铝合金车身的焊接技术

崔厚学，邹恒琪，刘昌雄

(东风汽车有限公司 制造规划总部，湖北 武汉 430056)

1 中国汽车工业发展现状和前景展望

2008年底席卷全球的金融危机严重侵蚀了世界实体经济，以美、日、西欧为代表的传统汽车市场连连下挫。中国车市彰显一枝独秀，得益于国民经济的持续增长和国家应对危机的政策措施，中国汽车产销量持续增长，中国已成为世界汽车的生产和销售大国，世界汽车的发展变化如图1所示。

2 铝合金车身的发展现状和前景展望

由于中国汽车市场经由孕育、导入期逐步向普及、成熟期发展，中国汽车产销量在可预见的时间内将持续稳定增长。2000年中国汽车产销量207万辆，2010年达1800万辆，预计到2015年将达2200~2 500万辆。

图1 世界汽车的发展变化（2001～2009销量）

目前世界46%的石油为汽车所消耗，2020年预计将达62%，能源危机已成为世界发展的严重制约和不安定因素。与此同时，汽车铝材需求量不断增加。单车用铝量：德国、日本146 kg/辆，美国154 kg/辆，中国127.5 kg/辆。

铝合金的重要特点是密度小，比刚度、比强度高，抗冲击性高，抗腐蚀性好，散热性好。研究表明：单车减重1%，燃油将降耗0.6%～10%；同时车身减重40%，静态扭转刚度提高40%。铝合金车身已成为轿车制造行业一个主要发展方向。德国Audi A8和东风品牌铝车身如图2、图3所示。

图2 德国Audi A8全铝车身

图3 东风品牌铝车身

2 铝合金车身的焊接技术

2.1 铝合金车身可焊性分析

铝合金车身是由铝合金压铸件、铝合金挤压型材和铝合金冲压覆盖件通过各种连接技术制成的。MIG焊、搅拌摩擦点焊、铆接等技术已开始应用于铝合金车身连接。

铝合金车身制造给焊接技术和工艺带来了很大的挑战。目前，铝合金的焊接主要存在以下问题：

（1）铝合金焊接后将带来焊缝和热影响区（HAZ）的强度损失。厚板焊接由于温度梯度大，一般都能保证焊缝强度达到母材强度的70%，但3 mm以下薄板时效强化型铝合金焊接，焊缝强度一般低于60%。

（2）焊接环境要求高，运行成本高。铝合金焊接受温度和湿度的影响非常大，这两种因素常导致严重的焊接问题，因此，焊接场地要保证温度和湿度符合要求。

（3）焊接变形倾向明显。由于铝合金的热膨胀系数大，弹性模量只有钢的1/3，同时由于期热传导系数大，焊接时往往需要更大的线能量。因此，与钢相比，铝合金的焊接变形倾向更明显。

粗糙集理论[9]是由波兰数学家Pawlak.Z于1982年提出的，对于处理大量数据、信息约简、处理不确定信息方面有一定的优势，其主要观点是保持分类能力不变的前提下，消除不相关和不重要的信息，得到事件的分类规则和决策规则。

（4）焊接接头质量控制。广义上焊接质量不仅仅是焊接接头质量的好与坏，而且包括焊接材料与母材的匹配性、耐环境能力、力学性能、抗失效性能、疲劳性能等都是焊接质量控制的概念。由于铝合金具有强氧化性线，膨胀系数大，导热、导电性好，因此极易产生气孔、裂纹咬边、夹渣合金元素烧损、耐蚀性下降等焊接缺欠。由于我国还没有系统地对铝合金材料、焊接材料、接头时效性进行系统研究，各种计算完全忽略了焊接接头性能，所以焊接的风险是存在的。

（5）焊接培训成本高，劳动力资源短缺。铝合金相比黑色金属焊接来说，培训周期长，培训材料昂贵。

（6）环境污染问题严重。铝合金焊接烟尘对劳动者的健康危害很大，虽然采取劳动者的临近保护措施，但大环境仍不能完全消除这种危害。

3.2 铝合金车身的焊接技术

综合铝合金焊接的特点及车身焊接的成本等因素，MIG焊和搅拌摩擦（点）焊是较为适宜的铝合金车身焊接技术。

3.2.1 铝合金车身MIG焊

MIG焊起源于美国，1948年被首次应用于工业领域。它具有焊接电弧稳定；焊缝成形均匀、美观；电弧气氛的氧化性很弱，甚至无氧化性，可以焊接许多活泼金属及其合金；焊接效率高等特点。在宝马公司BMW-5铝车体中，Audi-A8铝门、铝车体焊接中就大量采用MIG焊（见图4）。德国、日本研究了铝钢薄板异种金属的MIG钎焊工艺，并应用于汽车行业。德国奥迪、美国福特公司、英国美洲豹汽车公司使用MIG电弧钎焊焊接车身及构件。奥地利Fronius公司成功开发了单枪焊丝MIG焊技术，该技术焊接效率高，焊接变形小，焊枪小巧可达焊接任何位置。同时，在传统MIG焊技术基础上，各国焊接研究者不断研究和探索MIG焊，出现了脉冲MIG焊、双丝MIG焊和复合热源MIG焊等各种新型MIG焊接工艺，焊接质量控制和自动化水平也在不断提高。

搅拌摩擦焊技术是20世纪90年代由英国焊接研究所发明。搅拌摩擦焊依靠搅拌头的机械摩擦作用实现接头连接，搅拌头的旋转作用与焊接母材的转移过渡形成动态平衡，焊接温度低于材料熔点，属于固态连接方法。搅拌摩擦焊热输入少，温度低，材料不发生熔化，接头变形小，热影响区窄，无凝固裂纹、气孔等缺陷，焊接质量好，焊接接头外观平整，性能优良，焊后残余应力小，无需焊丝，不需气体保护，无飞溅，无辐射，是一种优质、高效、低耗的新型焊接方法，非常适用于铝合金车身的焊接。

图4 大众汽车Phaeton前门（48处激光-MIG焊道）

随着铝合金应用范围日益扩大，铝合金搅拌摩擦焊技术在航天、船舶、交通运输、储运设备等领域也得到了极大的应用。如挪威MARINE公司应用于舰船铝合金甲板、侧板等流水线结构件的焊接；日本HITACHI公司用于列车车体铝合金大壁板的快速低成本制造；麦道公司用于火箭、飞机等的大型高强铝合金燃料储箱；波音公司的DELTAⅡ型和W型火箭已全部实现搅拌摩擦焊制造；大众公司等应用于汽车悬架、轻合金车轮、铝合金车身等汽车部件的焊接；欧洲空客公司开始将搅拌摩擦焊方法应用于A350等大型民用飞机的制造。

搅拌摩擦点焊（FSSW）可分为直插式搅拌摩擦点焊（日本Mazda汽车公司于1993年发明）和填充式搅拌摩擦点焊（德国GKSS研究中心于1999年发明）。

与传统电阻点焊等连接技术比较，搅拌摩擦点焊（FSSW）具有以下优点：缺陷少、变形小，焊接质量稳定；节省能源、降低成本；工艺过程简单易行；连搅拌头工作寿命长；工作环境清洁。

日本Mazda公司在搅拌摩擦点焊技术研究开发方面处于世界前列。2003年该公司已经将FSSW技术用于RX-8发动机罩和后门的生产；后又与日本川崎重工合作，研制了固定式搅拌摩擦点焊设备（见图5）和与机器人结合的搅拌摩擦点焊焊枪机构。2005年，Mazda公司又将FSSW技术用于钢和铝合金构建的连接。2005年1月，美国Feng等人报道了采用FSSW技术进行高强度钢薄板焊接可行性的研究结果，采用带有退出孔的搅拌摩擦点焊方法对600 MPa的双相钢和1 310 MPa的马氏体钢进行焊接试验，在2～3 s的焊接时间内可获得固态冶金连接，其结果为充分利用高强度钢车体材料的优势提供了试验依据。

图5 搅拌摩擦点焊接设备

3.3 国内现有工作基础及发展方向

国内一些大学和研究所在铝合金焊接性、焊接材料、焊接工艺以及工业自动化方面做了许多基础研究，对推动汽车中的铝合金关键焊接技术做了很好的准备。如兰州理工大学在铝合金MIG熔池图像形态学处理、视觉传感、焊接熔宽控制系统上开展了研究。上海航天制造设备总厂研制了FSSW-SK-002、003、004搅拌摩擦点焊设备。

国内铝合金车身焊接的主要方向是：

（1）建立铝合金车身焊装线，至少应具备年产3万台整车的生产能力；同时开发单排和双排车共线的柔性焊装线，能够实现铝合金车身焊接自动补偿和控制，能够实现两种以上车型的混线切换，并保证骨骼精度合格率大于等于90%，车身配合精度大于等于85%，弧光烟尘符合国标控制，符合操作人员电磁健康要求；同时建立焊接工艺数据库，形成相应的技术规范与标准。按照精益生产和节拍平衡原则，合理布置全铝车身焊接自动化生产线。

（2）试验并完成全铝车身MIG焊的自动跟踪控制设备，建立铝合金焊接变形的夹具控制系统，搭建铝合金车身的全息检测系统。根据各个部件的材料、形状和强度要求，结合数值分析技术，制定合理的焊接工艺和规范并形成技术标准：包括MIG焊焊接电流、电压、焊接速度、焊接道次、接头形式、保护气氛、焊丝种类及焊丝直径。

（3）根据各个部件精度要求，利用数值模拟技术建立车身中铝合金焊接接头的焊接变形数据库，并据此合理设计车身焊接工装夹具、检具，控制焊接变形。

（4）将弧焊机器人系统及机器人搅拌摩擦焊设备引入全铝车身焊接生产线，开发焊接自适应及质量控制系统，实现焊接自动化，提高生产效率。

（5）将搅拌摩擦点焊设备批量装备于车身焊接线中，实现国产设备关键技术的突破；形成达到国际品质的铝合金焊接示范工程。FSSW接头结构、焊点位置布置、搅拌头几何形状、搅拌针伸出长度、搅拌停留时间、回压距离、旋转速度等；研究并试制完成国产化的FSSW焊接设备（焊针寿命大于2 000件），达到国际领先水平。

铝合金车身焊接的人机控制环境和系统开发技术路线如图6所示。

图5 铝合金车身焊接的人机控制环境和系统开发技术路线