搅拌摩擦点焊技术在汽车行业的应用

高辉

Abstract： With the lightweight development of products in the automotive industry， light alloys such as magnesium and aluminum are widely used， and their welding technology is also concerned by more and more industrial manufacturers. Friction stir spot welding technology is a new solid-state spot welding technology suitable for the connection of light metal alloys derived from friction stir welding technology. It can replace fusion welding， laser welding， resistance spot welding and other welding methods， and become a new friction stir welding method. This paper will briefly describe the background， basic principle and application of friction stir spot welding in automobile industry.

關键词：汽车轻量化;能源;环境;搅拌摩擦点焊

Key words： automobile lightweight;energy;environment;friction stir spot welding

中图分类号：U472.43                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0143-03

0  引言

汽车产业是全球各国经济的支柱性产业，任何一次的技术进步都会伴随着巨大的经济以及社会效益。随着汽车保有量的不断增加，在促进了世界经济不断发展的同时，无疑也对日趋减少的能源和日益恶化的环境造成了更大的压力。

目前，随着全球资源与环境保护问题日趋严峻，人们对环境的保护意识逐渐增强，世界范围内的国家都制订了较为严厉的法律规范，并采取了相应体系的技术改进措施，旨在于降低燃油消耗率的同时降低尾气排放，以达到缓解能源紧张现状的同时改善环境的目的。其途径主要有：大力发展新能源汽车;大力发展先进的发动机技术;大力发展汽车轻量化技术。新能源汽车以及新型发动机技术的研究从未间断，关于汽车轻量化技术，相关的技术研究数据结果显示，汽车整车质量每降低10%，燃油消耗率降低5.5%，燃油经济性随之提高。因此，汽车轻量化技术的发展与运用，是实现有效节能减排的重要手段之一，目前也已充分地引起国内外研究人员的关注。

目前，在车体制造中的材料中引入轻质合金是实现汽车轻量化的有效方式之一，常用的轻质合金主要包括高强度钢以及铝/镁/钛合金等，以轻质合金材料代替钢材料已成为当代轿车的主要制造原料。同时，铝-钢结构件在汽车工业生产中应用越来越广泛，如何解决铝合金材料以及铝-钢异种材料间安全可靠的连接问题，是其安全使用技术的关键。

传统的汽车用铝合金材质的连接方式主要有电阻点焊、铆接和激光焊等。目前，在汽车生产线上，常采用电阻点焊的方法进行连接，电阻点焊操作灵活性好、可靠性强且生产效率高，其焊接接头常见形貌如图1所示。缺点是焊接过程需提供大电流，易出现如图2所示的工件表面热变形严重等焊接异常现象，同时，耗能大，电极寿命短，工作环境差，点焊过程有飞溅，焊接接头质量不稳，焊接接头易出现软化严重、强度系数低等问题，在金属的表面，可能会出现难熔的氧化膜而在焊缝连接处出现裂纹、夹渣气孔、未熔合等缺陷。

因此，为保证车体强度以及制造安全，如何对铝合金材质进行更有效的连接，成为一项关键技术。研究和开发新型铝合金材料连接技术来代替电阻点焊技术，对于提高运载能力并促进铝合金在汽车轻量化中的应用，意义重大。搅拌摩擦焊以及搅拌摩擦点焊技术应运而生。

1  搅拌摩擦点焊原理

搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是在“线性”搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）基础上开发的新型固相焊接技术。其焊接原理类似于搅拌摩擦焊技术，在轴向力的作用下，高速旋转的搅拌头压入被连接件内部，此时，搅拌针及轴肩与被焊接工件产生直接接触，并产生摩擦作用，由于摩擦生热，被焊工件的金属材料被软化达到热塑性状态，之后，在搅拌头保压回抽作用下形成焊点。

对比于熔焊、电阻点焊等传统的连接技术，搅拌摩擦点焊技术主要存在着下列优点：

①焊接接头质量显著提高。搅拌摩擦点焊的焊接接头具有优异的机械性能，并且在焊接过程温度较低，使得焊接变形及残余应力水平都有较大幅度的降低。

②耗能少，成本低。有研究显示，单点点焊费用比电阻点焊节省近80%，较铆接节省95%。

③操作过程简单，焊点质量高。焊前不需清理，焊接过程操作简单，焊接后得到的点焊接头机械性能良好。

④焊接工具使用寿命长。理论上搅拌头可以经历10万次点连接而无耗损。

⑤工艺过程污染较小。产生的电磁辐射少，并且不易产生灰尘、烟雾、噪声污染。

搅拌摩擦点焊常见以下几种类型：

1.1 直插式

较为传统的搅拌摩擦点焊技术，目前在实际应用中最广泛，在焊接完成后会在焊点位置留下一个匙孔，因此又称为带有退出孔的搅拌摩擦点焊技术。其具体的焊接过程可分为以下3个阶段，如图3所示。通过搅拌头的压入、连接与回撤过程，完成焊接过程。但是，会在焊点中心留下“匙孔”。

该种焊接工艺最主要的问题就是焊接点接头处留下的“匙孔”破坏了接头的完整，因而会大大降低接头的强度和抗腐蚀性能，在受力时会在“匙孔”处产生应力集中。

1.2 回填式

采用的是一种特殊形式的搅拌头，如图4所示，该搅拌头中搅拌针和轴肩相互分离，可以进行相对运动，通过准确控制两者的相对运动速度与时间，使搅拌针（轴肩）扎入工件后，在轴肩（搅拌针）回撤的同时形成填充工件表面的“匙孔”，形成如图5所示，焊点平整，焊点位置没有匙孔。

回填式搅拌摩擦点焊的效率高，工艺过程简单，其焊缝外观类似于铝合金构件连接中目前常采用的电阻点焊，因而应用价值和研究意义重大。

1.3 无针插入式

无针插入式搅拌摩擦点焊技术是一种只依靠具有涡旋凹槽形状底部的轴肩作为搅拌头进行点焊工作的新型点焊技术。但成形原理与传统的搅拌摩擦点焊技术工艺有所不同，不会产生“匙孔”。

2  在汽车行业的应用

搅拌摩擦点焊（FSSW）技术解决了铝的氧化膜会在焊缝处形成夹渣的问题。在搅拌摩擦点焊过程中，通过界面变形，去除覆盖在铝合金表面的氧化膜，在焊接工具的搅动作用下，铝合金达到热塑性状态，因此可以使得两种材料很容易地结合在一起，可以获得良好性能的焊接接头，形成的焊缝外观与目前在汽车车体连接中常用的电阻点焊类似，由于其焊接工艺的便捷性和接头力学性能的优异性，以及在提高疲劳性能，延长使用寿命、节能绿色环保等方面所具有的突出优势，有望在汽车车体组装上完全替代电阻点焊而成为最重要的连接方法。如图6即为搅拌摩擦点焊技术在汽车上的应用。

事实上，FSSW最初的产生是便以部分替代电阻点焊用于汽车铝合金结构的焊接为目的的。

2003年，Mazda公司首次用搅拌摩擦点焊技术取代电阻点焊技术制造Mazda-RX8运动型轿车，在发动机罩和后门的生产中采用该技术，使其电能节约99%，设备成本节约了40%。

2004年，Mazda公司与川崎公司合作设计研究的新型固定式攪拌摩擦点焊设备和机器人结合的搅拌摩擦点焊枪机构，替代了汽车生产线上传统的电阻点焊机器人设备。

2005年，Mazda公司实现了将搅拌摩擦点焊技术应用于Mazda-MX-5的箱盖和螺钉固定套的连接技术中。

2005年，美国Oak Ridge国家实验室和福特汽车公司等开展了将搅拌摩擦点焊技术应用于薄板焊接的可行性研究。

搅拌摩擦点焊技术依然是汽车工业领域具有国际先进水平的新型连接技术，该项技术的工业化应用也处于不断的发展过程中。

目前，尚只有Mazda公司公开报道了所开发的搅拌摩擦点焊技术在个别汽车构件中的应用，其他公司对于此技术在车体等构件中的研究少见公开报道。

目前，北京赛福斯特技术有限公司针对汽车领域结构件的搅拌摩擦点焊研究与实验，已经获得了一定的收获。

3  结束语

我国关于搅拌摩擦点焊技术在汽车、航空以及轨道交通上应用的研究才处于起步阶段，距离工程化的应用还有很多亟待研究的基本问题，诸如焊接接头的成型原理、焊点内部塑性材料的流动形式与缺陷形成形式的关系、焊接过程中温度场对于焊接应力及变形的影响等原理性问题还需要深入研究。

目前，国内开始着手进行铝合金搅拌摩擦点焊技术的研究应用，不但可以规避国外在铝合金结构连接方式开发过程中遇到的困难和限制，并且可以使该连接方式的技术水准直接达到或接近国际先进水平，对铝合金材质在我国汽车制造领域的轻量化发展起助推作用。这对于提升我国装备制造技术水平、缩短同国外差距、增强装备制造产品的可靠性以及整体技术水平具有重大的意义。

相信在不远的将来，搅拌摩擦点焊技术将被更广泛地应用于车辆制造领域，并成为汽车轻量化制造的主导技术。

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