铝合金框架车身弧焊焊接应力变形的控制

张宁宁 黄成成

摘要：科学技术的发展迅速，在汽车行业的发展，在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接过程中产生焊接应力和变形的根本原因，是不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比热容不同的组织。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，所产生的应力和变形称为瞬态焊接应力和变形;焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在以铝合金型材为主的铝合金框架车身的焊接过程中，由于焊接应力与变形引起的焊件形状和尺寸变化，带来产品的连接质量、几何尺寸精度、功能以及生产效率造成的影响比其他行业要大的多，因此，焊接应力变形是车身及其零部件设计和制造中需要重点考虑的问题。

关键词：铝合金框架;车身弧焊焊接;应力变形;控制

引言

由于铝合金的诸多优点，目前世界主要车企在铝合金材料上不断加大使用量。例如，在全新一代奥迪A8中，铝合金的使用比例达到了58%。在国内，蔚来汽车ES8车身用铝高达96.4%，使得车身质量仅为335kg。然而，铝合金与传统的钢材在晶体结构和物理属性上存在较大差异。例如，钢的熔点为1536℃，而铝合金仅为660℃，铝合金的热导率、电导率远远高于钢。这些都导致传统焊接工艺难以实现可靠连接。目前，汽车车身铝合金焊接与连接技术主要如下。

一、工装夹具主要验证方式

（一）工装定位刚性负载验证

预验收时需对活动机构、悬臂结构的定位销和活动定位基准面进行重复定位精度测量。按照对定位销和定位基准面分别施加10和20 kg负载的标准，进行每个方向各10次的重复性测量，其中活动机构每次运动都要测量，施加负载后的偏差值控制在±0.3 mm为合格。

（二）定位一致性验证

活动定位部件在夹具上反复动作定位10次，利用三坐标进行检测工件或夹具的特征点位置（根据实际情况选取，数量不低于5个），对每个点的偏差进行数据记录，每点变化量<0.2 mm时，夹具定位一致性满足要求，具体包含定位抓手和大型翻转定位部件（CKZ3T80及以上气缸驱动）。相互配合的零件定位完成后，在相互配合面的位置打若干个共用孔（位置根据实际情况选取，数量不低于5个），夹具反复工作5次，分别测量共用孔的变化，每次测量孔径偏差≤0.5 mm为合格。

（三）产品验证试验

批量生产前每套工装夹具需焊接10套工件作为试验件，焊后需对试验件进行焊缝编号，对焊缝进行低倍检测，满足焊接熔深要求方可证明焊接用工装的可行性。

二、车身材料发展趋势

（一）乘用车

本文从典型乘用车奥迪A8、宝马7系、宝马i3车型分析乘用车车身用材的发展方向，具体分析如下：奥迪A8：D3车型采用全铝结构车身，减重效果非常明显。D4车型综合考虑驾驶室性能、结构强度要求，在白车身B柱部位使用热成型高强度钢，车身选材以铸造铝、挤压铝、铝板材为主，局部使用热成型高强钢。D5车型选用多种材料，车身选材以铝合金、合金钢为主，局部使用碳纤维复合材料、镁合金。奥迪A8产品的升级，白车身用材向复合型、多元化材料发展。宝马7系：将碳纤维复合材料、钢材、铝材及塑料进行组合，其中车身B柱、车顶纵梁/前横梁、门槛梁、中央通道及C柱使用碳纤维复合材料和高强钢。宝马i3车型：白车身选用多种材料进行组合，如碳纤维复合材料、铝材、钢材、胶粘剂等。乘用车车身用材向多元化发展，同时提高铝材的应用占比，而铝材对车身轻量化效果影响明显。

（二）商用车

目前国内外商用车车身用材以低碳钢为主，局部使用高强度钢，如车门、侧围、前围、地板部位，高强钢用量逐渐提高。考虑轻量化因素，部分车型车身或部件已选用铝合金材料。在车身选材时需综合考虑车身性能、轻量化和成本等因素选用合适的材料。铝合金材料是否为车身用材的发展趋势，需要进一步探讨，但车身用材的多元化无疑是汽车行业的发展方向。

三、优化措施分析

（一）通過工艺优化设计控制

（1）合理拆序铝合金框架车身的结构主要是以铝型材件为主体构成框架，外部覆盖铝板材件形成完整的车身骨架总成。在工艺设计工序拆分阶段，在节拍允许的前提下，将车身骨架上各零件在空间上进行分散、对称布置;相邻零件分序间隔布置。可减小局部焊接变形量，也提高了焊接机器人动作的可靠性。同时，在后期实际制造过程中，杜绝打开夹具补焊现象，有利于变形的控制，提升车身尺寸稳定性和一致性。（2）优化焊接顺序同一工序的焊缝焊接时，按照“先弱后强、先里后外、分段交叉”和车身重要功能点后焊等原则编排焊接顺序。这样可以减少单位时间内焊缝接头区域的热输入量，使焊接时产生的热量得到充分的冷却，同时尽量使相互交叉变形量之间形成对冲效果，最终减小整个零件的焊接变形量。（3）优化焊接参数通常主机厂购买的焊接设备均为标准设备，其焊接控制系统内的参数库和控制波形均为制造商在其焊接实验室按照通用工况得出的优选方案。而在具体项目应用时，需要在工艺评定环节，结合项目产品结构的特点进行适配性微调（焊机厂家工艺人员配合）。在保证焊接质量的前提下，通过优化焊接电压、焊接电流基值/峰值、脉冲频率及送丝速度等参数，选取合适的焊接波形控制策略，将焊缝焊接所需要的线能量优化到最小，焊接应力变形也相应减小。

（二）激光束焊工艺

通过脉冲或者连续的激光束照射铝合金表面，把金属表面的热量迅速扩散到铝合金内部，使铝合金快速融化形成一条焊缝。激光焊接加热集中、焊接变形小，焊接过程易于集成自动化、柔性化，焊接质量稳定。

（三）通过焊后保压冷却控制

焊接结束后，利用夹具上的铜支撑和自然风冷，将工件冷却到环境温度+20℃范围内，通过夹具上各控制点的温度传感器检测到板件温度符合夹具打开要求后，打开夹具。根据项目实际经验，车身骨架总成单工位工时会增加60～90s（随环境温度变化），车身下部总成增加30～45s，二级分总成（前舱总成、前地板总成、后地板总成及侧围总成）增加60～90s，其他三级小总成增加10～30s。实际项目经验表明，该措施有明显地提升尺寸稳定性的效果（每个工位的保压冷却时间需要详细的试验得出最佳参数）。验证方法：使用焊后保压冷却法和不使用焊后保压冷却的零件进行三坐标测量数据对比，样本数建议每组4件，共五组。

结语

铝合金作为轻量化新能源汽车的主要材料，广泛应用到车身的各个位置。由于车身构件多以挤压型材为主，而挤压型材经过折弯、机加工、冲压等工艺加工后会影响材料尺寸的一致性，同时铝合金焊接时的专用设备操作空间要远远大于钢件焊接的空间，所以在铝合金焊接工装的设计上应避免过定位，少用“死”定位，尽量选择“活”定位，可以多选用二次压紧和二次开启命令。工艺拆分要更精细合理，工装终验收时要做充分试验验证。目前，能源、环境、安全等已经对汽车轻量化提出了迫切需求，而铝合金材料由于优良的性能，已经成为使用最广的轻量化材料。由于铝合金和传统钢材在物理属性等方面存在巨大差异，传统的点焊技术已不是最佳的连接工艺。目前整套匹配测量控制方式和量产的监控系统在国内一些较为先进的主机厂都已经实现，但是仍然是其他一些主机厂努力的方向。正确使用好匹配和量产的测量监控设备，会使不良品率大幅度下降。

参考文献：

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