焊接100 次銑削一次電極帽。目前，粘帽現象的解決方案有以下3種。

（1）通用汽車發布環狀紋路電極帽專利（圖2）。特殊的環狀紋路在板材表面產生不同應力區，進而破碎氧化膜并得到相對可控的接觸電阻。根據Hu 等[7]的研究，環狀紋路電極帽能夠有效提升電阻點焊接頭的力學性能和焊接穩定性，同時電極帽的使用壽命相比傳統電極帽更長。

圖2 通用汽車的環狀紋路電極帽[12]

（2）焊接過程中，用旋轉20 mm 大直徑電極帽的方法來降低粘帽問題頻次，目前在奔馳E級車生產中有應用。

（3）Fronius 公司提出了Delta Spot 電極帶式電阻焊[13]，其工作原理是用電極帶來替代電極帽，每焊接一個焊點，電極帶就會移動一次，進而保證每次焊接都是新的清潔電極與工件接觸，但這種設備由于成本相對較高，在主機廠中應用較少（圖3）。

圖3 Fronius電極帶式電阻焊[13]

針對鋁/鋼電阻點焊過程中，在鋁/鋼界面處生成脆硬IMCs 層導致接頭性能不良的問題，Chen 等[14]對鋁/鋼界面的物相進行了表征，發現接頭的斷裂模式與IMCs層的厚度有直接關系，進而決定焊接接頭的力學性能。研究表明當IMCs 層的厚度低于3 μm 時，接頭斷裂模式為紐扣拉出失效，厚度大于3 μm時，表現為鋁側熱影響區失效或界面失效。調控IMCs層的厚度對接頭性能至關重要，目前多采用在鋁/鋼間添加中間層或母材鍍層的形式控制硬脆相的生成。張月瑩等[15]研究了Cu 中間層對鋁/鋼異種金屬電阻點焊的影響，接頭主要由熔核區和鋁/鋼界面區組成。熔核區主要為α-Al 固溶體，界面區主要由Fe2Al5層和Fe4Al13層組成，是接頭最薄弱的區域。Cu對界面區微觀組織及接頭力學性能具有明顯的影響，隨著純Cu 中間層厚度（0 μm，50 μm，100 μm）增加，界面區寬度減小，接頭拉剪力提高，這主要歸因于Cu 抑制了Al-Fe 金屬間化合物生長，改善鋁/鋼界面區的綜合力學性能。文獻[16]也表明了Cu、Zn、Si、Ti、Ni粉末均能在一定程度上改善接頭的力學性能。

3.1.2 弧焊

鋁合金弧焊通常采用熔化極惰性氣體保護焊（Metal-Inert Gas welding，MIG），MIG 焊接效率高，可適用于厚板焊接，同時焊接過程中的“陰極霧化”作用有助于去除氧化鋁膜。

鋁的熱膨脹系數是鋼的2倍，導熱性是鋼的4倍，因此鋁的焊接變形及應力比鋼大。在MIG 焊接過程中通常會采用Fronius 公司的冷金屬過渡技術（Cold Metal Transfer,CMT），通過焊絲機械回抽和數字焊機協調配合，可顯著降低焊接過程的熱輸入。目前，一汽-大眾佛山焊裝車間采用MIG技術焊接鋁合金電池外殼箱體，中國中車集團的鋁合金地鐵車廂拼接也多采用MIG焊接。

CMT 鋁/鋼熔釬焊接頭的強度主要受鋁/鋼界面的IMCs 層及鋁側軟化的熱影響區影響。Cao 等[17]對1 mm厚鋁合金和1 mm厚Q235鍍鋅鋼的CMT焊接參數進行了探究。通過優化參數以減小熱輸入能夠有效抑制IMCs層及鋁側熱影響區的生成進而提高接頭強度。Ye 等[18]使用MIG-TIG 雙面電弧釬焊的方法焊接3 mm 厚AA5052 鋁合金與Q235 低碳鋼，由于工藝更低的熱輸入，接頭界面處存在IMCs（Fe2Al5和Fe-Al3）中Fe2Al5（主要構成）的最大厚度減小到2.03 μm，接頭的平均抗拉強度是傳統MIG 接頭的2.5 倍，達到148.1 MPa。

3.1.3 激光焊接

激光焊接（Laser Beam Welding，LBW）是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，具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接變形小等優點。激光的產生原理是激光介質中的原子受到泵浦能量時產生原子躍遷，進入高能態，同時將吸收的能量以光和熱的形式釋放。當發出的光擊中其他原子時，基態原子就會吸收這束光；當高能態原子數量大于基態原子時，激光就得到了放大，光束在諧振腔內不停地振蕩放大，通過耦合鏡輸出產生激光[19]。

在車身制造工藝中激光焊接可以分為2 大類，一類是熔釬焊，需要焊絲填充焊縫，一般用于頂蓋、后蓋等可視焊縫區域。另一類是激光飛行焊，也叫遠程激光焊，不需要填絲，通過大功率的激光將搭接的板材直接熔透，主要應用于窗框和內板的連接。

為探究金屬表面鍍層對鋁/鋼異種金屬接頭組織性能的影響，Tan 等[20]使用了3 種不同的Zn 基釬料（Zn-2Al，Zn-15Al 和Zn-22Al）開展了鋁/鋼熔釬焊的研究。研究發現，通過控制金屬間化合物含量可以提升接頭力學性能。陳樹海等[21]研究了鎳箔中間層對鋁/鋼深熔焊的影響，鎳中間層的添加有效地改善了接頭力學性能，并擴大了可用的工藝參數范圍，這對鋁/鋼激光焊接在工業生產中實際應用提供了方向。

3.1.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法。攪拌頭高速旋轉并將攪拌針插入焊件的接縫處，高速旋轉的攪拌針與母材摩擦產生的熱量使焊縫處材料溫度升高而軟化，在摩擦產熱和軸肩的作用下，形成致密的固相連接接頭。攪拌摩擦焊是1991 年英國焊接研究所發明的新型焊接技術，由于在焊接過程中沒有弧光和煙塵，也被稱為綠色焊接技術[22]。FSW適用于鋁鋼的焊接，已在馬自達Roadster 車型的前蓋中連接鋁合金內板和鋼制結構件。

影響接頭質量的主要因素包括攪拌頭轉速、攪拌頭形貌和板材預處理方式等，提高接頭強度的方法包括優化焊接參數、對板材進行預處理或者添加填充層。Zheng 等[23]將純Zn 箔放置于鋼和鋁中間，類似于“三明治”結構，結果表明純Zn 箔可顯著提高接頭強度。在車身制造中，普遍使用的鍍鋅鋼板正好利于形成上述的“三明治”結構。攪拌摩擦焊在未來汽車制造的異種焊接中具有應用前景。

3.5 機械連接

3.5.1 熱熔自攻絲

熱熔自攻絲（Flow Drill Screw driving，FDS）是利用螺釘的高速旋轉產生的熱量軟化待連接板母材，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板實現鉆孔和攻絲。通過旋轉→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固這6 個步驟實現在開預制孔或不開預制孔同種或異種板材之間的連接，屬于不可拆卸單面連接工藝。

FDS 屬于機械連接工藝，可以用來連接包括超高強度鋼、鋁鎂合金和復合材料在內的異種材料。單面進槍適用于封閉型腔結構。FDS的劣勢為由于單面施力，對工件和機器人沖擊較大，連接時需要高強度剛性支撐。另外，螺釘端面有一定凸起，需要在工藝設計時考慮暴露在外的螺釘對車身后續裝配的影響。目前該連接技術已被應用于奧迪Q3和蔚來ES8等車型。

3.5.2 自沖鉚接

自沖鉚接（Self-Piercing Riveting，SPR）是通過特制鉚釘連接2種或2種以上金屬板材的機械冷成型連接技術，使用高強管狀鉚釘在高壓作用下穿透上層板材，同時鉚釘末端刺入下層板材后在壓力及下模作用下膨脹形成自鎖，從而實現連接。

SPR 優勢是可以用于異種材料的雙層或多層連接，鉚接過程能耗低、無熱效應、不會破壞涂層。劣勢是不同材質、厚度及硬度的接頭組合需要定制不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較高。同時，鉚接點的平面凸起2～3 mm。SPR需要使用C形鉚接槍，故板材雙側需要預留進槍空間。

SPR 主要用于中薄鋁板、普通鋼板及其混搭形式的連接，在捷豹XFL、通用CT6 和奔馳車身制造中有廣泛應用。

3.5.3 無鉚連接

無鉚連接（Clinching）是利用板件本身的冷變形能力，使板件產生局部變形而實現板件連接的技術。

Clinching屬于機械連接技術，適用于異種材料間連接。相比SPR，不需要額外的鉚釘，因此成本相對較低。缺點是連接強度不如SPR，主要用于強度要求相對較低的部件上（如四門兩蓋、輪罩）。Clinching技術同樣需預留雙面進槍位置，需要在工藝設計和線體布局時提前考慮。

3.6 粘接

車身制造中最常見的粘接工藝是膠粘連接，在汽車行業中的應用已經有很長的歷史。膠接除了防腐密封功能外，也發揮著連接作用。

膠接具有抗疲勞、減振、密封及絕緣性能好的優勢，并可阻止裂紋擴展，但無法承載大載荷，因此經常將膠接、焊接和機械連接等方式配合使用。對于鋁和鋼連接，母材之間的結構膠從物理上阻斷了鋁和鋼之間的直接接觸，避免接頭受電化學腐蝕影響。

3.7 連接替代方案（一體壓鑄）

一體壓鑄屬于金屬鑄造工藝，利用模具對腔內熔融金屬進行定型。特斯拉汽車使用中國力勁科技生產的GigaPress 6000 t級超大型壓鑄機，整體壓鑄鋁合金車身后地板，將70 余個零件減少為1 個零件，節省約1 000余次焊接工序。

一體壓鑄技術的優勢非常明顯，可縮短整車車身開發周期，同時相較傳統沖焊工藝，單件的材料利用率和工藝成本更低。劣勢為在鋁合金熱處理過程會產生形變，且尺寸后期無法通過夾具調整，尺寸精度低于冷沖壓件。壓鑄模的沖型、排氣、冷卻等工藝設計復雜，壓鑄過程高速填充、快速冷卻，產品易產生砂眼、裂紋、縮孔等缺陷，批量的探傷質檢也相對困難。對于消費者而言，后期整車維修的難度大、成本高。

4 結束語

（1）鋁合金的焊接性比鋼差，電阻點焊依舊是目前應用最廣泛的方法。鋁/鋼異種材料焊接難點在于鋁/鋼界面處反應生成硬脆金屬間化合物，致使接頭力學性能不佳。雖然在實驗室條件下，通過增加箔片、鍍層、優化工藝參數等方法可以得到相對較高強度的焊接接頭，但由于其成本和生產效率影響，難以在汽車行業實現規模化應用。機械連接和膠接是當下實現鋁/鋼異種連接的主要途徑。

（2）在國家“雙碳”目標戰略的大背景下，先進制造技術的輕量化需求日益凸顯，鋁合金是車身輕量化的重要發展方向，解決鋁合金材料在車身連接技術上的應用問題，將成為汽車產業發展的關鍵。