铝合金焊接技术

汽车与铝合金及其焊接技术的研究

江苏理工学院

摘要：铝及其合金在汽车工业的应用中具有轻量化、节能减排、改善环境、提高汽车乎稳性和安全性等特点。铝及其合金熔化焊存在焊缝易产生气孔，焊接接头易软化等缺陷。讨论了激光焊、激光一电弧复合焊、双光束激光焊、搅拌摩擦焊在汽车用铝及其合金焊接的应用和特点。

关键词：铝合金；汽车；激光焊；复合焊；搅拌摩擦焊

1 前言

减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率!这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施，实现汽车轻量化的方法主要有修改结构设计、缩小汽车规格和采用新型材料。其中采用轻型的结构材料是最有潜力的一种方法。其中采用铝合金材料代替钢材在汽车上的应用是重要措施之一。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37％，悬挂装置的负荷降低18％，振动强度降低5％，大约60％的汽车用铝合金都是利用回收材料制成，并且汽车上的铝合金90％都可以回收再利用。美国资深汽车工程师曾预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。目前国内外汽车制造业已经开始大量使用铝金如图1所示。

图1铝合金在汽车上的使用量

由于铝合金具有强氧化性、导热率大、导电性能好、线膨胀系数大等特点，

使得铝合金在焊接过程中容易产生气孔、裂纹、咬边、夹渣和合金元素烧损等缺陷，同时焊后接头容易软化，耐腐蚀性下降等。针对这些特点，近年来，国内外学者提出了几种铝合金焊接新技术，这些技术较好地解决了MIG焊、TIG焊以及电阻点焊焊接铝合金所带来的热变形大、焊接效率低等缺点，因此在汽车制造业中得到了广泛应用。本研究主要介绍了用于铝合金焊接的激光焊，激光一电弧复合焊，双光束激光焊，摩擦搅拌焊的原理、特点以及在汽车制造中的应用。

2铝合金在汽车中的应用

铝合金材料大量用于汽车工业，其用量增加后带来的效益主要体现在以下几方面。

2．1轻量化

减轻汽车自重的方法：一是改进汽车的结构设计；二是选用轻质材料(如铝合金、镁合金、塑料等)制造。迄今为止，前者已无太大的挖掘潜力。因此汽车行业普遍注重开发新的高强度钢或铝、镁等轻合金材料。在轻质材料中，由于聚合物类的塑料制品在回收中有环境污染问题，镁合金的价格和安全性也限制了其广泛应用。而铝合金因其资源丰富，随着电力工业的发展和铝冶炼工艺的改进，铝产量迅速增加，成本相应下降，且能最大限度地回收利用材料。目前国外的回收率约为80％，有60％的汽车用铝合金材料来自回收的废料。理论上铝制汽车可比同类钢制汽车减轻40％的质量，因此铝合金材料是汽车轻量化最理想的材料之一。

2．2节能显著

减少燃油消耗的途径一般是提高发动机效率，减少行驶阻力，改善传动机构效率和减轻汽车质量等，其中最有效的措施是减轻汽车质量，轻质铝合金的使用

正好可以满足这一点。

2．3减少大气污染、改善环境

汽车轻量化的同时也减少了CO：排放量。汽车自重减少50％，CO：排放量减少13％。同时，氮化物、硫化物等的排放量也会相应减少，可大大减少环境污染。

2．4提高汽车行驶的平稳性、乘客的舒适性和安全性

汽车轻量化可提高汽车的行驶性能，美国铝业协会提出，如果汽车质量减轻25％，可使汽车加速到96．5 km／h的时间从原来的10 s减少到8 8；使用铝合金车轮时振动减小，可使用更轻的反弹缓冲器；由于使用铝合金材料是在不减小汽车容积的情况下减轻汽车自重，因而使汽车行驶更为平稳，乘客空间变大，在受到冲击时铝合金结构能吸收和分散更多的能量，安全和舒适性更好。

3. 铝合金的焊接技术

目前，适合汽车用的铝合金主要有Al-Mg（5000）,Al-Mg-Si（6000）及Al-Mg-Zn（7000）三大系列,这三类合金各有特点,用在汽车的不同部位。一般,汽车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金,而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。优于铝合金较活泼,导热导电性好,线膨胀系数大，焊接时常会有气孔,裂纹,咬边,焊缝成形差等缺陷出现并且焊后接头力学性能下降。为了实现汽车生产中，要求高的生产率和高的焊接质量相容性的要求，提高铝合金的焊接技术，开发和应用新的焊接方法，对铝合金在汽车中的广泛应用具有重要的意义，这也是真正实现汽车轻量化的技术关键之一。

目前，生产中常用MIG焊,TIG焊方法来焊接铝合金材料。虽然使用这两种方法能够得到良好的焊接接头，但是，这两种方法却有熔透能力差,焊接变形大,

生产效率低等缺点。近年来，很多科技工作者开始探讨焊接铝合金的新方法，如激光焊,双光束激光焊,激光-电弧复合焊及摩擦搅拌焊等，下面主要介绍这四种焊接方法的主要特点。

3.1 铝合金的激光焊

随着大功率,高性能激光加工设备的不断开发，铝合金激光焊接技术发展很快，是未来焊接铝合金的主要发展方向之一。目前，铝合金激光焊接已经被使用在车体部件的连接上，在Audi A2(全铝结构)上，就有30cm激光焊缝。

3.1.1 激光焊接铝合金的优点

与传统的TIG,MIG焊相比，用激光来焊接铝合金具有以下优点:

（1）能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响区窄而熔深大的焊缝。

（2）冷却速度快，能得到组织微细的焊缝，故焊接接头性能良好。 （3）焊接速度快,功能多,适应性强,可靠性高，且不需要真空装置，所以在焊接精度,效率,自动化等方面具有无可比拟的优势。

3.1.2激光焊接铝合金的难点

虽然用激光焊接铝合金具有很多优点，但是由于这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题。

（1）铝合金对激光能的吸收很低。焊接时，首先遇到的也是最难解决的问题，就是铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率(对CO2激光超过90%，对YA1)激光接近80%)，这也是影响焊缝熔深的主要因素。因此，要有效地对铝合金进行激光焊接，就必须增大激光功率密度或者采用其他措施来提高铝合金对激光能的吸收率。

1)提高激光功率密度以产生钥孔效应。在激光焊接铝合金时，钥孔的出现会

大大地提高材料对激光的吸收率。在不同铝合金的激光焊接中，发现都存在一个激光功率密度阀值，即诱导出钥孔所需的最低功率密度，CO2激光焊的功率密度阀值约为10^6W/cm^2，而Nd-YAG激光焊的功率密度阀值则要低一些。Huntington和Eager发现激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会明显增大，这是由于钥孔的形成而不是铝合金开始熔化。

2)采用适合的表面预处理措施。为了提高铝合金对激光的吸收，可以以改变材料表面状态来降低反射，改善吸收。国外学者在这方面作了大量工作。Huntington和Eager采用测热法，研究了CO2激光焊接纯铝和5456铝合金时，对激光的吸收情况(如表所示)，发现阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的吸收。另外，由表可以得知，在同一表面状态下5456铝合金的激光吸收率(20%~25%)要比纯铝大。其他学者的研究也证实，砂纸打磨,表面化学侵蚀,表面镀,空气炉中氧化等铝合金表面处理措施，对改善激光能的吸收是有效的。

3）选择合适的接头形式。Huntington和Eager还研究了接头坡口形状对激光吸收的影响，发现在同等激光功率下，Y形坡口和方形坡口接头，比无坡口接头的吸收率要高得多，这主要是由于有坡口的接头有利于钥孔效应的形成。另外，还发现方形坡口接头的激光吸收率对坡口尺寸的变化很敏感。

(2)合金元素烧损严重。由于铝合金的电离能低，而且汽车用的三大系合金(5000、6000、7000)中含有大量的Mg,Zn等低沸点元素，所以铝合金激光焊时，传导模式和钥孔模式中熔池内合金元素都有明显烧损。Moon和Metzower研究发现,合金元素Mg、Zn等的大量烧损,不仅会导致焊缝表面下凹,从而造成焊缝成形差，而且也是接头拉伸强度下降的主要原因。

（3）易产生气孔。激光焊接铝合金时产生的气孔有两类：氢气孔和由于钥孔塌陷而产生的气孔。由于焊接过程中铝合金对氢的溶解度很大，而且激光焊的冷却速度很快，这样来不及逸出的氢气就造成了氢气孔。在钥孔模式焊接时，如果钥孔不稳定，熔融铝合金就不能很好地填充空洞，这样金属蒸气和气体就会留在焊缝根部，从而形成气孔。另外，由于汽车用铝合金焊接时表面张力低一些，而且金属蒸气压又要大一些，所以气孔敏感性更大。材料表面状态，保护气体种类、流量。以及保护方法，焊接参数等都会影响气孔敏感性，选择合适的表面处理措施，加强保护和采用高功率、大焦距焊接时可以降低气孔敏感性。

（4）热裂纹敏感性大。热裂纹是铝合金激光焊接时最常见也是最严重的缺陷之一，它是由铝合金的性能及激光焊的特点决定的。铝合金激光焊产生的热裂纹有两种：焊缝中的凝固裂纹和局部熔化区的液化裂纹。各国学者对凝固裂纹的产生机理及预防措施进行了大量的研究，这方面的报道也很多，然而有关液化裂纹方面的研究却很少。防止凝固裂纹产生的措施很多，如采用合适的填充材料-添加细化凝固组织的微量元素（Ti、Zr等）、优化激光脉冲的波形及选择适当的焊接工艺参数等。

3.2 铝合金的激光-电弧复合焊

虽然用激光焊接铝合金有许多优势，但仍存在较大的局限性，如设备成本高、接头间隙允许度小、工件准备工序要求严等。为了更有效地焊接铝合金，人们发展了激光=电弧复合焊接工艺。激光-电弧复合主要是激光与TIG电弧MIG电弧及等离子体。目前，该工艺在德国和日本等发达国家研究比较多，并在汽车业中已有一定的应用，如大众汽车公司的Phaeton前门上就有48处激光-MIG焊道，而且还可以用来焊接车体及轮轴。不过国内在该工艺的研究和应用上基本还是空白。

用激光和电弧复合焊接方法来焊接铝合金时，激光与电弧的相互影响，可以克服单用激光或电弧焊方法自身的不足，产生良好的复合效应。能显著提高焊接效率，这主要基于两种效应:一方面是高的能量密度导致了高的焊接速度;另一方面是两种热源同时作用在一个相同区域的叠加效应。

(1) 焊缝成形美观。采用激光和电弧复合热源，综合了电弧的加热范围较宽和激光的高能密度优点，焊后可得到宽而深的焊缝，避免了激光单独焊时出现表面凹陷形成的咬肉缺陷(如图1所示)。有试验表明，YAG激光-脉冲MIG复合焊接铝合金时，熔深比激光焊增加6倍，比脉冲MIG焊接也要增加1倍

以

上

。

图1无填充焊丝时激光焊和激光

复合热源能量分配比例的变化会影响焊缝尺寸，随着激光能量的增加，焊缝熔深将加深，而电弧能量的增大则会使焊缝宽度变大。另外，激光与电弧中心之间的距离越小，熔深也越大。

(2)适应性强-稳定性好。激光焊接铝合金时由于光束直径很小，要求坡口装配间隙精度高，所以在大规模批量生产条件下适应性差。而复合焊时，由于电弧的作用，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪容易。此外，激光产生的等离子体对稳定电弧有促进作用，从而使复合焊接过程更稳定。

(3)降低成本。激光单独焊接铝合金时，由于母材对激光的反射率高，对激光功率要求高。而与电弧复合焊接时，一方面由于电弧能量的摄入，另一方面由于电弧的作用可以使激光照射在电弧的熔池中，铝合金对激光的反射大大减少，大幅度提高了激光的吸收率，可以大大降低激光器的输出功率。

这种复合工艺的优势很多，潜力很大，在未来的汽车生产中必将具有广泛的应用前景。

3.3 铝合金的双光束激光焊

如前所述，激光单独焊接铝合金时会产生由于钥孔塌陷而产生的气孔。针对这个问题，人们又研究了双束激光焊，发现双束激光焊有相对较宽的焊宽和较低的焊缝深宽比，能提高钥孔的稳定性，可以明显地降低气孔敏感性。其原因在于

双束激光焊接时第一束激光产生熔池，并对附近区域进行预热，累积的热量使第二束激光照射该处时，可以熔化更多的母材。从而形成较宽的焊缝，此外。由于第二束激光能可以把第一束激光形成的钥孔后壁气化。避免了钥孔的塌陷。所以形成气孔的几率就要小一些。

3.4 铝合金的摩擦搅拌焊（FSW）

虽然铝合金的熔焊能得到较高的焊接速度。应用范围也很广。但熔化焊焊缝为铸态组织。且焊接接头在热循环作用下组织变化大。造成接头力学性能下降(尤其是可热处理铝合金)。此外，熔焊铝合金时。接头的热影响区宽.变形大.易产生缺陷.成本高及接头的颜色与母材有差异，于是英国焊接研究所（TWI）在1991年提出了摩擦搅拌焊这一工艺，该工艺在发达国家已经得到广泛应用。尤其是在造船.航天航空和汽车业的铝合金连接上。如挪威的Aluminum公司、波音公司、日本日立公司等。而国

内有关该工艺的研究尚处于起步阶段，

FSW的原理是,焊接探头一边旋转一边沿接合线向前移动,铝合金在摩擦热作用下软化,并随着焊接探头的旋转产生塑性流动而被接合(如图2所示)。接合部的温度在铝合金的熔点（600度）以下,所以有很多特点。

图2 FSW 施工法

a-未受影响的材料;b-受热区域; c-热作用区;d-部分受热力影响的区域

3.4.1 铝合金FSW的优点

（1）焊接接头质量好，FSW属固相焊。焊接接头不易产生熔焊时凝固过程中出现的裂纹、气孔等缺陷；焊接温度低于铝合金熔点。所以能得到组织与母材相近的接头且工件变形小；焊后没有色泽变化，

（2）成本低。不需填充材料和保护气体；对装配精度要求不高。焊前准备工序简单；厚板焊接不需开坡口；接合机构简单。易于管理；节能。

（3）操作简单方便易于实现机械化、自动化、焊接过程稳定。

（4）不产生飞溅或难闻的烟气，也不发生紫外线或红外线等有害光线。

3.4.2铝合金FSW的局限性

接合部背面需用顶住工具推压或夹具夹住；焊接速度比熔焊要低；接头部间隙的容许范围比熔焊小；焊后接合部终端残存钥孔；不能三维曲面施工。

虽然FSW的发展时间不长。但在焊接领域已经引起了很大的轰动。在生产应用中发展很快，随着这种工艺的不断成熟。将来会获得更广泛的应用。

4 结束语

为了实现汽车轻量化。解决节能.环保等问题。铝合金在汽车中的应用不断增加。这是汽车发展的趋势。也是社会发展的需求，由于铝合金的物理化学性能特殊。焊接时有一定困难。很大程度上制约了铝合金在汽车中的广泛应用，提高铝合金的焊接技术.开发和应用新的焊接方法是提高汽车铝化率所必须攻克的技术关键之一，其中激光焊.激光J电弧复合焊.双束激光焊及摩擦搅拌焊就是近年发展起来的焊接铝合金的新工艺。在国外轿车生产中已有了一定的应用，随着这

些焊接方法的不断成熟。必定为铝合金在汽车中的应用提供更坚实的技术支撑。也为我国汽车铝合金化程度的进一步提高提供了宝贵的借鉴和经验。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gqew.html