摘要

隨着能源和環境問題的日益突出，汽車輕量化成爲汽車工業的發展趨勢。採用高強度鋼、鎂、鋁合金等輕量化材料是實現汽車輕量化的重要途徑之一。介紹了幾種常用輕量化金屬材料及其焊接特性。對國內外車身結構輕量化先進焊接技術的研究進展進行了綜述，包括激光焊、激光- 電弧複合焊、冷金屬過渡焊接技術、攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點焊和Delta spot 電極帶式電阻點焊。指出了開發具有優良焊接性的鋁、鎂合金對汽車輕量化的重要意義，並展望了所述先進焊接技術在汽車輕量化中的應用前景，以對我國車身結構輕量化焊接提供有益借鑑。

關鍵詞：汽車輕量化；先進焊接技術；激光焊；冷金屬過渡；攪拌摩擦焊；電阻點焊

近年來，世界汽車保有量大幅增加。汽車給人們帶來方便的同時，也給世界能源、環境帶來巨大壓力，亟待解決。汽車輕量化作爲實現車輛節能減排的有效途徑，受到人們高度重視。研究表明，約75%的油耗與整車質量有關，汽車總重減輕100kg ，每行駛100km 能節省燃油0.3～0.5L，減少 CO2 排放8～11g；對於純電動車，總重每減少10% ，續航里程可以增加5.5% 。輕量化主要採用三種途徑：一是藉助 大型 計算 機輔 助工 程（ Computeraidedengineering,CAE ）軟件優化車身尺寸、形狀結構，二是採用輕量化材料替代原厚重材料，三是採用先進製造工藝 。白車身重量佔整車的30%～60%左右，輕量化材料的開發與應用是汽車輕量化技術研究的一個主要方向，美國新一代汽車合作伙伴計劃（PNGV ）明確指出用高強度鋼、鋁、鎂、鈦合金等輕量化材料來實現汽車輕量化。

◀1、輕量化材料及其焊接特性▶

高強度鋼是目前使用最廣、最成熟的輕量化材料。採用高強度鋼材料，原1.0～1.2mm厚的車身鋼板可減薄至0.7mm 。但是超高強度鋼對熱輸入較敏感，採用傳統熔化焊時容易產生較大變形；另外，高強度鋼具有較高的碳當量，其伸長率通常隨着強度的增加而降低。進行電阻點焊時，通水強冷的電極導致焊點急冷，焊點處裂紋傾向較大。如何避免焊接變形、降低冷裂傾向成爲高強度鋼的焊接新課題。

鋁合金具有儲量高、密度低、 耐腐蝕性好等優點，已經成爲僅次於鋼材使用量的輕質材料。由於鋁合金具有強氧化性、導熱係數大、導電性好以及線膨脹係數大的特點，導致在焊接時熱變形大，尺寸精度不易控制，容易產生氣孔、合金元素燒損等缺陷；另外，限於開發高性能鋁合金的工藝不夠成熟，生產成本高，一些中高端車型通常採用鋼/ 鋁複合車身。在進行鋁合金和鋼的異種材料連接時，兩者的物理化學性質差別較大，導致焊接難度大，嚴重製約了鋁合金的推廣應用。

鎂合金是常用金屬結構材料中最輕的一種，比強度、比剛度高於鋁合金和鋼，具有優良的吸震、降噪能力和散熱性，在汽車輕量化技術中具有廣闊的應用前景 。由於鎂合金的熔點低、凝固結晶溫度區間大、線膨脹係數較大，使其在焊接高溫下容易熔池塌陷、變形且接頭處產生液化裂紋幾率較大，很難形成可靠接頭。鎂合金較差的焊接性嚴重製約了鎂合金在汽車上的應用，開發焊接性、力學性能較好的鎂合金將成爲研究重點。

爲了充分利用各材料的優異性能，將多種輕量化材料拼焊成鋼/ 鋁、鋁/ 鎂、鋼/ 鎂等多材料一體化複合構件成爲一種趨勢。但是異種金屬間熔點、膨脹係數、導熱係數、活潑性等物化性質的差別導致接頭產生較大變形及殘餘應力，加大焊接裂紋傾向；另外，由於異種合金晶格參數、組織結構不同，在焊接時容易產生脆硬的金屬間化合物(intermetalliccompound, 簡稱IMC) ，導致焊接接頭塑性、韌性降低。

可見，輕量化材料的應用給實現車輛輕量化帶來可能的同時，也給其焊接技術帶來巨大挑戰。各汽車廠商及相關焊接研究人員積極開展了先進焊接技術研究，並取得了較好的成果。目前激光焊、冷金屬過渡焊接技術、攪拌摩擦焊以及電極帶式電阻點焊在汽車輕量化中具有較好的發展應用前景。本文對國內外車身結構輕量化中使用的先進焊接技術研究現狀進行綜述，並指出今後的發展方向，旨在爲未來車身輕量化焊接技術研究提供參考。

◀2、輕量化先進焊接技術▶

2.1激光焊、激光- 電弧複合焊

激光焊是一種利用高能量密度的激光束作爲熱源的一種高效精密焊接方法，被廣泛地應用在汽車變速箱的齒輪等零部件、板材拼接、車身框架的生產製造中。與傳統焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊縫深寬比大、熱影響區小、焊接變形小的優點。毛志濤等人對比了 Q345鋼板激光焊與氣體保護焊的焊接變形及殘餘應力，並利用 Abaqus軟件計算了兩種焊接方法的焊接溫度場、焊接變形及殘餘應力，試驗與計算結果表明，由於激光焊單位長度的熱輸入比氣體保護焊小，且上下表面溫差較小，採用激光焊時的焊接變形和殘餘應力均小於氣體保護焊。可以看出，激光焊接 Q345低合金高強度薄板相對氣體保護焊更具有優勢。張婧等人對鎂合金的激光焊氣孔問題進行了試驗研究，結果表明，變形鎂合金、砂鑄鎂合金、壓鑄鎂合金氣孔率依次升高。激光焊焊接時，由於熔池深而窄不利於焊縫內氣體逸出，當功率參數設置不當、保護氣體角度及流量不合適時容易造成氣孔等缺陷，應加以重視。

隨着激光焊在工業中應用增多，其不足也逐漸突顯出來。在焊接過程中，等離子體雲對激光的吸收與反射作用會導致能量轉換效率低，而且激光焊裝配精度要求較高，焊縫處存在凹陷等。把激光與其它能量形式結合起來進行復合焊接，如激光-MIG 焊、激光-MAG 焊等，能充分利用電弧焊間隙適應性強的優點，可以大大提高焊接速度、改善焊縫成形質量。目前，激光 -電弧焊在汽車生產製造中也得到了應用，大衆輝騰鋁合金車門激光焊焊縫11 條，約1030mm，激光-MIG 複合焊縫48 條，約3570mm ；奧迪A8 車框焊接用到了4.5m 長的激光復合焊縫。

圖1爲不同焊接方法相同熔深情況下的焊縫成形，激光焊焊縫較窄、焊縫表面凹陷，電弧焊焊縫寬、餘高大，複合焊居中。5 系、6 系鋁合金是目前在汽車工業中最具有應用前景的輕量化材料，爲研究異種金屬的激光- 電弧焊焊接適應性，相關學者做了大量研究。高志國等人研究了5083H116 鋁合金激光-MIG 複合焊時激光與電弧前後位置對焊縫成形的影響，發現激光在前電弧在後的焊縫成形均勻飽滿，反之焊縫表面會出現傾斜溝槽，因此在焊接時應採用激光在前，電弧在後的方式。張德芬等人對6009 鋁合金進行了光纖激光-MIG複合焊與光纖激光焊，並對比了兩種焊接方法的焊接接頭成型性、顯微組織及力學性能，研究表明，複合焊的焊接速度是單純激光焊的3 倍，且複合焊焊縫組織均勻細小，接頭抗拉強度達到母材的63% 左右，而激光焊接頭抗拉強度僅爲母材的38% 。激光復合焊是一種新型焊接技術，降低了裝配精度要求，焊接適應性範圍更廣；同時，在複合電弧的相互作用下也大大提高了焊接生產效率，爲激光焊在汽車輕量化中的應用提供了更大的可能性。

2.2冷金屬過渡焊接技術

冷金屬過渡焊接（CMT ）技術是在短路過渡的基礎上設計的，但是 CMT焊接熔滴接觸到熔池發生短路時，焊接電流瞬間降至幾乎爲零，可以降低15%～30%的焊接熱輸入量。另外，CMT 焊通過對焊絲以高達100Hz 送絲- 回抽的機械轉換使熔滴脫落進入熔池，而此時的焊接電流幾乎爲零，因此該熔滴過渡過程相對MIG 、MAG 焊幾乎無飛濺。

2010年福尼斯公司在直流CMT 技術基礎上改進出交流CMT 焊接技術。交流 CMT焊在熔滴與熔池發生短路瞬間進行電流極性轉換，焊絲回抽時極性再次轉換。當焊絲接正極時，電弧熱量主要作用於母材，不僅可以增加熔深，還有助於在焊接鋁合金時清理鋁合金表面的氧化膜；當焊絲接負極時，大部分電弧熱量用於熔化焊絲，增加焊絲熔化量，對間隙較大的工件有較好的連接能力，因此， 通過調節交流CMT焊接過程中的正負半波佔比，可以實現精確控制焊接熱輸入及熔敷效率以適應不同的工件需求。爲了實現汽車輕量化，經常會使用鋼 /鋁複合拼焊的構件，但是，鋼/ 鋁焊接時容易生成脆硬相，並隨着焊接熱輸入量的增加而增加，對接頭塑韌性不利。由於CMT 焊可精確控制熱輸入量，具有熱輸入量小，間隙適應性強等優點，在汽車輕量化異種金屬焊接中有廣闊的應用前景。ZhangHT 等人研究了採用直徑1.2mm 的Al-Si 焊絲對1060 鋁合金和鍍鋅鋼板進行CMT 焊接試驗，通過高速攝像機記錄的電弧和熔滴特徵，結果表明焊接過程非常穩定且無飛濺，接頭在鋼和焊縫界面主要有Al 2 Fe 5 及AlFe 3相組成，IMC 層被鋅抑制，厚度在5μm 以下，因此接頭強度得到保證，達到83MPa 。CMT 焊接技術是數字化焊接技術的一次突破，既控制了焊接熱輸入，又能有效避免焊接飛濺，在汽車輕量化的薄板焊接中有較大應用前景；在異種金屬焊接領域應繼續深入研究。

2.3攪拌摩擦焊及攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦焊（Frictionstirwelding ，FSW ）是一種新型固相焊技術，通過高速旋轉的攪拌頭和工件摩擦產生熱量作爲熱源，使母材處於熱塑性狀態。與傳統焊接相比，FSW不需要消耗焊絲、焊劑、保護氣等材料，無飛濺、無煙塵、能有效避免氣孔及顯微裂紋，且由於熱輸入較低，不受異種材料物理化學性質及晶體結構的影響，可有效控制IMC 的形成，在焊接鋁、鎂合金及鋼-鋁異種金屬時具有較大優勢，被譽爲繼激光焊後又一革命性的焊接技術。2008年中航工業賽福斯特公司開發出中國首臺用於鋁合金輪轂焊接的FSW 設備。目前，攪拌摩擦焊已在輪轂、發動機、底盤支架、車體框架、車門等零部件中得到應用。但是攪拌摩擦焊也有不足之處，如施焊時需將工件進行剛性固定，焊接結束後會在根部留下凹孔。爲了更好地推廣FSW方法在汽車輕量化中的應用，相關科研人員做出了許多努力。攪拌摩擦焊時的材料流動性對接頭質量有較大影響，姬書得等人模擬了不同攪拌針形狀對FSW過程中金屬塑性流動性的影響，結果表明，攪拌針的螺紋槽及錐角越小焊件內部材料的流動速度越高，可以有效減少根部凹孔。林健、高福洋等人採用FSW 對6061 鋁合金分別和冷軋低碳鋼板、熱鍍鋅低碳鋼板進行了搭接接頭焊接，鋁合金在上、鋼板在下，通過控制攪拌針的壓入量，得到兩種結合方式，如圖2 所示。

當攪拌針壓入鋼材中形成圖2 （a）中的機械+ 冶金結合接頭；當攪拌針不進入鋼材中僅通過熱傳遞形成僅有圖2 （b）中的冶金結合接頭。通過對不同結合方式的接頭進行組織與力學性能分析，研究了接頭的結合機理，結果表明，無鍍鋅鋼板和鋁的接頭只有在攪

拌頭壓入鋼板形成機械+ 冶金結合時能形成有效結合，而鍍鋅板和鋁的接頭在兩種結合方式下都能形成有效結合，可見鍍鋅層是連接成功的關鍵。

攪拌摩擦點焊（Frictionstirspotwelding ，FSSW ）是在FSW基礎上發展出來的一種新型固相焊接技術，焊接工藝過程簡單，主要包括三個階段，即攪拌頭壓入工件、連接和攪拌頭回撤。目前該方法主要應用於鋁合金，特別是高強度鋁合金的焊接。相比高能耗、變形大、電極易污染的傳統電阻點焊，FSSW 不僅能節省40% 的設備投資，還能減少約99%的能耗，同時具有較好的接頭強度和焊接質量，是一種有望取代傳統電阻點焊和鉚接的點連接技術，在汽車輕量化中具有較廣泛的應用價值。Mazda 公司已於2003年將FSSW 技術成功用於發動機罩和後門的焊接，目前該公司在FSSW 技術方面的研究與應用仍然處於世界汽車工業中的領先地位。但傳統FSSW焊接方法在回撤階段會在焊點處留下典型的“匙孔”缺陷，不僅破壞接頭美觀，還會降低接頭有效結合面積從而影響接頭力學性能。許多學者爲此做了大量研究改進工作，目前在傳統FSSW上開發出有回填式、無針插入式及擺動式焊接形式。劉驍、王希靖等人採用自行研製的可回抽FSSW 設備焊接DP600 鍍鋅鋼/6061 鋁合金、DP600 鍍鋅鋼/AZ31B鎂合金，在合適旋轉頻率、軸肩下壓量及攪拌針長度參數下均能得到無匙孔、表面平整美觀的點焊接頭；接頭結合形式均爲典型的機械結合和冶金結合共同作用，攪拌區內鋼呈“彎鉤”或“釘子”狀嵌入鋁、鎂合金基體，且兩種材料呈片層狀疊加分佈形成牢固的機械咬合，在擴散區界面生成鋼和鋁、鎂的金屬間化合物形成冶金結合；FSSW 無匙孔技術的應用也提高了接頭力學性能，最佳工藝下鋼/ 鋁接頭抗剪載荷達到11.2kN 。FSW 及FSSW 匙孔消除技術關乎其推廣應用，因此今後仍需進行更加深入、系統的研究，以取得較大突破與進展。

2.4電極帶式電阻點焊

電阻點焊是在壓緊的兩個工件間通入電流，由電阻焦耳熱效應提供熱源，將工件加熱到熔化或塑性狀態進行連接的一種壓焊方法，其自動化程度高、焊接時間短、效率高，另外，不需要填充焊絲，成本低，因此被廣泛應用在汽車生產製造中。電阻點焊是目前最主要的白車身焊接方法，一臺轎車上的焊點可以達到3000～6000個。近年來，中外科研人員對電阻點焊的應用做了大量研究。隨着汽車輕量化進程的推進，高強鋼及鋁合金在車身上得到廣泛應用，鋼- 鋁複合接頭越來越多。但是由於鋁合金的電阻遠小於鋼，因此需要更大的焊接能量，約爲鋼的4倍；另外，鋁合金熔點較低，焊接過程中熔化的材料很容易附着在電極上，導致電極產生電阻熱不穩定，因此每焊接300 個左右的焊點就需要更換或者清理電極，嚴重影響生產連續性。這也是奧迪 A8全鋁車身棄用電阻點焊改用鉚焊的重要原因。2005 年奧地利福尼斯公司針對汽車產業設計出Deltaspot 電極帶式新型電阻點焊機，在電極端部添加一條可以圍繞電極轉動的電極帶，焊接時通過電極帶與工件接觸而非電極，每焊完一個焊點，電極帶會自動轉動一定間距，這樣就能保證電極不受污染，相當於每個焊點都是使用新電極，既提高了焊接精度，又能減少更換電極的間歇時間。DeltaspotX 型焊鉗及電極工作原理如圖3 所示。使用電極帶不僅可以保護電極不被污染，相對傳統電阻點焊還有更多的優勢，一是可以通過調整電極帶的厚度、材質，增加熱輸入量進行熱補償，在焊接電阻率不同的鋼- 鋁異種材料時，可以在電極兩端選擇不同電極帶達到電阻熱平衡，得到上下對稱的熔核；二是由於電極帶的加入增加了電阻，和普通電阻點焊相比，熔化相同金屬時Deltaspot 電極帶式電阻點焊需要更小的電流，可節能約50% ；三是傳統電阻點焊設備通水強冷的電極導致較大的焊後裂紋傾向，加入電極帶可實現焊點緩冷，可有效避免鋼- 鋁焊點裂紋及熔核偏析現象的出現，得到較高抗拉強度的接頭。

◀3、 展望▶

目前，汽車輕量化最經濟有效的途徑就是採用鎂、鋁合金等輕質材料和高強鋼複合使用，也是現階段各大車企普遍採用的方式，深入開展輕量化材料研究工作，開發焊接性較好的鎂、鋁合金對多材料一體化輕量車身的發展起着關鍵作用。

（1）激光焊較傳統熔化焊具有焊縫深寬比大、熱影響區小、焊接變形小等優點，但在焊接過程中有產生氣孔的傾向；激光電弧複合焊相對於激光焊的間隙適應性、焊接效率得到提高，鋁合金焊接適應性較好。異種金屬激光電弧複合焊尚未見到公開報道，而鋼/ 鋁、鋼 /鎂等異種材料焊接是目前解決輕量化的主要途徑，因此，應對異種金屬的激光電弧複合焊展開深入研究。

（2）CMT 焊接技術因能控制焊接熱輸入，避免焊接飛濺，在汽車輕量化薄板焊接中有較大應用前景；攪拌摩擦焊在汽車生產製造中得到了廣泛應用，但是焊接結束時的退出孔限制了其在車身外表面的應用，可消除退出孔的攪拌摩擦焊方法將成爲研究熱點。

（3）電極帶式電阻點焊不僅保護電極不受污染，還能有效調節異種金屬焊接時的電阻熱平衡，從而改善焊點質量、節約能源，在輕量化車身焊接領域中具有廣闊的應用前景。

來源：期刊-《熱加工工藝》

作者：李 報 、陳思傑 、 趙丕峯

單位: 河南理工大學 材料科學與工程學院