鋁合金車體焊接技術的革新

鋁合金車架目前已經在汽車中廣泛地應用。鋁合金材質相比以前造車常用的鋼鐵，性質上有著很大的差異。這就使得生產商在對鋁合金進行焊接的過程中遇到了不少的難點。因而工程師們針對鋁合金焊接上的難點，積極革新傳統的焊接技術，為鋁合金車架未來更廣泛地應用到汽車中鋪橋搭路。

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鋁合金在焊接中主要存在以下難點：

1.鋁合金與氧的親和力很強。在空氣中極易與氧結合生成致密而結實的氧化鋁薄膜，厚度約為0.1μm，熔點高達2050℃，遠遠超過鋁及鋁合金的熔點，而且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會阻礙金屬之間的良好結合，并易造成夾渣。氧化膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫形成氣孔。這些缺陷，都會降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質量，焊前必須嚴格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再次氧化，對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效地防護，這是鋁及鋁合金焊接的一個重要特點。具體的保護措施是：焊前使用機械打磨或化學方法D40清除工件坡口及周圍部分的氧化物;焊接過程中要采用合格的保護氣體進行保護(例如99.99%Ar)。

2.鋁合金的導熱率和比熱大。鋁及鋁合金的導熱系數、比熱容都很大，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導到集體金屬內部，為了獲得高質量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，8mm及以上厚板需采用預熱等工藝措施，才能夠實現熔焊過程。

3.鋁合金車體的線膨脹系數大。鋁及鋁合金的線膨脹系數約為鋼的2倍，凝固時體積收縮率達6.5%～6.6%，因此易產生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也是非常重要的，焊接薄板時尤其如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時，在焊縫金屬中形成結晶裂紋的傾向性和在熱影響區形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內應力而在脆性溫度區間內產生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強度鋁合金焊接時最常見的嚴重缺陷之一。在實際焊接現場中防止這類裂紋的措施主要是改進接頭設計，選擇合理的焊接工藝參數和焊接順序，采用適應母材特點的焊接填充材料等。

4.鋁合金部件焊接時容易形成氣孔。焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時極易產生的缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因，這已經為實踐所證明。氫的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對焊縫氣孔的產生，常常占有突出的地位。鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣孔，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態凝固時，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中氣體來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產生，以獲得良好的焊接接頭，對于氫氣的來源要加以嚴格控制，焊前必須嚴格限制所使用的焊接材料(包括焊絲、焊條、熔劑、保護氣體)的含水量，使用前要嚴格進行干燥處理，清理后的母材及焊絲最好在2～3小時內焊接完畢，最多不超過24小時。TIG焊時，選用大的焊接電流配合較高的焊接速度。MIG焊時，選用大的焊接電流慢的焊接速度，以提高熔池的存在時間。

5.鋁合金在高溫時的強度和塑性低鋁在370℃時強度僅為10MPa，焊接時會因為不能支撐住液體金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿。為了解決這個問題，焊接鋁及鋁合金時常常要采用墊板。

而近年來在歐美車廠開始廣泛應用的激光焊接技術，針對鋁合金這位“新成員”，也針對性地進行了一系列的改進。

隨著合金元素的添加，八組可鍛合金出現了，將鋁的整體應用擴展到了一個廣泛的制造業應用。但是，不管是合金還是整體應用，還是存在可焊性問題。幸運的是，大多數合金可以成功地進行熔焊，這取決于合金填充材料。使用激光器能夠解決困擾傳統技術如金屬惰性氣體電弧焊等的難題。和金屬惰性氣體電弧焊相比，激光加工的焊接速度更快，熱量輸入更少，熱影響區域更小，扭曲變形更少，在很多情況下可以自焊接。

但是，鋁和鋁合金仍具有一些棘手的屬性，如果不適當處理就會對焊接造成影響。合金蒸發和凝固溫度的廣泛范圍會導致鎖孔不穩定、多孔性、氣泡、喪失機械性能以及在焊接冶金中出現各種缺陷，例如熱裂紋。熔融鋁的高氫解度會導致大量焊縫氣孔和氣泡。低粘度和高度流動性的熔融鋁會造成焊道底的沉降和松垂。最后，鋁的高反射性加上高導熱性會引起光能量耦合到材料上。雖然上述這些聽起來讓人很沮喪，但其實激光焊接鋁的歷史和成功案例恰恰相反。這些棘手的特性以及相關的焊接問題都有明確和證實過的解決方案。下面讓我們簡要了解一下最常見的五個問題，機制以及控制措施。

熱裂紋或者焊接凝固裂紋是凝固壓力作用于微觀結構的結果，鋁的高熱擴散性和導熱性會加劇這些裂紋。通常利用合適的填充焊絲或鑲嵌填充箔材料來改變焊接性能和避免裂紋敏感峰值就能夠避免熱裂紋敏感性。例如，要獲得良好可焊性，添加硅和鎂的典型值分別為大于2-3%和大于3-4%。在2000系和6000系鋁合金中這些合金的典型范圍為0.4-1.6%，意味著在大多數情況下這些合金需要填料從而實現無裂紋焊接。

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過去鋁的高反射性對于激光焊接來說是一個問題。但是，隨著高功率、高光束質量的二氧化碳激光器的逐步發展，以及高功率、高亮度固體光纖激光器的出現，將能量耦合至鋁上不再成其為問題。這里有一個需要注意的錯誤觀念：現在很多人認為由于固體激光器(如碟片激光器和光纖激光器)的波長較短，被鋁吸收得更多，因此就是所有應用的最佳選擇。事實并非這樣，對于厚度約4或5mm的材料來說，波長最好是1μm。但是如果材料厚度是在6mm以上，二氧化碳激光器(10.6μm波長)更好。雖然確切的物理效果仍存在爭議，但是簡單的解釋是吸收率更高意味著材料的上層部分吸收了更多來自1μm 波長的能量。而使用二氧化碳激光器， 10.6μm的波長能夠反射到鎖孔，從而更深地穿透材料。

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激光焊接已應用于汽車業，用以連接如車架、車頂、車門、后備箱、駕駛桿、輪轂和燃油過濾器等多種鋁質零部件。一種值得注意的應用是使用激光端接(對接)焊技術焊接寶馬7系豪華轎車的鋁質車門。

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鋁成為寶馬設計師們選中的材料，不僅因為其質量輕，而且因為能為將來在更大排量汽車上應用激光焊接鋁材獲得重要經驗。盡管被選中的合金(鋁5083)是一種可以自動可焊接的材料，但是制造工程師選擇使用端接接頭設計和激光焊接，并使用填充焊絲來保持凸緣寬度接近絕對最小值。這讓工程師們能夠將橫截面最大化，從而使用最少的材料來增加斷面系數和慣性力矩。

激光焊接車門的斷面系數是電阻點焊車門的1.7倍，慣性力矩是2.3倍，在強度和硬度方面都有了很大的提升。每輛橋車的四扇鋁質車門含有長度超過15米的激光焊接縫，比鋼質車門要輕約30%。緊密而更連貫的激光焊接縫還有一個優點在于不需要粘合劑，從而進一步減輕了重量，降低了成本。

制造商們將鋁視作其生產應用的理想金屬，主要原因在于鋁的質量強度比和耐腐蝕性。大多數鋁合金是可以熔融焊接的(不管有無填料)，存在的一些常見的焊接問題也已通過在生產中獲得有效的方法得到克服。從二十世紀九十年代開始，多個行業已經在生產中利用激光焊接大量鋁和鋁合金零部件。寶馬7系豪華轎車就是一個很好的例子，而未來的愿景是，激光加工、強度、輕質以及成本等因素都匯合起來，創造一個優雅的解決方案。隨著燃油經濟性在汽車業的強制執行，汽車的輕量化趨向是無法避免的。鋁必定會成為輕量化的重要組成部分，而且由于自身具備的優勢和性能，激光焊接也會享有同樣的地位。