探析汽车车身异种金属板件磁脉冲焊接工艺

徐兴

摘 要：在汽车车身采用异种金属板件中由于材料的参数不同使其在焊接中存在许多不可忽视的问题，在此条件下许多学者对其焊接方法不断的研究及研发，其中磁脉冲焊接工艺在实际应用中具有较好的效果，其弥补了传统焊接方式中存在的缺陷及不足。为此本文从异种金属板件焊接中存在的难点入手，通过试验的方式来探讨磁脉冲焊接在使用中需要注意的技术难点及要点，以此对其焊接工艺进行深入分析，进而保证磁脉冲焊接工艺可以在异种金属板件焊接中得到良好的应用。

关键词：汽车；轻量化；磁脉冲焊接；异种材料焊接

在汽车行业其轻量化、节能化生产已经成为汽车设计中的重点内容，在汽车轻量化中其材料的选用及处理广受关注，其最主要的特点就是应用轻质合金来代替汽车车身部分所应用的钢材。由于目前在汽车生产中，其并不能全面的使用轻质合金，车身关键部位仍然以钢材的应用为主，为此必须要通过焊接的方式来对轻质合金及钢材进行连接。但是由于轻质合金与钢材之间物化性能差异大，因此采用普通的焊接方式容易造成材料之间出现融合效果差、裂缝明显等情况，严重影响焊接质量。

一、汽车车身异种金属在焊接中存在的工艺难点

目前在汽车车身中主要应用的轻质合金有铝、镁等，以下主要以铝为研究对象分析其与钢之间焊接存在的问题及难点。

1、物理差异

钢的熔点为1538℃，而铝的熔点为600℃，二者熔点之间存在的差异过大，这也使其在传统的熔焊中存在着铝先熔化而钢还远远没有达到熔点的情况。并且还需注意的是，钢的密度要远高于轻质合金，因此在熔焊中，钢完全熔化为钢水后，液态铝会浮于其表面，使钢、铝在凝固之后整体分布不均匀。再加上二者之间的热导率及膨胀系数等之间的差别会导致焊接后的产品出现脆硬的中间化合物，更易出现裂纹等情况。

2、化学差异

钢属于一种铁碳合金，而在异种金属焊接中需要注意，铁与铝之间的溶解度极小，在常态下可以说铁完全不溶于固态铝，因此在传统的熔焊中，二者的化合物状态无法受到控制，因此在实际中其钢、铝接头质脆且塑性较差。并且在高温环境下，铝会发生氧化反应，尤其是在高熔点下会形成阻碍液态金属融合的氧化膜，使焊缝处形成夹杂。

二、磁脉冲焊接试验

1、试验原理

变压器首先将380V工业电压升至数千伏，随后整流器将其整流为直流，并对电容器组进行充电。当电容器组电压上升至阈值后，接通高压开关，实现对线圈的放电。放电后，线圈回路產生高频的衰减电流I，由于电磁感应现象，在线圈周围空间中产生高频时变磁场，导致飞板内产生感应电流Iv。在线圈与飞板的间隙中，I与Iv产生的磁场相互叠加，形成增强磁场。在该磁场作用下，飞板会受到巨大的洛伦磁力Fl而产生高速塑性变形，与基板发生碰撞。在合适的碰撞速度和角度下，碰撞点会产生高速射流冲刷焊接表面杂质，使两洁净表面金属在高压下紧密结合形成金属键连接。

2、试验材料与方法

磁脉冲焊接试验采用德国PST公司生产的电磁脉冲连接装置PS48-16，其上部内嵌有两组平板线圈，可同时充电、放电，一次完成两组板件的焊接。线圈下面为板件的固定工装。通过该工装可限定两焊接板件的间距，亦可保证板件在高速撞击时板件的位移约束。

三、试验结果

对于Cu-SS焊接件，焊接区域铜板表面有明显的熔化现象，且有一定皱缩。这是由于放电能量大，而铜板过薄（0.1mm），铜板内的涡流产生热量，放电时使其表层瞬间熔化，放电完成后又迅速凝固。而对于Al-SS焊接件，由于采用厚度较大的铝板作为飞板，且铝的导电率较低，涡流较小，因此未出现表面熔化状态。表面质量良好，无损伤，基板无明显形变。铝板与不锈钢板在焊接区域完全连接在一起，无未焊接区域。在A和B两处，位于焊接区域的边缘有深灰色、质地松散的粉末。这些粉末是磁脉冲焊接过程中，飞板撞击基板时形成的高速射流，在惯性作用下喷射至焊接区域外，冷却后的产物。射流能清除焊接表面的氧化物和污染物，为板件结合提供清洁的表面。在碰撞的巨大压力下，元素互相扩散，两个清洁表面紧密结合。

四、分析与讨论

1、焊接界面中部与两侧微观特征的区别

断面焊接区域两侧焊接效果明显优于中部。引起上述差异的主要原因是冲击角度的不同。由于两焊接板件平行放置，当高速的飞板撞击基板时，中心区域是垂直撞击，冲击角度为0°，两侧板件撞击时有一定的撞击角度，会造成撞击速度在水平方向产生分量。垂直撞击会直接引起垂直方向的反弹，减弱板件的连接，一定的冲击角度能增加冲击的水平分量，减弱垂直方向的反弹。同时，射流的产生是波形界面和过渡区形成的至关重要的条件，直接影响到焊接效果。垂直冲击时，由于缺失撞击水平速度分量，往往不会产生射流。综上所述，焊接区域两侧位置的焊接效果往往要好于中心位置。事实上，撞击整个界面上撞击速度有一定差异，中部撞击速度略大于两侧，但只要撞击速度超过最小临界速度，连接强度便可满足整体要求。

2、板件厚度对焊接效果的影响

当飞板撞击基板时，在两板件中会产生沿着板厚方向的反射波，且方向相反。随后，反射波在板件外表面发生反射，传播至新的撞击点处并与该点冲击波叠加形成压力峰值。在碰撞点处碰撞速度高于两边位置的金属流动速度故形成波峰。波的形成与反射波在板内的运动时间有关。板件越厚，反射波在板件中传播时间越长，产生波峰的时间约长，故波形尺寸越大。

3、板间距对焊接效果的影响

如果不考虑基板的影响，飞板的运动可分为加速和减速两个阶段。在加速阶段中，飞板受到洛伦磁力而做向下的加速运动，速度迅速增大，洛伦磁力逐渐减小，加速度逐渐减小至零，飞板速度达到最大值。当飞板依靠惯性继续向下运动时，进入减速阶段，速度逐渐减小至最终停止。因此，通过适当调整基板与飞板的间距，便可获得一个最大的撞击速度，使焊接效果最优。

结语：本文中完成了铝-不锈钢和铜-不锈钢板件的磁脉冲焊接试验，结果表明磁脉冲焊接适用于铝-钢和铜-钢异种金属板件焊接，可有效地解决汽车应用中铝与钢的焊接难题。

参考文献：

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