汽车车身上铝点焊的研究及应用

高菁菁 李钊文 范林 蔡钢

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

随着中国制造2025和工业4.0战略的实施，在我国对新能源汽车产业大力扶持的背景下，新能源汽车的研发与制造已成为推动我国汽车产业升级的一个重要环节。受限于动力电池能量密度的技术瓶颈，纯电动汽车的整备质量比同级别的传统能源车高出13%～20%，车身轻量化是新能源汽车发展的主要趋势，而铝合金材料应用是目前车身轻量化的主要解决方案。焊接是汽车制造中最重要的制造技术，传统电阻点焊具有设备通用性高、成本较低、质量稳定、工时较短等特点，常规钢车体的主要连接技术是电阻点焊。随着高强度、超高强度钢，铝合金和复合材料的引进，新的连接技术也同时引进，包括激光焊、铆接、胶粘等[1]。文章主要阐述了铝合金电阻点焊的工艺研究和在汽车行业的应用现状。

1　铝合金的焊接性

铝合金的焊接性通常考虑3个方面：母材、工艺设计和焊接过程。

根据铝合金成型方式的不同，分为变形铝合金（包括冲压板和型材）和铸造铝合金。变形铝合金中，根据强化机制的不同，分为时效硬化铝（例如6xxx系和7xxx系铝合金）和固溶强化铝（例如5xxx系铝合金）。不同的强化机制会导致电阻点焊过程中的缺陷倾向和组织形成过程不同。

针对铝合金，不同的热处理工艺对母材的影响很大，常用的热处理工艺包括：

1）O——退火态：消除加工硬化和内应力，可以稳定外形和尺寸；

2）T4——固溶处理（淬火）加自然时效：通过加热保温，使可溶相溶解，然后急冷，获得过饱和固溶体，以提高合金的硬度、强度及抗蚀性。对Al-Mg系合金为最终热处理，对需人工时效的其它合金则是预备热处理；

3）T5——固溶处理（淬火）加不完全人工时效：用来得到较高的强度和塑性，但抗蚀性会有所下降，尤其是晶间腐蚀会有所增加；

4）T6——固溶处理（淬火）加完全人工时效：用来获得最高的强度，但塑性和抗蚀性有所降低；

5）T7——固溶处理（淬火）加稳定化回火：用来稳定铸件尺寸和组织，提高抗腐蚀（尤其是抗应力腐蚀）能力，并保持较高的力学性能。

此外，焊接工艺设计主要包括：板件搭接形式和工艺尺寸；焊接过程涉及焊接方法、焊接设备、焊前/焊后处理和工艺参数等。

2　铝合金电阻点焊的技术难题

2.1　铝合金的氧化膜

铝合金的熔点为520～660℃，铝合金表面有一层致密的氧化膜，厚度小于0.01 mm，熔点约2 000℃。电阻点焊过程中，热量输入使熔池温度略高于铝合金熔点，但远远无法达到氧化膜的熔点，因此，氧化物无法熔化。此外，氧化膜具有低导电性和低导热性。因此，电阻点焊如何在焊接开始时保证氧化膜的刺穿和破碎是需要解决的一个重要问题[2]。氧化膜对气体具有吸附作用，容易形成气孔，同时，无法熔化的氧化膜在焊核中容易形成非金属夹杂物。图1示出铝合金和无镀层钢板在焊接过程中的电阻变化。

图1　铝合金和无镀层钢板在焊接过程中的电阻变化

2.2　凝固过程中的裂纹

2.2.1热裂纹

由于部分铝合金的固溶温度区间较大，焊核在熔化、再凝固的过程中，凝固后收缩，在应力影响下，容易在焊核形成热裂纹，根据铝合金成分不同，形成热裂纹的情况如下：

1）纯铝：无固液两相区，不形成热裂纹；2）非时效硬化铝（例如3xxx和5xxx），固溶温度区间小于50℃，对于电阻点焊这种熔化焊，热裂纹倾向很小；3）6xxx和7xxx中的AL-Zn-Mg系列铝合金，固溶温度区间在50～100℃，热裂纹倾向较为敏感，需采用合适的对策保证焊接质量；4）2xxx和 7xxx中，因为 Cu，Mg，Zn 合金元素的加入，固溶温度区间在100℃以上，热裂纹非常容易形成，应尽量避免熔化焊。

2.2.2液化裂纹

在时效硬化铝中，还存在一种液化裂纹。当焊核温度达到熔点以上，低熔点共晶相重新溶解到液相中，凝固过程中收缩，同时液态金属无法及时流动到凝固位置，因而形成液化裂纹。液化裂纹的形成主要与高热量输入有关，因此，除了添加低熔点焊丝外，降低能量输入，减少热影响区也是降低液化裂纹的有效手段。

2.3　气孔

焊核熔化过程中，液态铝合金吸收大量氢，凝固后，氢的固溶量下降20%，因此，多余的气体无法排出而形成气孔。

2.4　焊接接头的软化问题

焊接接头区域分为焊核区、热影响区和母材区。焊核区是近铸态组织，焊接过程中最高温度在500℃以上。靠近焊核区的是热影响区，焊接过程中，最高温度在300～500℃之间，母材区最高温度在130℃左右，其中，热影响区的区域大小主要由焊接热输入决定。

热影响区的软化程度主要由母材的合金类型、组织和强化机制决定[3]。对于非时效硬化铝（例如5xxx系），加工硬化特征在退火过程中会得到部分减弱，但引起的强度下降很小。对于时效硬化铝（例如6xxx系和7xxx系），热影响区由于过时效的影响，机械性能大幅下降。如果母材是T4态，接头力学性能可以通过合适的焊后时效热处理工艺得以部分补偿；若母材是T6态，接头力学性能需通过焊后固溶后时效热处理工艺重新获得T6态机械性能。然而，在汽车工业制造过程中，焊后固溶+时效工艺并不是切实有效的手段。因此，实际生产中，应尽量减小能量热输入，从而减小热影响区域。

对不同合金，常见焊后热处理方法：焊接Al-Mg-Si合金（6xxx系铝合金）时，母材采用T4态，焊接后采用时效处理；焊接AL-Zn-Mg合金（7xxx系中无Cu的铝合金），热影响区由于强化相的固溶而强度下降，焊后可通过约90天的自然时效恢复到母材强度。

除强度外，热影响区的抗腐蚀能力也是点焊过程中不可忽视的因素。一般来说，时效硬化铝（6xxx系和7xxx系）抗腐蚀能力较差，非时效硬化铝抗腐蚀能力较强。

3　汽车行业铝合金电阻点焊的研究方向

3.1　铝合金点焊需要更高的热输入

由于铝合金的导电和导热性很好，需要比钢大得多的热量输入才能实现焊接。一般来说，铝合金的焊接电流是钢的2～3倍，同时为了保证热量的集中快速输入，焊接时间是钢的1/3。焊接压力相比钢要求更高，因此，焊接钢一般需要0.2～4 kN的焊钳压力，最高15 kA的焊接电流；而焊接铝合金需要0.2～8 kN的焊钳压力，最高40 kA的焊接电流。

3.2　电极的延寿

铝点焊过程中，由于大电流、高压力，铝材的粘连和飞溅现象较为严重[4]，因此，每个电极帽在焊接约20个点后需要进行修磨，需要花费大量时间，降低生产节拍，电极帽的快速磨损导致了生产费用的增加。

此外，电极的极性影响焊核质量和电极磨损。焊接过程一开始，势能决定极性，焊核形成偏向于阳极，因此，阳极磨损更为严重。同样厚度的板材，焊核偏向阳极成核；对于不同厚度的板材，可能引起焊核偏移，甚至虚焊。

4　铝合金电阻点焊在汽车行业的研究进展

4.1　采用中频直流焊机（MFDC）

应用MFDC的最大优势在于焊接不同板厚和材料时，能量供应的灵活切换，在铝点焊时，充分发挥电流传输的高效率和高利用率。

4.2　采用交流焊机

采用交流焊机的主要目的有2个：一方面，采用直流焊机时，正电极磨损程度明显比阴极严重，采用交流焊机可以均衡并改善正负极磨损情况，间接提高修磨频次，延长电极寿命。另一方面，由于电极极性导致焊核不在板材中间位置，而是向正极侧偏移，导致焊接质量不良，通过采用交流焊机，可以有效避免焊核偏移。

4.3　电极帽形状改变

美国通用汽车申请了一项多环电极帽的专利，在焊接前期，电极帽上的多环配合焊钳压力和电流，可以有效实现表面氧化膜的分割、压碎，顺利进入焊接阶段。图2示出美国通用汽车多环电极帽专利技术。此外，也有设备厂和主机厂开发了大平面电极和弧面电极。

图2　美国通用汽车多环电极帽专利技术

4.4　焊钳变压力

法国ARO焊钳设备商开发了一套利用电子伺服和压力反馈实现变压力焊接的铝焊钳。针对整个焊接过程初期的预压力、焊接压力、焊核成型的锻压力，可以实现变压力焊接，有效减少因压力不当引起的裂纹和飞溅等焊接缺陷。

4.5　工艺带的应用

奥地利Fronius焊钳设备商在传统焊钳基础上增加了2条工艺带，分别覆盖2个电极帽，每焊接一个焊点，工艺带移动一定距离，相当于每焊接一个点，与工件接触的部分都是全新的，无需电极修磨，电极寿命也得到了极大提高。图3示出奥地利Fronius增加工艺带的DeltaSpot技术。

由于工艺带的存在，由原来电极和工件间的电阻变为电极和工艺带间的电阻，工艺带本身的电阻以及工艺带和工件间的电阻。随之而来的焊接热输入分布，会在工艺带和电极之间存在热量峰值，一方面，焊接刚开始时可以作为额外的热量输入，实现熔池形成的同时，上下工件表面也同步加热，可以改变熔池形成机制，有效增加熔深。另一方面，铝合金本身的高导热性，冷却时工艺带引起的电阻热可以有效缓解热量散失，避免裂纹和飞溅，提高焊核质量。图4示出工艺带导致的电阻变化和热量分布变化。

5　结语

如何实现铝合金高效、低成本的可靠连接是一个重要的研究方向。相比铆接、胶粘，铝合金电阻点焊具备设备通用率高、成本低廉、轻量化等特点，对其的研究也将持续开展。但铝合金点焊的技术难点主要有：1）部分铝合金焊接存在软化区，降低焊接强度；2）铝合金表面有致密氧化膜，难熔、难击穿，且易形成焊接缺陷；3）铝合金点焊需短时大量热输入，引起电极磨损和粘连。

从目前汽车车身上的铝点焊研究和应用现状来看，未来几年铝点焊的研究重点是铝点焊强度的提升和质量的稳定性，铝点焊大幅产业化应用需进一步降低制造成本。