汽车工业中的铝合金及其焊接技术

蒋玉秀，王丽君

(1.广西工业职业技术学院 汽车工程系，广西 南宁 530001；2.西南交通大学 材料学院，四川 成都 610031)

汽车工业中的铝合金及其焊接技术

蒋玉秀1，王丽君2

(1.广西工业职业技术学院 汽车工程系，广西 南宁 530001；2.西南交通大学 材料学院，四川 成都 610031)

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、提高汽车平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-电弧复合焊、激光拼焊、搅拌摩擦焊在汽车用铝及其合金焊接的应用和特点。

铝合金；汽车；激光+TIG复合焊接；激光拼焊；搅拌摩擦焊

0 前言

汽车工业的发展和应用与能源、环保和安全息息相关。汽车行业多年来一直从汽车产品自身结构设计、制造材料的选用和制造工艺等方面着手，研制现代新型汽车，并特别注重节能和环保问题，并将汽车轻量化作为首要解决的问题。

自20世纪90年代开始，汽车制造材料逐步向轻量化、节省资源和高性能方向发展，汽车材料轻量化成为汽车发展的必然趋势，轻量化不仅可以减轻车身自重、降低油耗、减少污染，而且可以降低成本、增强企业竞争力。为了适应汽车轻量化的要求，一些车用新材料应运而生，如高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、塑料、生态复合材料及陶瓷等。

1 铝合金

1.1 铝合金材料特点

铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、加工成型性良好以及高回收再生性等特性，在工程领域内被认为是“机会金属”或“希望金属”，铝工业一直被称为“朝阳工业”。为了节约能源，减少汽车尾气对空气的污染和保护日趋恶化的臭氧层，铝合金材料迅速地进入汽车领域。

1.2 铝合金汽车板材力学性能

目前铝合金汽车板材主要有6000系和5000系两个系列，其典型牌号的合金成分见表1，基本成分和性能特点见表2[1]，典型牌号的准静态应变速率下的力学性能如表3所示[2]。

表1 6000系和5000系铝合金汽车板材主要成分 %

表2 6000系和5000系的基本成分和特点

表3 6000系和5000系铝板力学性能

2 铝合金在汽车工业中的应用

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CO2排放量。汽车自重减少50%，CO2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 s；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 汽车用铝合金材料的品种

世界各国工业用铝合金材料的品种结构虽然有一定差异，但大体相同，主要是铸造铝合金和变形铝合金两大类。前者用于生产各类铸件，后者用于生产各类加工材(如板、带、箔、型、棒、线)及锻件，各类加工材一般都需进一步加工才能成为汽车零部件。

铸造铝合金材料生产的各类铝合金铸件主要用于：发动机上的部分零件(如活塞、缸盖等)以及变速箱、制动器、转向器等部件上的部分铝合金铸件。近年来，发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等大型铝合金汽车零件(见表4)的应用，促进了汽车用铸造铝合金材料的发展。

变形铝合金材料主要用于汽车的散热系统、车身、底盘等部位，如表5所示。如汽车水箱、汽车空调器的蒸发器和冷凝器等主要是用铝合金带箔材及管材；车身各部位(如发动机罩、行李箱盖、车身顶板、车身侧板、挡泥板、地板等)以及底盘等则多用板材、挤压型材。近年来，由于汽车散热系统、车身铝合金化进程加快，汽车用变形铝合金材料也在迅速发展。

4 汽车用铝合金的焊接技术

4.1 铝及其合金的焊接性

纯铝熔点为660℃，熔化时不发生颜色变化。铝对氧的亲和力很强，在空气中很容易氧化成致密难熔的氧化膜(Al2O3，熔点2 050℃)，它可防止铝继续氧化。铝及其合金在熔化焊时有以下困难和特点。

表4 汽车主要部件系统中的铝铸件

表5 变形铝材在汽车上应用的主要部件系统

(1)铝和氧的亲和力很大，在铝及其合金表面总有一层难熔的氧化铝膜，远远超过铝的熔点，这层氧化铝膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿。在焊接过程中应清除或破坏氧化膜。

(2)铝的导热性和导电性约为低碳钢的5倍，焊接时需要更高的线能量，应使用大功率或能量集中的热源，有时还需要预热。

(3)铝的线膨胀系数约为低碳钢的两倍，凝固时收缩率比低碳钢大两倍。焊接变形大，若工艺措施不当，易产生裂纹。熔焊时，合金的焊接性首先体现在抗裂性上。在铝中加入铜、锰、硅、镁、锌等合金元素可获得不同性能的合金，铝合金的裂纹敏感性各有不同。

(4)金属的固态和液态色泽不易区别，焊接操作时控制温度较为困难；铝在高温时强度很低，焊接时易引起金属塌陷或下漏。

(5)焊后焊缝易产生气孔，焊接接头易发生软化。

随着全铝车身的使用，铝合金薄板焊接结构在汽车中起着越来越重要的作用，因此研究铝合金薄板焊接接头的强度、硬度等性能十分必要。铝合金的薄板焊接是指将平板材料焊接在一起而形成平板坯料的方法，其焊接方式通常有激光焊接、缝焊、离子束焊接、搅拌摩擦焊、感应焊、TIG焊[3]，特点是在零件中获得良好的使用性能，并且满足汽车的结构设计要求。由于焊缝、热影响区、母材之间有着不可预测的联系，所以国内外都对铝合金薄板焊接接头的力学性能进行了一系列的研究[4]。

4.2 激光+TIG复合焊接

目前，汽车铝车身主要采用激光焊接工艺，但存在以下问题：由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5 mm；要求跟踪精度高；在开始尚未形成熔池时热效率很低；设备成本高，工件准备工序要求严格。而激光-电弧复合焊接方法可以解决上述问题，复合电弧焊增加了熔池宽度，降低了装配要求，焊缝跟踪更容易。用激光和电弧复合来焊接铝合金，由于激光与电弧的相互影响，可以克服只采用一种方法存在的不足，进而产生良好的复合效应。

上海交通大学研究了YAG激光+TIG复合焊接铝合金的新工艺[5]，探讨了工艺参数对焊缝成形的影响规律及激光与电弧的复合作用。试验结果表明，采用激光焊复合工艺能够提高熔深和焊速；在比较宽的工艺参数范围内，YAG激光复合焊接铝合金焊缝成形美观，熔深和焊速均显著提高，大大提高了生产率。YAG复合焊接机头安装示意如图1所示。

图1 YAG复合焊接机头安装示意

4.3 激光拼焊

激光拼焊是指将几个小零件通过激光焊接集成一个大的毛坯，进而冲压成型为所需的整体部件。近年来激光拼焊板发展迅速，在汽车工业中应用广泛，主要用于差强度、差厚度或不同表面处理状态的零件整体成形[6]；使用激光拼焊板可减少模具的数量和后续生产工序，从而降低生产成本，并提高零部件的质量，优化零件结构，充分发挥不同强度、不同厚度板材的特性，成为汽车轻量化、降低零件数量、保证汽车安全、优化设计和改进制造技术的重要手段，其应用的典型零件如图2所示[7]。在汽车中采用激光拼焊板材后，可使零件质量减轻24%，零件数量减少19%，焊点下降49%，生产时间缩短21%，因此，其应用量正在迅速增加。此外，激光拼焊还可以将铝合金和钢铁材料等不同类型的材料焊接在一起，进一步扩大了应用范围。

图2 激光拼焊应用的典型零件

4.4 高强铝合金焊接途径——搅拌摩擦焊

摩擦焊是根据摩擦产生热量来进行焊接，适用于异种金属的焊接。过去一般只用于对焊，如合金钢气阀或切削刀具可采用摩擦焊将一般材料的本体与合金钢的工作部分焊成双金属气阀或切削刀具[8]。英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，其实质是在高速旋转的摩擦头上装一特殊形状的凸柱刺入工件面内，摩擦加热被焊金属成塑性状态，同时搅拌金属形成一个旋转空洞，旋转空洞随摩擦头而前移，其后被挤出的塑性金属填入空洞，冷却后形成致密焊缝，这种方法突破了只能对焊杆或旋转面堆焊，可以对接焊、搭接焊、角焊和点焊，可应用于航空、汽车、铁道车辆等工业。

过去，车身板材的连接采用电阻点焊，焊接过程需要大型专用设备来提供持续的大电流。而采用搅拌摩擦焊只需要一个非消耗的搅拌头旋转插入待焊件，通过搅拌头与焊件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力即可形成可靠的连接。

搅拌摩擦焊位移的能量消耗是驱动搅拌头旋转以及施加锻压力所消耗的电能，整个焊接过程不需要传统电阻点焊必须的大电流和压缩空气。采用搅拌摩擦焊技术焊接铝合金节约了99%的能量消耗。由于不需要大型的供电设备和专用的点焊设备，设备成本降低40%，焊接过程中绿色环保、无飞溅和烟尘，焊接环境安全。

针对铝合金结构的汽车车身的拼接，采用带有斜面轴肩的搅拌头在厚板一侧进行焊接以获得厚度平滑过渡的接头。目前，汽车制造商正在对搅拌摩擦焊工艺进行应用评定。

5 结论

近几十年来，世界性能源问题变得越来越严重。这使得减轻汽车自重、降低油耗成为各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。铝合金材料是汽车轻量化最理想的材料之一，目前，美国、日本、德国是采用铝合金最多的国家，如德国大众AudiA8、A2，日本的NXS等车身用铝合金量达80%。铝合金材料的应用已经逐渐蔓延到国内各大汽车生产线，铝合金材料可降低生产成本，提高零部件的质量，优化零件结构，充分发挥了不同强度、不同厚度板材的特性，成为汽车轻量化降低零件数量、保证汽车安全、优化设计和改进制造技术的重要手段，因此研究高效、高质量的焊接方法有着重要的意义。

[1] Kobe Steel Lt.Automotive sheet and coils[R].Shanghai San-Jing Compang，2008.

[2]Aluminum Standards and data[M].The Automotive Association，Inc.Copyright，2003.

[3] Pallett R J.The use of tailored blanks in the manufacture of construction components[J].Journal of Materials Processing Technology，2001(02)：249-254.

[4]史耀武，周宁宁，张新平，等.微剪切实验及对焊接接头力学性能的评价[J].焊接学报，1994，15(4)：235-240.

[5]芦凤桂，唐新华.汽车用铝合金激光+TIG复合焊接工艺研究[J].材料·工艺·设备，2006(01)：39-41.

[6]Zhang Mei，Fu Renyu.Development of the micro-alloyed trip Steels and properties of their laser welded blanks[J].Iron and Steel，2005(01)：754-758.

[7]马明图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，11(9)：20-27.

[8]王元良，周友龙，胡久福.铝合金汽车轻量化及其焊接新技术[A].2005年南郡杯学术年会论文集[C].四川：2005.

Al alloy and its welding technology in automobile industry

JIANG Yu-xiu1，WANG Li-jun2
(1.Department of Automotive Engineering，Guangxi Industrial Vocational and Technical College，Nanning 530001，China；2.College of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Aluminum and its alloy in the automobile industrial application with light weight，energy saving and emission reduction，improving the environment，improve the vehicle stability and safety.Analysis of aluminum and its alloy fusion welding seam gasification are generated，weld joints are easy to soften and other defects.Discussed the application and its characteristics of lser arc hybrid welding，laser welding，FSW in automobile industry.

Aluminum；automobile；laser+TIG hybrid welding；laser welding；friction stir welding

TG457.14

B

1001-2303(2012)04-00109-04

2011-11-28；

2012-04-10

蒋玉秀(1976—)，女，广西桂林人，讲师，硕士，主要从事汽车专业教学与研究工作。