搅拌摩擦焊在汽车白车身前纵梁上的应用

叶树茂，康 铭，谷 晗，齐芃芃，金文福

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)在1991年申请获得世界专利的新型固相焊接技术[1-3]。搅拌摩擦焊被誉为高质量、低成本的“绿色环保焊接技术”，是继激光焊后再一次革命性的焊接技术[4-6]。2012年3月，德国发布ISO 25239标准，此标准在第4部分中规定了铝及铝合金的焊接工艺规范和评定相关内容[7]。与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有熔化焊所无法比拟的优点：在焊接过程中，若没达到材料的熔点，就不会产生气孔和裂纹等缺陷；不产生烟尘、飞溅和辐射，不会危害焊工的人身健康；不需要添加焊丝，节约成本[8]。

1 汽车前纵梁概述

1.1 前纵梁材料的选择

随着汽车保有量的增加，能源的节能减排成了制约汽车发展的重大因素，汽车轻量化是解决该问题的重要途径[9]。汽车车身轻量化的实现主要有三种途径：1)汽车结构的轻量化设计，即通过改进汽车结构，使部件薄壁化或中空化；2)采用轻量化工艺，如拼焊板或变截面等制造工艺；3)使用轻量化材料，具有较高的比强度和比刚度的轻量化材料，在车身轻量化设计中备受青睐。铝合金具有较高强度、良好的铸造性能、塑性加工性能、良好的耐蚀性和可焊性，是汽车轻量化材料的优质选择。

1.2 采用搅拌摩擦焊的优势

搅拌摩擦焊作为高质量低成本的先进焊接技术，应用在前纵梁焊接中具有以下优势[10]：1)对于变形量的控制，汽车零部件进行装配时，对零部件要求的精度较高，采用熔化焊时焊接过程中温度较高，产品由于受热产生的变形量较大，焊接过后难以调修，采用搅拌摩擦焊大大降低了被焊产品的变形量；2)焊缝表面成形美观，焊接过程为自动化焊接，无人为因素的影响，焊缝表面光亮，形成良好的鱼鳞纹焊缝，且无任何表面缺陷；3)焊后接头性能良好，与传统熔焊相比，焊接过程中金属不发生熔化，可有效避免气孔、裂纹等缺陷的产生，力学性能良好，且焊接过程中由于轴肩顶端压力的作用，形成内部成形良好且致密的优质焊缝。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

电动车的车身前纵梁焊接形式为管-管的焊接，材料选取6082-T6管材，力学性能见表1，结构设计如图1所示。箭头为搅拌摩擦焊的焊道位置，采取满焊形式；采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)，采取分段焊接。

表1 母材力学性能

图1 白车身前纵梁Fig.1 White body front longitudinal beam

2.2 试验方法

焊接设备采用HT-JM16×30/2二维静龙门搅拌摩擦焊机，工作台尺寸为2000 mm×3000 mm，搅拌工具为针长3.0 mm锥状带螺纹搅拌头。

由于搅拌摩擦焊产生的应力较大，焊接过程中会造成被焊材料变形从而影响焊接，焊接工装需要将被焊件完全固定。工装将前纵梁焊道表面及侧面顶住防止变形，尾部将前纵梁进行限位，防止焊接过程中出现滑动，并且在焊道尾部进行开槽防止搅拌头与工装碰撞。

3 试验结果及分析

3.1 焊缝表面质量

搅拌头轴肩压入量均控制在0.1～0.15 mm，观察搅拌摩擦焊接头的表面质量，图2(a)为车身前纵梁焊后整体外观形貌，图2(b)、2(c)为图2(a)的局

(a)焊缝外观形貌；(b)局部放大1；(c)局部放大2图2 搅拌摩擦焊焊缝外观形貌(a)appearance of weld;(b)local amplification 1;(c)local amplification 2Fig.2 Appearance of FSW welding seam

部放大宏观形貌。可知，焊缝外观成形良好，焊缝表面无犁沟缺陷，存在少量飞边。

观察MIG焊焊缝表面质量，图3(a)为车身前纵梁MIG焊后整体外观形貌，图3(b)、3(c)为图3(a)的局部放大形貌图。可知，MIG焊焊缝熔深为3 mm，由于MIG焊焊接时温度较高，焊后焊件变形量大，焊后调修较为困难，所以选择断续焊接的方式，相比于搅拌摩擦焊接方法，断续焊接降低了焊件整体的连接长度。焊接后焊缝表面存在一定尺寸的余高，焊缝周围还出现了不同程度的黑灰，难以去除，使得焊缝的表面不够美观。

(a)焊缝外观形貌；(b)局部放大1； (c)局部放大2图3 MIG焊缝外观形貌(a)appearance of weld;(b)local amplification 1;(c)local amplification 2Fig.3 Appearance of MIG welding seam

3.2 焊后变形量

搅拌摩擦焊为固相连接，焊接过程中母材没有发生熔化，与熔化焊相比，其热输入较低，焊后变形量小。图4、5分别为搅拌摩擦焊和MIG焊件变形图片。观察焊接起始位置，搅拌摩擦焊无变形，MIG焊变形量为1 mm；观察焊缝中间部位，搅拌摩擦焊焊件变形量为2 mm，MIG焊变形量为4 mm，MIG焊件的变形量大于搅拌摩擦焊。

(a) 焊件整体外观；(b) 位置1；(c) 位置2图4 搅拌摩擦焊焊件变形图片(a)overall appearance of weldment; (b) position 1; (c) position 2Fig.4 Picture of weldment deformation after friction stir welding

(a) 焊件整体外观；(b) 位置1；(c) 位置2图5 MIG焊件变形图片(a)overall appearance of weldment; (b) position 1; (c) position 2Fig.5 Picture of weldment deformation after MIG

3.3 焊缝内部组织

采用针长分别为2 mm和3 mm的搅拌头进行焊接，在焊缝上截取金相试样，经碱蚀磨抛后采用50X焊缝全拼方式进行宏观金相观察，并截取MIG焊接接头金相试样作为对比，如图6所示。可知，两种针长的搅拌摩擦焊焊缝的内部组织致密，焊缝内部熔合良好，但存在不同程度的S线和熔深；而MIG焊接焊缝内部无裂纹、气孔等缺陷，但根部却存在着未熔合缺陷。

(a) 针长2 mm ；(b) 针长3 mm；(c) MIG焊缝图6 不同焊接方法的焊缝内部宏观形貌(a) needle length 2 mm; (b) needle length 3 mm; (c) MIG weldFig.6 Macro morphology of weld internal by different welding methods

3.4 力学性能

对不同焊接接头进行力学性能检测，每种焊接方法选择3组试样，试验结果见表2。从表2中可以看出，搅拌摩擦焊接头抗拉强度可达到母材抗拉强度的76%，而MIG焊接后接头强度仅达到母材抗拉强度的66%。

表2 焊接接头力学性能

4 结论

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，是一种高质量、低成本并且绿色环保的新型焊接技术。通过对汽车白车身前纵梁结构进行搅拌摩擦焊，得出结论如下：

1)搅拌摩擦焊焊缝表面成形美观无缺陷，接头内部熔合致密，无孔洞缺陷；MIG焊接后表面存在余高，美观性不足。

2)搅拌摩擦焊后焊件整体变形量较小，而MIG即使采用分段焊接，其变形量也大于搅拌摩擦焊的变形量。

3)搅拌摩擦焊焊缝内部熔合良好、无孔洞等优点，而MIG焊缝根部却存在着未熔合缺陷，会影响接头的性能。

4)搅拌摩擦焊焊接接头抗拉强度可达到母材的76%，有效连接长度为整个对接面。