鋁螺柱在一體式鑄鋁車身上的焊接性研究

曹久雷 李大勇 吳強(qiáng) 李少華 錢紅麗 吳顯波

摘要：隨著汽車輕量化的需求，鋁質(zhì)材料越來(lái)越多的應(yīng)用在車身上，特別是在一體式鑄鋁上焊接鋁螺柱。由于鋁合金材料特性決定了鋁合金焊接性較差，包括：焊接變形大、易產(chǎn)生氣孔、夾渣，接頭質(zhì)量不穩(wěn)定，易燒穿及易產(chǎn)生裂紋等等。為解決以上問(wèn)題，本文主要介紹了應(yīng)對(duì)一體式鑄鋁車身帶來(lái)的鋁螺柱焊的工藝性研究，主要有焊接工藝特性、可焊性試驗(yàn)驗(yàn)證、接頭質(zhì)量影響因素及評(píng)價(jià)、焊接應(yīng)用可行性分析及常見缺陷的優(yōu)化策略等。

關(guān)鍵詞：鑄造車身；一體化車身；鋁合金；螺柱焊；焊接參數(shù)

隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，續(xù)駛里程的訴求帶來(lái)了輕量化需求。從目前技術(shù)和成本應(yīng)用來(lái)看，鋁合金的性能、密度以及價(jià)格等多方面具備優(yōu)勢(shì)，是最具有性價(jià)比的輕量化材料。

目前白車身采用鋁合金一體式壓鑄成為趨勢(shì)。所謂的一體式壓鑄技術(shù)，指通過(guò)大噸位壓鑄機(jī)，將多個(gè)單獨(dú)、分散的鋁合金零部件高度集成，再一次成型壓鑄為一個(gè)大型鋁鑄件，替代傳統(tǒng)的多個(gè)零部件，先沖壓再焊接在一起的新鑄造方式。相對(duì)應(yīng)的連接螺柱也由鋼螺柱替換成鋁螺柱，鋁螺柱的連接成為新的研究課題。

鋁螺柱焊接電極特性

在正接模式下，板材表面被難分解氧化膜阻擋難以發(fā)出金屬正離子，導(dǎo)致引弧困難，焊接過(guò)程中能量集中于板材，熱量過(guò)高容易燒穿母材。但在反接模式下，螺柱發(fā)射大質(zhì)量的金屬正離子撞擊板件表面氧化膜，有助于氧化膜破碎。并且焊接過(guò)程中能量集中于螺柱，有助于螺柱受熱融化，板材接受的熱量不致過(guò)高，變形小。因此鋁螺柱焊大多采用反接模式，主要有直流反接和交流反接，如圖1所示。

鋁螺柱焊接試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)室使用設(shè)備為鴻栢PIDS鋁合金螺柱焊接系統(tǒng)（配置M5/M6/M8手動(dòng)焊槍）。設(shè)備原理：直流脈沖波形，利用小電流長(zhǎng)時(shí)間擊穿鋁材氧化膜，主要熔化母材形成熔池，實(shí)現(xiàn)鋁螺柱與母材連接。圖2所示為試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖及原理圖。

2.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見表１，為M5/M6/M8鋁合金螺柱/螺母（AlMg5）；3mm鑄鋁（AlSi10MnMg）。

3.保護(hù)氣體設(shè)計(jì)

保護(hù)氣選擇高純度氬氣（＞99.99%）—Ar陰極霧化作用強(qiáng)，有利于鋁合金表面氧化膜破碎清理，或者（75%Ar+25%He）混合氣體—He能夠增加電弧熱功率，但陰極霧化作用較Ar弱，并且成本較高。氣體的流量選擇不是越大越好，流量過(guò)大會(huì)造成紊流，導(dǎo)致熔池保護(hù)不充分，空氣與熔池金屬發(fā)生反應(yīng)，降低接頭性能，而且產(chǎn)生焊接氣孔的傾向增加。一般鋁合金螺柱焊保護(hù)氣流量為8～12L/min。焊接面是曲面（彎曲半徑≥300mm）時(shí)，必須使用保護(hù)氣罩，如圖3所示，防止保護(hù)氣溢出。

4.接地設(shè)計(jì)

螺柱焊系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)：每臺(tái)焊機(jī)接地?cái)?shù)量至少2個(gè)，大件需4個(gè)以上，且相對(duì)螺柱位置對(duì)稱分布。分線排至各接地極的線纜長(zhǎng)度相等。每臺(tái)焊機(jī)必須單獨(dú)接地，不能共用接地極。接地極底座與夾具間須做絕緣處理，保證焊接電流直接通過(guò)接地線纜形成回路；多層板通過(guò)涂膠、SPR、Clinch等機(jī)械方式連接時(shí)，需要至少1個(gè)接地極直接與螺柱焊接側(cè)板件接觸。圖4所示為是螺柱焊系統(tǒng)接地示意圖。

5.檢測(cè)工具

試驗(yàn)采用彎矩扳手進(jìn)行彎矩檢測(cè)，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺進(jìn)行破壞扭矩檢測(cè)，如圖5所示。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有：靜態(tài)彎矩，即螺柱保持不彎曲的最大彎矩；變形彎矩，即螺柱發(fā)生彎曲但未被破壞的最大扭矩；破壞彎矩，即螺柱彎曲至接頭斷裂的最大扭矩；承載扭矩，即用扭矩扳手?jǐn)Q緊匹配螺母直至接頭被破壞，記錄螺柱接頭承載的最大扭矩。

6.試驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)

接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)分為外觀質(zhì)量、強(qiáng)度質(zhì)量和剖面質(zhì)量。外觀質(zhì)量缺陷主要有：表面氣孔、焊環(huán)不對(duì)稱、焊瘤、螺牙燒損、過(guò)融合/燒穿、未熔合、飛濺及咬邊等；剖面質(zhì)量缺陷主要有：螺柱與板材未熔合、穿透型氣孔、密集氣孔、夾渣、裂紋及咬邊等[1] [2]。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2為鋁螺柱焊外觀、強(qiáng)度及剖面質(zhì)量評(píng)價(jià)表。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.鋁螺柱焊接接頭質(zhì)量關(guān)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用DOE全因子試驗(yàn)，僅采用M6凸焊螺柱+3mm鑄鋁（AlSi10MnMg）試片，主要焊接參數(shù)為：焊接電流/A（700、800、900），焊接時(shí)間/ms（20、30、40），提升高度/mm（1.0、1.5、2.0）。主要評(píng)價(jià)外觀質(zhì)量、靜態(tài)彎矩、承載扭矩及接頭融化量等，鋁螺柱焊接接頭質(zhì)量關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖6所示。

2.參數(shù)單獨(dú)影響

接頭融化量與焊接電流、焊接時(shí)間、提升高度均為正相關(guān)關(guān)系：焊接電流越大，焊接時(shí)間越長(zhǎng)，提升高度越高，接頭融化量越多。根據(jù)曲線斜率判斷，影響因素由大到小排序?yàn)椋汉附訒r(shí)間＞焊接電流＞提升高度，如圖7所示。

3.多參數(shù)綜合影響

在焊接電流相同情況下，焊接時(shí)間/提升高度的關(guān)系：焊接時(shí)間增加，提升高度對(duì)融化量的影響增大（曲線斜率隨時(shí)間增加而增大）；不同提升高度下，焊接時(shí)間對(duì)融化量的影響增大（曲線斜率隨時(shí)間增加而增大）；提升高度相同時(shí)，焊接時(shí)間增加，焊接電流對(duì)融化量的影響減?。ㄇ€間距隨時(shí)間增大而越?。?；焊接時(shí)間相同時(shí)，不同提升高度下，焊接電流對(duì)融化量的影響無(wú)明顯變化（曲線間距基本相同）。焊接電流相同下的參數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示。

在焊接時(shí)間相同，焊接電流/提升高度的關(guān)系：不同焊接電流下，提升高度對(duì)融化量的影響無(wú)明顯變化（曲線斜率基本一致）；不同提升高度下，焊接電流對(duì)融化量的影響無(wú)明顯變化（曲線斜率基本一致）；提升高度相同時(shí)，焊接電流增加，焊接時(shí)間對(duì)融化量的影響減?。ㄇ€間距隨時(shí)間增大而越小）；焊接電流相同時(shí)，提升高度增加，焊接時(shí)間對(duì)融化量的影響增大（曲線間距隨時(shí)間增大而增大）。焊接時(shí)間相同下的參數(shù)關(guān)系曲線如圖9所示。

在提升高度相同情況下，焊接時(shí)間/焊接電流的關(guān)系：焊接時(shí)間增加，焊接電流對(duì)融化量的影響減?。ㄇ€斜率隨時(shí)間的增加而減?。?；焊接電流增加，焊接時(shí)間對(duì)融化量的影響減小（曲線斜率隨時(shí)間的增加而減?。?；焊接電流相同時(shí)，焊接時(shí)間增加，提升高度對(duì)融化量的影響增大（曲線間距隨時(shí)間增大而增大）；焊接時(shí)間相同時(shí)，不同焊接電流下，提升高度對(duì)融化量的影響無(wú)明顯變化（曲線間距基本相同）。提升高度相同下的參數(shù)關(guān)系曲線如圖10所示。

結(jié)語(yǔ)

一般情況下，考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選型及布局，提升高度及保護(hù)罩設(shè)計(jì)相對(duì)固定（按照1.5mm設(shè)計(jì)），通過(guò)調(diào)整焊接電流和焊接時(shí)間來(lái)滿足接頭質(zhì)量的要求。通過(guò)多組試驗(yàn)得出，對(duì)于厚度約3mm的鑄鋁材料（AlSi10MnMg），M5/M6/M8鋁螺柱的焊接性良好，數(shù)據(jù)如下：M5螺柱接頭靜態(tài)彎矩約為2.5N·m，變形彎矩約為3.0N·m，破壞彎矩約為3.5N·m；最大承載扭矩約為4N·m左右；M6螺柱接頭靜態(tài)彎矩約為5.0N·m，變形彎矩約為5.5N·m，破壞彎矩約為6.0N·m；最大承載扭矩約為8N·m左右；M8接地螺柱接頭最大承載扭矩約為14.0N·m左右。鋁螺柱焊接質(zhì)量測(cè)試情況如圖11所示。

如圖12所示，針對(duì)用量最多的M6鋁螺柱，在3mm鋁合金鑄件（ AlSi10MnMg ），在提升高度為1.5mm的情況下，最優(yōu)焊接區(qū)間為焊接電流800～900A，焊接時(shí)間30～46ms；可焊區(qū)間隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增大而逐漸收窄。

參考文獻(xiàn)

[1] 武英海.螺柱焊工藝評(píng)定試驗(yàn)[J].金屬加工 （熱加工），2016（6）：30-31.

[2] 郭中付，宋亞?wèn)|.螺柱焊在車身焊接工藝中的 應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2014（5）：101