铝螺柱在一体式铸铝车身上的焊接性研究

曹久雷 李大勇 吴强 李少华 钱红丽 吴显波

摘要：随着汽车轻量化的需求，铝质材料越来越多的应用在车身上，特别是在一体式铸铝上焊接铝螺柱。由于铝合金材料特性决定了铝合金焊接性较差，包括：焊接变形大、易产生气孔、夹渣，接头质量不稳定，易烧穿及易产生裂纹等等。为解决以上问题，本文主要介绍了应对一体式铸铝车身带来的铝螺柱焊的工艺性研究，主要有焊接工艺特性、可焊性试验验证、接头质量影响因素及评价、焊接应用可行性分析及常见缺陷的优化策略等。

关键词：铸造车身；一体化车身；铝合金；螺柱焊；焊接参数

随着电动汽车的迅速发展，续驶里程的诉求带来了轻量化需求。从目前技术和成本应用来看，铝合金的性能、密度以及价格等多方面具备优势，是最具有性价比的轻量化材料。

目前白车身采用铝合金一体式压铸成为趋势。所谓的一体式压铸技术，指通过大吨位压铸机，将多个单独、分散的铝合金零部件高度集成，再一次成型压铸为一个大型铝铸件，替代传统的多个零部件，先冲压再焊接在一起的新铸造方式。相对应的连接螺柱也由钢螺柱替换成铝螺柱，铝螺柱的连接成为新的研究课题。

铝螺柱焊接电极特性

在正接模式下，板材表面被难分解氧化膜阻挡难以发出金属正离子，导致引弧困难，焊接过程中能量集中于板材，热量过高容易烧穿母材。但在反接模式下，螺柱发射大质量的金属正离子撞击板件表面氧化膜，有助于氧化膜破碎。并且焊接过程中能量集中于螺柱，有助于螺柱受热融化，板材接受的热量不致过高，变形小。因此铝螺柱焊大多采用反接模式，主要有直流反接和交流反接，如图1所示。

铝螺柱焊接试验准备

1.试验设备

试验室使用设备为鸿栢PIDS铝合金螺柱焊接系统（配置M5/M6/M8手动焊枪）。设备原理：直流脉冲波形，利用小电流长时间击穿铝材氧化膜，主要熔化母材形成熔池，实现铝螺柱与母材连接。图2所示为试验设备实物图及原理图。

2.试验材料

试验材料见表１，为M5/M6/M8铝合金螺柱/螺母（AlMg5）；3mm铸铝（AlSi10MnMg）。

3.保护气体设计

保护气选择高纯度氩气（＞99.99%）—Ar阴极雾化作用强，有利于铝合金表面氧化膜破碎清理，或者（75%Ar+25%He）混合气体—He能够增加电弧热功率，但阴极雾化作用较Ar弱，并且成本较高。气体的流量选择不是越大越好，流量过大会造成紊流，导致熔池保护不充分，空气与熔池金属发生反应，降低接头性能，而且产生焊接气孔的倾向增加。一般铝合金螺柱焊保护气流量为8～12L/min。焊接面是曲面（弯曲半径≥300mm）时，必须使用保护气罩，如图3所示，防止保护气溢出。

4.接地设计

螺柱焊系统接地设计：每台焊机接地数量至少2个，大件需4个以上，且相对螺柱位置对称分布。分线排至各接地极的线缆长度相等。每台焊机必须单独接地，不能共用接地极。接地极底座与夹具间须做绝缘处理，保证焊接电流直接通过接地线缆形成回路；多层板通过涂胶、SPR、Clinch等机械方式连接时，需要至少1个接地极直接与螺柱焊接侧板件接触。图4所示为是螺柱焊系统接地示意图。

5.检测工具

试验采用弯矩扳手进行弯矩检测，采用数显游标卡尺进行破坏扭矩检测，如图5所示。主要评价指标有：静态弯矩，即螺柱保持不弯曲的最大弯矩；变形弯矩，即螺柱发生弯曲但未被破坏的最大扭矩；破坏弯矩，即螺柱弯曲至接头断裂的最大扭矩；承载扭矩，即用扭矩扳手拧紧匹配螺母直至接头被破坏，记录螺柱接头承载的最大扭矩。

6.试验质量评价

接头质量评价分为外观质量、强度质量和剖面质量。外观质量缺陷主要有：表面气孔、焊环不对称、焊瘤、螺牙烧损、过融合/烧穿、未熔合、飞溅及咬边等；剖面质量缺陷主要有：螺柱与板材未熔合、穿透型气孔、密集气孔、夹渣、裂纹及咬边等[1] [2]。评价标准如表2所示。

表2为铝螺柱焊外观、强度及剖面质量评价表。

试验结果及分析

1.铝螺柱焊接接头质量关联关系试验数据

采用DOE全因子试验，仅采用M6凸焊螺柱+3mm铸铝（AlSi10MnMg）试片，主要焊接参数为：焊接电流/A（700、800、900），焊接时间/ms（20、30、40），提升高度/mm（1.0、1.5、2.0）。主要评价外观质量、静态弯矩、承载扭矩及接头融化量等，铝螺柱焊接接头质量关联关系如图6所示。

2.参数单独影响

接头融化量与焊接电流、焊接时间、提升高度均为正相关关系：焊接电流越大，焊接时间越长，提升高度越高，接头融化量越多。根据曲线斜率判断，影响因素由大到小排序为：焊接时间＞焊接电流＞提升高度，如图7所示。

3.多参数综合影响

在焊接电流相同情况下，焊接时间/提升高度的关系：焊接时间增加，提升高度对融化量的影响增大（曲线斜率随时间增加而增大）；不同提升高度下，焊接时间对融化量的影响增大（曲线斜率随时间增加而增大）；提升高度相同时，焊接时间增加，焊接电流对融化量的影响减小（曲线间距随时间增大而越小）；焊接时间相同时，不同提升高度下，焊接电流对融化量的影响无明显变化（曲线间距基本相同）。焊接电流相同下的参数关系曲线如图8所示。

在焊接时间相同，焊接电流/提升高度的关系：不同焊接电流下，提升高度对融化量的影响无明显变化（曲线斜率基本一致）；不同提升高度下，焊接电流对融化量的影响无明显变化（曲线斜率基本一致）；提升高度相同时，焊接电流增加，焊接时间对融化量的影响减小（曲线间距随时间增大而越小）；焊接电流相同时，提升高度增加，焊接时间对融化量的影响增大（曲线间距随时间增大而增大）。焊接时间相同下的参数关系曲线如图9所示。

在提升高度相同情况下，焊接时间/焊接电流的关系：焊接时间增加，焊接电流对融化量的影响减小（曲线斜率随时间的增加而减小）；焊接电流增加，焊接时间对融化量的影响减小（曲线斜率随时间的增加而减小） ；焊接电流相同时，焊接时间增加，提升高度对融化量的影响增大（曲线间距随时间增大而增大）；焊接时间相同时，不同焊接电流下，提升高度对融化量的影响无明显变化（曲线间距基本相同）。提升高度相同下的参数关系曲线如图10所示。

结语

一般情况下，考虑现场设备选型及布局，提升高度及保护罩设计相对固定（按照1.5mm设计），通过调整焊接电流和焊接时间来满足接头质量的要求。通过多组试验得出，对于厚度约3mm的铸铝材料（AlSi10MnMg），M5/M6/M8铝螺柱的焊接性良好，数据如下：M5螺柱接头静态弯矩约为2.5N·m，变形弯矩约为3.0N·m，破坏弯矩约为3.5N·m；最大承载扭矩约为4N·m左右；M6螺柱接头静态弯矩约为5.0N·m，变形弯矩约为5.5N·m，破坏弯矩约为6.0N·m；最大承载扭矩约为8N·m左右；M8接地螺柱接头最大承载扭矩约为14.0N·m左右。铝螺柱焊接质量测试情况如图11所示。

如图12所示，针对用量最多的M6铝螺柱，在3mm铝合金铸件（ AlSi10MnMg ），在提升高度为1.5mm的情况下，最优焊接区间为焊接电流800～900A，焊接时间30～46ms；可焊区间随着焊接电流和焊接时间的增大而逐渐收窄。

参考文献

[1] 武英海.螺柱焊工艺评定试验[J].金属加工 （热加工），2016（6）：30-31.

[2] 郭中付，宋亚东.螺柱焊在车身焊接工艺中的 应用[J].汽车实用技术，2014（5）：101