1.引言

1 汽車(chē)輕量化及鋁車(chē)身發(fā)展趨勢

隨著(zhù)汽車(chē)保有量的持續增加，環(huán)保和節能減排問(wèn)題尤為凸顯，汽車(chē)輕量化設計勢在必行。汽車(chē)輕量化是指在保持汽車(chē)原有的性能不受影響的前提下實(shí)現汽車(chē)重量的減輕。既要有目標地減輕汽車(chē)自身的重量，又要保證汽車(chē)行駛的安全性、耐撞性、操控性及舒適性，同時(shí)還需保證成本不會(huì )增加或少量增加。

目前，汽車(chē)輕量化主要可以通過(guò)結構優(yōu)化、輕質(zhì)材料的替代應用、制造成形工藝的升級以及先進(jìn)連接技術(shù)的應用等四大途徑來(lái)實(shí)現，見(jiàn)圖1-1。

圖1-1 汽車(chē)輕量化途徑

在汽車(chē)的整備質(zhì)量中，車(chē)身的重量占了四分之一以上?，F有汽車(chē)車(chē)身一般由金屬材料（主要為鋼板）經(jīng)過(guò)沖壓、焊接等方式生產(chǎn)而成。在上述輕量化途徑中，輕質(zhì)材料的替代使用是一種最直觀(guān)的方案，消費者可以看得見(jiàn)摸得著(zhù)。比如你將汽車(chē)的前機蓋從鐵制換成了鋁制或碳纖維，顧客在開(kāi)啟機蓋時(shí)就可以直觀(guān)體驗到。車(chē)身輕質(zhì)材料的主要技術(shù)路徑包括超高強鋼（含熱成形）、鋁合金、復合材料玻纖碳纖等。寶馬等歐系車(chē)主要是采用碳纖維來(lái)替代，美系（如特斯拉、F150）應用最大的則是全鋁車(chē)身。圖1-2為寶馬新7系上的碳纖維加強部件。

圖1-2 寶馬新7系上的碳纖維

碳纖維復合材料密度小，強度高，是目前應用的輕質(zhì)材料中減重效果最為顯著(zhù)的，但其成本相對較高。所以，對于國內車(chē)型來(lái)說(shuō)，車(chē)身的鋁合金化是材料替代途徑中最適合的方案，沒(méi)有之一。目前，蔚來(lái)汽車(chē)、愛(ài)馳汽車(chē)等造車(chē)新勢力也都在嘗試做全鋁車(chē)身。圖1-3為蔚來(lái)汽車(chē)車(chē)身鋁合金部件展示。

圖1-3 蔚來(lái)ES8車(chē)身

目前，鋁合金在國內汽車(chē)車(chē)身上的應用情況如下表1-1所示：

2 鋁車(chē)身連接技術(shù)

根據輕量化車(chē)身材料及位置的不同，相應的連接技術(shù)也有所不同，目前比較常用的輕量化連接技術(shù)為激光焊接、自沖鉚、鋁點(diǎn)焊及粘接技術(shù)。各種連接技術(shù)的簡(jiǎn)單示意和中英文簡(jiǎn)稱(chēng)如圖1-4所示。

圖1-4 輕量化連接技術(shù)

目前，幾種可用于鋁車(chē)身的先進(jìn)連接技術(shù)的使用車(chē)企及區域如表1-2所示。

2.鋁合金點(diǎn)焊

1 工藝簡(jiǎn)介

點(diǎn)焊是將重合的金屬夾入相對于的金屬電極（焊嘴）上，再加上適當的壓力的同時(shí)，流過(guò)非常大的電流，使之發(fā)熱熔化，從而接合在一起的焊接。鋁點(diǎn)焊與鋼點(diǎn)焊一樣，應用的是焦耳原理。同樣，點(diǎn)焊的形成可以分為：預壓階段-通電加熱-鍛壓。圖2-1為鋁點(diǎn)焊的操作示意圖。

圖2-1 鋁點(diǎn)焊工藝步驟示意

圖2-2和2-3分別展示了兩種不同方案的鋁點(diǎn)焊連接外觀(guān)。

    圖2-2 通用MRD電極鋁點(diǎn)焊外觀(guān)效果

圖2-3 伏能士電極帶式鋁點(diǎn)焊外觀(guān)效果

2 工藝特點(diǎn)

鋼與鋁的物理特性相差較大，具體如表2-1。

由于鋁合金所具有的獨特性能，使其在焊接過(guò)程中有以下幾大特點(diǎn)：

極強的氧化能力（生成氣孔）

鋁合金與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧化合在其表面，行程致密的、厚度約為0.1μm的氧化膜（Al2O3），其熔點(diǎn)極高（約2050℃）、密度大（3.95~4.10kg/m3），屬于難熔物質(zhì)，焊接時(shí)會(huì )阻礙金屬之間的良好結合，導致未焊透“焊縫夾渣”不融合現象，且由于氧化膜吸附大量水分，容易使焊縫產(chǎn)生氣孔。

高的熱導率和導電性（焊透性）

鋁合金具有較大的熱導系數和比熱容，比熱容比鋼大2倍，導熱性約大三倍。因此焊接時(shí)為保證良好融合，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時(shí)需采用預熱等工藝措施。經(jīng)驗表明：相同焊接速度下，焊接鋁合金的熱輸入量要比焊接鋼材大2~3倍。

線(xiàn)膨脹系數大（熱裂紋）

鋁的線(xiàn)膨脹系數比鋼大2倍，因此，在拘束條件下焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接應力和變形或在脆性溫度區間內導致熱裂紋，生產(chǎn)中常采用調整焊絲成分的方法防止裂紋的產(chǎn)生。

高溫下的強度和塑性低（強度低）

鋁合金焊接接頭的強度低于母材，即有軟化現象。焊接接頭力學(xué)性能較難保證，抗拉強度低，塑性不足，是鋁合金應用的一大障礙。

加熱時(shí)無(wú)色澤變化（燒穿）

鋁合金從固態(tài)變化為液態(tài)時(shí)，無(wú)明顯的顏色變化，這給焊接操作者帶來(lái)不少的困難。

3 與鋼點(diǎn)焊的不同之處

焊接時(shí)間

通過(guò)以上分析可知，鋁點(diǎn)焊時(shí)需要高電流和短的焊接時(shí)間。同時(shí)，由于鋁的熱導率高的問(wèn)題，就需要控制電流的上升時(shí)間在極短的時(shí)間內。圖2-4為兩種點(diǎn)焊的焊接時(shí)間的對比。

圖2-4 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的焊接時(shí)間對比

電極頭

鋁合金有高導熱系數，傳熱快，鋁點(diǎn)焊時(shí)存在很大的軟化區域。鋁合金點(diǎn)焊時(shí)需要大直徑的焊接面電極帽，從而覆蓋鋁合金焊核及其軟化區域。電極頭的對比如圖2-5所示。

圖2-5 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的電極頭對比

鋁點(diǎn)焊時(shí)，需要采用大端面的電極。一方面，球狀凸起表面可以加速壓入材料，縮短工序時(shí)間；鋁點(diǎn)焊必須壓緊塑性材料（被軟化區域），從而避免飛濺。端面半徑可為25mm、50mm、80mm、100mm等不同規格。

熱量產(chǎn)生位置

普通的鍍鋅鋼板在點(diǎn)焊時(shí)熱量主要集中在板材中部，普通的鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的熱量主要集中在上下兩個(gè)電極頭和兩層鈑金中間。而我們希望鋁點(diǎn)焊的熱量較多的集中在中部形成焊核的位置。如圖8所示。

圖2-6 鋼與鋁-點(diǎn)焊熱量產(chǎn)出位置

冷卻水流量

與鋼點(diǎn)焊相比，鋁點(diǎn)焊的焊槍冷卻水流量需求至少需要增加2倍以上。圖2-7為某供應商的鋁焊槍示意圖。

圖2-7 鋁點(diǎn)焊焊槍組成

總結

在各種焊接方法中，鋁點(diǎn)焊具有靜強度高、可靠性好、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)，但鋁點(diǎn)焊本身也具有 很大的焊接缺陷，包括焊點(diǎn)質(zhì)量不穩定、電極燒損嚴重使用壽命短等。其中，焊點(diǎn)質(zhì)量不穩定主要體現在飛濺較為嚴重、焊點(diǎn)表面質(zhì)量差、熔核尺寸波動(dòng)大和熔核內部易產(chǎn)生缺陷等。