汽车轻量化技术发展下的铝合金汽车车身焊接工艺

汽车轻量化技术发展下的铝合金汽车车身焊接工艺小组成员：朱葛龙09010110齐剑09010112李维09010117侯有越09010121吴尚儒09010132内容汽车轻量化背景汽车轻量化的趋势铝及铝合金在车身上的应用铝合金车身常用焊接技术铝合金汽车车身电阻电焊铝合金汽车车身电阻电焊工艺结语汽车轻量化背景及意义在世界能源危机不断加剧，可再生资源开发利用受限的情况下，作为人类社会进步的支柱产业——世界汽车工业发展正面临着三大问题：节能、环保和安全，而汽车轻量化则是节油和降低排放的重要方法和途径。轻量化的意义汽车轻量化的趋势及材料汽车各个系统都具有轻量化的潜力在整个车体中汽车车身是汽车重量最大的部件，约占汽车总重量的30％。通过上图我们也不难发现，汽车车身最具轻量化的潜力，通过减轻车身重量来降低汽车自重具有重要的意义，也是近几年来国内外研究的一个热点。所以汽车轻量化主要是汽车车身的轻量化，汽车车身轻量化则又是汽车材料的轻量化。汽车轻量化技术发展趋势–多种材料混合设计，降重量不降性能。轻量化材料的选择•汽车轻量化材料是广泛的，目前常用的有以下几类：•钢材•低碳钢•高强钢•超高强钢•铝合金•轧铝•铸铝•镁合金•复合材料•短纤维增强•长纤维增强•钛合金（太贵）•11•12通过上图很明显可以看出，在汽车轻量化的进程中，中、高强钢，铝和铝合金以及镁和镁合金等轻质金属及合金逐步取代钢板，钢带在汽车上的应用，前者用量逐年增加，而后者用量则逐年减少！使得汽车轻量化成效显著。而在汽车车身轻量化上主要是铝、铝合金及中高强钢的应用。下面就来看看铝及铝合金在车身上的应用。•13铝及铝合金在车身上的应用奥迪A8全铝车身铝比钢轻60％。仅在汽车内外板上用铝台金来代替传统钢板就可使整车减重大约47％。承受同样冲击，铝板比钢板多吸收冲击能50％。铝合金汽车也以其节能降耗，利于环保，铝合金零部件回收率高，安全舒适，工序减少，装配效率高，燃油效率高，相对载重能力大等优点而倍受青睐。•16铝合金车身常用焊接技术铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减轻50%以上。铝合金焊接有几大难点：①铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；②铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；③铝合金焊接容易产生气孔；④铝合金焊接易产生热裂纹；⑤线膨胀系数大，易产生焊接变形；⑥铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。汽车上的铝合金结构件都要求焊接，焊缝要有良好的机械性能。铝合金的焊接方法很多，须根据铝合金的牌号、焊件的用途和工作环境、产品结构、生产条件以及焊接接头质量要求等因素加以选择。常用的焊接方法有：气焊、焊条电弧焊、脉冲氩弧焊、电渣焊、铆接、等离子弧焊和激光焊等。近年来，针对铝合金焊接的难点，一些新的焊接工艺得到发展，如搅拌摩擦焊、激光—电弧复合焊、电子束焊等。车身焊机示意图及生产线汽车制造业长期以来广泛应用电阻点焊工艺方法，在铝合金汽车制造业中，可采用经过长期考验的生产流水线进行全面改造。目前，有的汽车公司在制造过程中暂时采用了非电阻点焊的连接工艺方法，但仍在投入一定的人力、物力对铝合金电阻点焊技术进行研究，以寻求突破。下面就对铝合金汽车车身电阻电焊做一介绍。铝合金汽车车身电阻电焊电阻点焊：是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法，其主要用于薄板焊接。汽车车身焊装,包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装。据统计,每辆汽车车身上约有5000多个电阻点焊焊点。铝合金汽车车身电阻电焊工艺具有均匀高强度和良好外貌的焊缝，取决于工件之间均匀的表面电阻。多数应用中，在点焊或缝焊铝合金以前，焊接的表面准备是非常必要的，它一般是清除油类、污物或标记，并减少和改善铝表面氧化膜的一致性。表面准备大致可分为清洗和清除氧化膜两道工序。1、焊前表面准备铝合金的电阻点焊过程如图所示。在一个焊接接循环中，首先，将工件装配好并施加电极压力；然后，通以电流，由于电流流经工件时产生电阻热，两工件间界面上的材料受热发生熔化形成熔核；一段时间后，撤去电流，熔核凝固形成焊点实现连接，电极压力需继续保持一段时间以保证焊接质量；最后，撤去电极压力，焊接循环结束。由于电极发热，铝合金电阻点焊过程中，电极需冷却。2、铝合金的电阻点焊过程3、铝合金的电阻点焊焊接规范通常，点焊铝合金时，可以选择大电流、短时间通电和施加高压的焊接规范，但为了进一步提高焊接质量，还可以采用附加调节波峰和波谷的电流波形。采用波峰电流的目的是尽量减小点焊接头强度的波动、防止飞溅和减少粘电极现象。波谷电流通常为衰减电流，硬铝系的可热处理强化合金采用这种缓冷的方法，是为了防止焊核中经常产生的缩孔和裂纹。实际应用中，还经常采用比焊接压力大的预压力和顶锻压力的两级加压方法，以控制点焊接头强度的波动和防止焊核内部产生缺陷。采用三相低频或三相整流式焊机焊接时的焊接规范，包括焊接电流及其通电时间、衰减电流及其通电时间、焊接压力、顶锻压力和延时加压时间等许多参数。另一方面，对于点焊时的拉伸剪切载荷、焊核直径、压痕深度、内部缺陷、外部缺陷等有关电阻点焊接头质量的很多事项，在各种技术管理要求或标准中均作了规定。焊接规范参数与各种焊接质量间的关系是极为复杂的，因而使焊接规范的选择有一定的难度。表1和表2是推荐的点焊焊接规范的标准，实际使用时还须通过实验来选择。4、铝合金的电阻点焊焊后检验为了保证点焊的质量，要制定并遵守正确的焊接程序和焊接规范，在生产过程中，还要有常规的检查程序。剥离试验：焊接参数要周期性地进行检查，用与工件相同材质和厚度的试样，像工件一样进行焊接来核实焊机的调整是否正确。目视：通过目视来确定电极粘连、表面烧熔、裂纹、滑移和过大的压痕等缺陷，这是主要的检查方法。还可用塞尺来确定板材的分离情况。破坏性试验：主要用于焊接现场准备和核实。通过放大小于倍的宏观检查来确定焊点直径和焊透情况。此外，射线可以检查内部缺陷，确定焊接熔核的形状和尺寸，也能确定焊接结构；抗拉、剪试验，可以用来确定焊接强度的定量数值；对于焊点横截面的检查，通过对点焊试样进行抛光、腐蚀并在较高放大倍数下进行检查，以确定内部裂纹、气孔以及焊接组织。在一般情况下，以上方法主要用来确定建立焊接规范、设计点焊结构，而不是生产试验方法。汽车轻量化对于节省能源、保护环境、提高安全都有着重要的现实意义，而铝合金材料的应用则是解决该问题的有效途径之一。目前，我国在轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料、陶瓷等汽车新材料方面的焊接技术与发达国家相比还有一定的差距。为了保证焊接质量，提高民族汽车工业的竞争力，研究铝合金等材料的电阻点焊性能已经成了非常迫切的任务。小结