汽車輕量化車身先進連接技術的應用與發(fā)展

韓立軍，郭院波

一汽-大眾汽車有限公司 吉林長春 130012

1 序言

節(jié)能、環(huán)保和相關法律法規(guī)的要求，決定了汽車車身輕量化的發(fā)展趨勢。鋁合金和熱成形鋼材料是車身輕量化發(fā)展的重要組成部分，兩者均可明顯地降低車身的重量，增加車身的強度和剛度，滿足新能源汽車發(fā)展的要求[1-3]。

鋁合金具有較低的密度、較好的成形性、較高的屈強比，尤其對于壓鑄鋁合金，由于工藝的特殊性，使材料具有更高的強度和剛度，故可滿足更高的強度和碰撞要求。目前，鋁合金的應用比例越來越高，如在奧迪A8上的應用比例可以達到80%。

熱成形鋼是目前車身應用鋼板中，強度級別最高的鋼種，其屈服強度可達1200～1500MPa，抗拉強度更是高達1500～1800MPa。熱成形鋼的應用是車身強度與剛度的重要保障，尤其對于新能源汽車，對電池的保護極其重要。

奧迪公司在20世紀90年代初，就已經(jīng)推出了全鋁合金車身，其目的一方面是輕量化，另一方面是追求更高的加速性能。但是隨著輕量化和碰撞法規(guī)的更高要求，奧迪車身逐漸由全鋁車身向鋁合金和熱成形混合車身的方向發(fā)展，即以鋁合金作為主要車身材料，同時輔以熱成形框架增加強度和剛度的設計形式[4-6]。

2 輕量化車身結構特點

奧迪車身的輕量化發(fā)展，基本代表了汽車行業(yè)車身發(fā)展的方向。其中的典型代表車型是奧迪A8系列，其代表了輕量化發(fā)展的基本歷程，同時也間接反映了相關產(chǎn)品和法律法規(guī)的發(fā)展要求，也促進了相關車身焊裝新技術的發(fā)展與應用。奧迪A8車身材料演變過程如圖1所示。

圖1 奧迪A8車身材料演變過程

奧迪A8車身材料經(jīng)過近30年的發(fā)展，從最初的第一代全鋁合金車身，逐步過渡到了鋁/鋼混合的車身結構，其中鋁合金約占70%，熱成形鋼約占20%，鎂合金和其他材料的比例不超過2%，其余為普通高強鋼材料。

作為最新一代的奧迪A8車身，增加了熱成形鋼的比重，這主要是為了增加新能源車更為苛刻的車身強度和剛度要求，從而滿足碰撞等產(chǎn)品性能要求。

鋁合金主要采用鋁合金板材、鋁合金型材以及壓鑄鋁合金等。板材主要應用于覆蓋件和部分結構件，型材主要應用于門的加強梁和保險杠等部位，壓鑄鋁合金主要應用于承受更大沖擊力的部位，如彈簧腿支架和發(fā)動機懸置等。

在鋁合金材料的應用過程中，壓鑄鋁合金的應用得到了越來越廣泛的關注。由于壓鑄的特殊工藝、較高的過冷度和成形壓力，因此可以得到晶粒更為細小的組織，使其具有更高的力學性能，強度可以達到普通低合金鋼的等級。

3 輕量化車身連接技術特點

因為大量鋁合金和熱成形鋼的應用，所以必須解決鋁合金和鋁/鋼異種材料的焊接性問題。奧迪A8車身焊接技術的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 奧迪A8車身連接技術統(tǒng)計

從表1中可以看出，為了實現(xiàn)鋁/鋼車身的連接，奧迪A8幾乎采用了目前最為先進的多種連接技術。其中，部分焊接技術是隨著產(chǎn)品升級而由奧迪公司主導開發(fā)的，這一方面不僅滿足了自身產(chǎn)品的設計要求，同時也促進了車身焊接新技術的發(fā)展與應用，像FDS、RES以及CMT brazing等新技術就是為滿足大眾集團產(chǎn)品的設計要求和新材料的應用而開發(fā)的。

奧迪A8車身焊接技術主要以各種激光焊技術、鉚接技術、新型弧焊技術和新型點焊技術為主體，傳統(tǒng)點焊技術的地位得到弱化。在新的連接技術中，激光焊、CMT brazing、RES等新技術的應用就與鋁合金和熱成形鋼的材料物理化學性能存在密切關系，可以較好地解決鋁/鋼接頭的焊接性問題。

鋁合金材料具有較高的熱導率和線膨脹系數(shù)、較低的電阻率和熔點等物理學特征，同時鋁合金極易在表面形成氧化膜，造成焊接過程中的氧化物夾雜，并且鋁合金對水或氫具有較強的親和性，因此在焊接過程中極易產(chǎn)生氣孔和裂紋。鋁合金的這些屬性，使得鋁合金材料具有較差的焊接性，難以形成質量較高的接頭。與熱成形鋼相比，兩者的材料性能又差別極大，這些都會影響鋁合金與熱成形鋼的優(yōu)質連接。

結合鋁合金和熱成形鋼材料的物理化學性能，在鋁/鋼車身的連接技術中，激光焊技術、鋁合金中/高頻點焊技術、RES技術等是輕量化車身的主要應用技術，可以滿足車身連接的設計要求。

3.1 鋁合金激光焊的技術特點

激光焊具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點，可實現(xiàn)鋁合金薄板的快速連接。

按照產(chǎn)品的設計形式和要求，可以采用不同的激光焊方法進行焊接。如后蓋外板上下部的連接，通常采用激光釬焊的方法進行焊接；對于門洞邊框等區(qū)域，可以采用激光熔焊的焊接方法；對于諸如門加強梁與門內(nèi)板的焊接，可以采用激光+MIG復合焊的方法進行焊接。

激光+MIG復合焊的電弧行為特征原理如圖2所示。去掉圖2中的MIG焊槍部分，即為單純的激光熔焊電弧行為示意圖；控制焊槍的電流范圍，即可構成激光釬焊的示意圖。

圖2 激光+MIG復合焊的電弧行為特征原理

對于鋁合金而言，焊前待焊零件表面的鈍化處理是十分必要的。與鋼質材料相比，由于鋁合金特殊的材料物理學性能，其表面對激光的吸收率僅為80%左右，其余的激光則以反射的形式離開板材表面，因此必須采用更大功率的激光光源，才能實現(xiàn)零件的連接，這也意味著設備成本的增加。因此，必須采用相應的技術手段，增加鋁合金表面對激光的吸收率。

為提高激光的吸收率，可以實施如下手段：

第一種方式是增加焊絲的預熱電流，在一定的溫度范圍內(nèi)，激光的吸收率將隨著焊絲溫度的提高而增加，這是由鋁合金材料的物理屬性決定的，對于鋁/鋼的激光釬焊，這一點尤為重要。

第二種方式是改變鋁合金表面的材料屬性，增加其對激光的吸收率?？梢酝ㄟ^板材表面鈍化處理，增加一層鈦的磷酸鹽。另外，也可以在材料的表面增加氧化鋯涂層。通過這些手段，可以明顯地提高激光的吸收率。

對于熔敷率要求較高的部件，采用激光+MIG復合焊接技術，可以有效地控制焊縫的成形系數(shù)。同時利用MIG焊特有的電弧屬性，如陰極霧化作用等，可以有效清除零件表面的氧化膜，避免造成焊縫夾雜。

3.2 鋁合金弧焊的技術特點

以CMT技術為代表的新型電弧焊接方式，不僅成功地解決了飛濺問題，而且可以有效地降低焊接的熱輸入，并且電弧具有較高的能量密度，其能量密度等級可以達到等離子焊接電弧的水平，即可以達到105J/cm2。因此，目前CMT brazing有逐步取代等離子釬焊的趨勢，在某些結構件區(qū)域，也采用該技術取代激光釬焊技術，但焊接速度相對較慢，對于熱敏感性要求較高的外表面件，容易產(chǎn)生波浪缺陷，使用時應加以注意。

CMT作為MIG焊的一種特殊形式，仍具有MIG焊的電弧特性，即電弧穩(wěn)定性好、飛濺較低和橋聯(lián)性好等諸多優(yōu)點，適合焊接車身間隙較大的部位。通過合理地控制熔敷率，從而控制焊縫的成形系數(shù)，滿足產(chǎn)品的設計要求。

另外，MIG焊具有獨特的陰極霧化作用，通過這一獨特的物理特性，可以在焊接過程中有效清除焊件表面的Al2O3，避免造成焊縫的氧化物夾雜。陰極霧化作用的原理可解釋為：在電弧空間，鋁合金板材接負極，負極負責產(chǎn)生電弧電場中的電子。由于Al2O3的逸出功較低，在電場的作用下，極易產(chǎn)生逃逸電子，且因電子的逸出，破壞了Al2O3的結構，使其變得更為疏松，故在電弧吹力的作用下被吹散消逝，從而清除了表面致密堅固且熔點較高的氧化膜，提高了接頭焊接性，這是其他焊接方法所無法實現(xiàn)的。

3.3 鋁合金點焊的技術特點

對于鋼/鋁混合車身，點焊仍然是其主要的焊接方法之一。鑒于鋼/鋁合金特殊的物理化學性能，普通點焊方式難以實現(xiàn)鋁/鋁或鋁/鋼的優(yōu)質焊接，必須采用特殊的控制技術來實現(xiàn)其點焊。

目前，鋼/鋁焊接難以通過傳統(tǒng)點焊的方式實現(xiàn)。對于鋁/鋁同質材料的點焊，通過近幾年的努力，可以實現(xiàn)兩者的優(yōu)質焊接。通過采用中頻或高頻直流電源，可以明顯降低焊接電流；通過雙變壓器的設計形式，可以獲得響應速度更快、穩(wěn)定性更好和功率因素最佳的電源。電流的降低，可以明顯改善焊點的質量，減少熱輸入，降低焊點周圍熱影響區(qū)的寬度，從而降低熱影響區(qū)的軟化程度，提高接頭性能。

另外，鋁合金點焊還存在許多特性。如正/負電極間的熱不對稱現(xiàn)象，這是鋼質材料焊接很難出現(xiàn)的，由于焊接電流較大，故點焊過程中的Peltier效應作用明顯，結果造成正負極間熱的不對稱性。以上現(xiàn)象不僅會造成正負極電極帽端面侵蝕程度的不對稱性，也會造成熔核偏移等現(xiàn)象，對接頭的性能和成形系數(shù)具有重要影響。同時，電極不同的侵蝕程度會造成電極帽的過度修磨，縮短了電極帽的使用壽命，增加了制造成本。

要解決熔核偏移的問題，必須解決熱的不平衡性問題。因此，可以采用鋼帶的形式，借助于鋼帶，調節(jié)正負極間的電阻熱分配，綜合平衡Peltier效應所帶來的影響，但是該方法使用成本相對較高，同時也降低了焊鉗的可達性。另外，還可以在現(xiàn)有電源的基礎上，通過極性的變化來調節(jié)熱的不對稱性。因此，通過電源極性轉換器，調整電流的極性和周波數(shù)，可以有效精準地控制電極間熱平衡，目前該技術已經(jīng)得到有效應用。

另外，在焊接不等厚鋁板時，使正極靠近厚板，負極靠近薄板，這樣可以在一定程度上減弱熱不平衡性所帶來的影響。

3.4 鋁合金RES技術特點

鋼/鋁異種材料的點狀連接，對于屈服強度級別在700MPa以下的鋼板，可以采用FDS或SPR等連接方法來完成。對于熱成形鋼板，其屈服強度已達1200MPa以上，通過上述方法難以實現(xiàn)連接，可以通過RES焊接方法進行連接。

RES（德文縮寫為Reibelementschwei?en）是德國大眾集團參與開發(fā)的一種新型連接技術，其借鑒FDS技術和摩擦焊技術的相關原理，可以實現(xiàn)熱成形鋼和高強鋁合金等異種材料的優(yōu)質連接，目前已成功應用于奧迪A8、Q7、A6L等車型的白車身生產(chǎn)。

RES是一種利用連接單元高速旋轉，穿透低硬度板材，然后利用其與高硬度板材的摩擦及塑性變形而形成焊接接頭的新型連接技術。在軸向壓力與摩擦力的作用下，鋼質連接單元尖端與硬質板材之間完成摩擦焊接過程。它可以實現(xiàn)鋁合金與熱成形板材的優(yōu)質焊接，具有熱輸入低、無形變、無余渣殘留、無需預加工處理和低排放等特點。RES的焊接技術原理如圖3所示。

4 鋁/鋼車身連接技術的未來發(fā)展方向

鋼/鋁車身是未來新能源車身的發(fā)展方向，隨著鋼/鋁材料性能的改進和提高，需要開發(fā)更新的焊接方法和改進目前的焊接技術，進一步提高接頭的強度和性能，滿足更高質量產(chǎn)品的設計要求。

圖3 RES焊接技術原理

目前，對于鋼/鋁車身的連接技術，主要在以下幾個方向開展相應的研究。

4.1 三光斑激光焊技術

三光斑激光焊技術原理如圖4所示。三光斑的設計思想主要是為了提高焊接質量，避免在焊接過程中因為待焊件表面的油污等雜質或涂層的影響，造成焊縫中氣孔的產(chǎn)生。通過光源的合理分配，在前置的兩個能量較弱的光斑作用下，這些油污或涂層可以在主光斑焊接之前被加熱燒結清除，從而避免了焊縫中氣孔等缺陷的產(chǎn)生，提高了焊接質量。

圖4 三光斑激光焊技術原理

另外，對于鋁合金的激光熔焊，前置光斑可以預熱鋁合金，從而提高鋁合金的吸收率，達到降低激光功率的作用。

4.2 激光點焊技術

激光點焊技術是為提高激光點焊質量而設計的一種新型有壓力參與的激光復合焊技術，該項技術原理如圖5所示。激光點焊技術既利用了激光能量密度高的優(yōu)點，又利用了點焊焊接時可以施加壓力的特點，實現(xiàn)了激光熔焊過程中的無縫隙或微小縫隙焊接，極大地提高了接頭質量和焊點表面成形質量，對于制造高品質車身具有較好的應用前景。

圖5 激光點焊技術原理

4.3 元件旋轉點焊技術

元件旋轉點焊技術是目前正在開發(fā)的一種新技術，結合了RES和點焊技術的部分特點。前程與RES相似，即通過軸向壓力和旋轉，元件穿越鋁合金板材；后期采用傳統(tǒng)電阻點焊的方式，實現(xiàn)螺釘與熱成形板材的焊接。該焊接方法的優(yōu)點是既可以實現(xiàn)異種材料的連接，也可以部分消除RES后期頂鍛壓力所造成的焊點變形，適用于對變形要求較高的場合（見圖6）。

圖6 元件旋轉點焊技術原理

5 結束語

本文通過對鋁合金和熱成形鋼輕量化車身材料及連接性能進行分析，得出如下結論。

1）鋁合金和熱成形板材的應用，是未來輕量化車身發(fā)展的必然趨勢，鑒于兩種材料特殊的物理化學性能，決定了其連接形式和手段必然不同于傳統(tǒng)的車身連接。因此，必須進一步開發(fā)以激光焊和RES為代表的新的焊接技術，以適應鋁合金以及鋼/鋁異種材料的連接。

2）激光焊將成為輕量化車身連接的重要手段，借助于激光焊自身的特點，利用填絲型激光熔焊或激光+MIG復合焊技術，可以成功實現(xiàn)多種接頭鋁/鋁或鋁/鋼等異種材料的優(yōu)質連接。

3）傳統(tǒng)點焊已經(jīng)難以實現(xiàn)鋁/鋁或鋁/鋼等異種材料的點焊，采用直流中頻或高頻點焊以及RES等新型焊接技術可以實現(xiàn)優(yōu)質點焊連接。

4）利用鋁/鋼材料的物理化學性能，在現(xiàn)有激光焊等新技術的基礎上，進一步開發(fā)符合輕量化車身設計要求的復合型焊接技術，是未來連接技術發(fā)展的重要方向。