铝合金客车车身中的焊接加工技术

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近年来,随着汽车工业的迅速发展,能源问题、环境保护问题变得愈发突出。于是减轻汽车自重、降低油耗和废气排放量成为各大汽车生产厂商提高竞争能力的关键，而减轻汽车质量的重要途径就是使汽车材料轻量化。

客车车身焊接加工技术的发展趋势

汽车行业多年来一直在促进汽车的轻量化，而车身作为汽车三大部件之一，已越来越受到重视。减轻车身质量主要有两方面措施：一是改进车身结构，努力采用轻型结构；二是大量应用轻质材料。铝合金的体积质量是钢材体积质量的1/3，采用铝合金材料制造汽车车身，在保证其具有与钢材同样强度和刚度的前提下，可以减轻车身质量60%左右，从而达到减少燃料消耗、降低环境污染的目的。其次，铝合金材料可反复回收利用，回收重熔铝合金所需能量仅是生产新铝合金所需能量的5%。再生铝合金材料可以保持原有材料的性能，所以铝合金材料的回收使用得到人们的普遍重视。相对于一般钢材，铝合金材料具有较高的比强度，虽然弹性模量低，但有很好的挤压性，能得到复杂截面的构件，从结构上补偿部件的刚度，因而可在满足刚性及强度等多方面力学性能下，大大降低材料的消耗及构件的质量，从而降低产品的成本，提高经济效益。国外汽车制造业中铝合金的使用已超过总体材料的10%，Audi8、Audi2等全铝汽车已商业化并进人我国市场。

铝合金材料因表面有一层致密的氯化物保护膜，其表面无需进行镀层处理即可获得满意的抗腐蚀性。电镀、热镀锌的镀层处理，不仅工艺复杂、成本高，还严重污染环境。因此，采用铝合金材料是21世纪汽车制造业发展的趋势，但在焊接铝合金的过程中，必须充分掌握铝合金的焊接工艺，才能获得优质的焊接接头。铝合金车身空间框架结构由挤压杆件、冲压板件和精密压铸件通过焊接而成，采用此结构车身质量可减轻47%，车身整体由于设计和构件截面的改进使抗扭、抗弯能力也显著增加。大众汽车公司和美国内卡苏尔姆铝业公司于1999年联合开发制造的Au2型全铝轿车，都采用了铝合金空间框架结构。该结构除了具有质量轻，适于多品种小批量生产、换型容易、减少零部件数量和工时、缩短生产周期、降低总成本的优点外，还能够非常有效的吸收冲击能，提高防撞性，对乘坐人员提供最佳的安全保护。美国福特公司也采用了空间框架技术，其他公司也在开发轿车铝合金车身框架。比如保时捷、凯迪拉克、劳斯莱斯、沃尔沃、梅赛德斯、奥迪及法拉利某些型号的汽车也已经使用铝车身覆板。铝合金框架结构加工技术主要有各种复杂截面杆件的内高压成形技术、连接件的精密压铸技术以及各种型材和连接件之间的激光焊接技术。

铝合金框架的加工技术

1. 内高压成形技术及应用

铝合金的冲压加工比钢板难度大，目前还没有大批量生产的汽车完全采用铝板。由于材料的回弹增加和裂缝的出现，使铝板在冲压时难度更大。如果使用专为铝板设计的模具，这种影响会减少，但成本很高。此外，采用铝板冲压的生产率比钢板冲压要低一些，因为铝板易损伤，而且模具由于废屑和被弄脏需要频繁清洗。从而导致劳动生产率降低，制造成本增加。为此，人们提出采用内高压成形技术来生产汽车铝合金框架结构。

内高压成形技术是近年才出现的一种成形新技术，并且是目前国际上的一个研究前沿。各种连接件根据其结构特点，既可以用内高压成形法一次成形，也可先用一般挤压方法制成型材，然后用内高压成形法矫形，通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形。

由于内高压成形性能优良，设计的自由度大，一个内高压成形件可以代替由几个零件焊接成形的工件，因此避免了焊接产生的扭曲和变形，具有较高的尺寸精度和力学性能。其主要优点为：减轻质量、节约材料。与冲压焊接的组合件相比，内高压成形件可减重20%~30%，并且仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具。统计分析，内高压成形件比冲压件平均降低成本15%~20%，模具费用降低20%~30%。

在汽车设计中应用较多的是封闭结构。其主要原因是封闭结构与开放结构型材相比具有更高的抗弯曲和抗扭转载荷的能力，以及更高的比强度。在减轻质量、紧固装配零件、提高尺寸精度、降低成本、提高成形性能和设计自由度等要求下，内高压液压成形汽车构件中的管型件和中空件备受关注。德国、美国及日本已开始将该技术应用于汽车、航空航天等制造领域，其成形压力已达500MPa，曾有报道称最高达1500MPa。内高压成形特别适合于成形性能差或高强度的材料成形，如铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢和高强度低合金钢，并且还能成形复合材料，这对于减轻零件质量是非常有帮助的。德国、美国于20世纪90年代初率先开始在工业生产中采用了内高压成形技术制造汽车轻体构件，我国则起步较晚，尽管目前已有1000多家生产铝型材的国有企业，拥有2000多台挤压机，但无论从挤压产品的质量还是从挤压生产的效率和标准化程度来看，都与世界先进水平存在较大差距。哈尔滨工业大学是国内唯一一家开展内高压成形的单位，但用内高压成形制造汽车、飞机等机器零件在国内还是空白。

2. 精密压铸技术

铝合金车身框架结构的连接件多用铸造成形，所用铸造方法以半固态压铸等一些先进的高精度压铸方法为主。半固态压铸技术目前有两种成形工艺：流变成形工艺和触变成形工艺。前者是将液态金属送入特殊设计的压射成形机筒中，由螺旋装置施加剪切使其冷却成半固态浆料，然后进行压铸。后者是将固态金属粒或碎屑送入螺旋压射成形机中，在加热和受剪切的条件下使金属颗粒变成浆料后压铸成形。目前，国内外工业应用的半固态金属铸造主要是指触变铸造，在车身框架结构中应用较多。触变铸造作为一种精密成形方法，成形后工件强度高，且能实现复杂形状的一次成形。利用它可以实现大批量生产各种无切削或极少切削的零件，减少零件数量。

半固态压铸成形工艺的关键是有效制取半固态合金浆料、精确控制固液组分的比例及半固态成形过程自动化控制的研究开发。目前，国外市场已有专用于半固态成形的铝合金原材料供应，而国内还是空白，因此开发该系列材料也是当务之急。

3.激光焊接技术

激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率、高速度的焊接方法，日益受到人们的关注。激光加工是一种功能多、适应性强、可靠性高的加工方法，具有热量集中、HAZ小、焊缝及切口成形美观、焊后残余变形和残余应力较小等优点，适合于热敏感材料的焊接和切割，并且加工过程中不产生x射线，符合环保要求，在汽车工业中具有很大的发展潜力。自1990年丰田汽车公司首次将此技术应用于汽车车身制造以来，该技术在日本和欧美等汽车制造业中得到了广泛的应用，通用、奔驰、大众等汽车公司纷纷开发和应用激光焊接技术，并取得了显著的经济效益。铝合金激光加工的难点在于铝合金对激光束极高的表面初始反射率，而且铝合金激光焊存在容易产生气孔、合金元素易烧损、裂纹的敏感性较大等问题。焊接铝镁合金时，易出现裂纹的临界镁含量是2%。日本在这方面的研究起步较早，研究的侧重点是铝合金激光焊接的熔化特性、气孔和裂纹的成因机理、焊接缺陷对力学性能的影响及激光焊接铝合金的等离子体现象等，而我国还处于落后地位。

车身骨架CO2气体保护焊

1. 车身骨采用CO2气体保护焊的特点

车身骨采用CO2气体保护焊(以下简称CO2保护焊)是一种先进的电弧焊工艺，现已在我国客车生产中得到了普遍应用。保护焊焊接异形钢管，在骨架构件中，异形钢管的连接形式主要为T形接头和对接接头，焊缝形式为角焊缝和I形焊缝。一般采用0.8mm焊丝进行焊接，以获得良好的焊接接头，达到客车所要求的焊缝强度。CO2保护焊具有很多优点，如：熔敷系数高，生产率高，易于操作，适合全位置焊等。但在进行CO2保护焊焊接时，由于各种因素的影响，也会产生各种缺陷。

2. 焊接结构的应力和变形因素

骨架在焊接过程中，由于焊件受到电弧不均的加热，致使受热区域的金属膨胀程度不一致，从而产生内应力，特别是焊缝加速冷却后其残余应力更大。变形形式有两类：一是整体变形，二是局部变形。局部变形大了，会降低结构的承载能力，影响骨架组合件的相互连接。整体变形在焊接变形中是一个严重问题，并且经常出现，不仅能引起焊接件几何尺寸的改变，达不到设计要求，甚至会因无法校正而报废。另外，角变形和扭曲变形也将对骨架的结构强度和几何尺寸产生很大的影响。

3. 焊接工艺参数对工件的影响

CO2保护焊的工艺参数包括焊丝直经、电弧电压、焊接电流、焊丝伸出长度、焊接速度、气体流量、电感量及电源极性等。这些参数的合理选用对焊接工艺性、焊缝质量均有不同程度的影响。其中，影响较大并且在实际生产中经常遇到却又不易掌握的参数是电弧电压与焊接电流。实践证明：焊接时，如果电弧发出柔和的“嘶嘶”声，说明焊接电流与电弧电压的匹配比较好，此时焊接工艺性及焊缝质量均能满足要求。反之，发出暴躁的电弧声响，则难以获得良好的焊接质量。一定焊接电流下的最佳电弧电压一般只有1~2 V之差，所以，焊接时必须进行认真仔细的调节。此外，焊丝伸出长度过长，会使飞溅增加，气体保护效果差，易产生气孔。焊接速度过快，不但会产生气孔，还会引起未焊透；而焊接速度太慢，将发生烧穿或使焊缝加厚高过大。气体流量太大或太小均会破坏气体保护作用，产生气孔。因此，既要重视电弧电压与焊接电流的最佳匹配，又要注意其他工艺参数的控制。

4. 装配间隙对焊接质量的影响

工件的装配间隙对于防止未焊透，降低焊缝加厚高都有一定的影响。装配间隙过小，特别是当接缝紧贴时，易产生未焊透，有些部位熔透深度不到板厚的1/3。车身骨架构件的板厚一般为1.5~3.0mm。在保证焊接质量的前提下，为了尽可能降低焊缝加厚高，选用0.3~0.5mm的装配间隙比较合适。目前骨架构件都采用异形管或冲压组合件，由于下料设备比较简陋，所以构件的下料长度尺寸难以达到上述要求的精度。CO2保护焊在焊接薄板时具有不易烧穿的特点，因此当骨架构件平焊缝的装配间隙大于1~1.5mm时，通过适当的运条技术可以防止烧穿和降低加厚高，但此时会影响生产率的提高。为了严格控制装配间隙，首先，要确定构件长度；其次，在单件(或组合件)下料工序上应严格把好长度尺寸关；最后，在装配时应使构件两端接缝处的装配间隙尽可能均匀，避免一边过大，另一边紧贴的现象。

5. 焊接产生气孔的原因分析

气孔是采用CO2保护焊比较容易出现的质量问题，产生气孔的原因也很多。虽然CO2保护焊具有一定的抗锈能力，但因我国南方地区空气湿度大，加之车身骨架构件从下料到投入装配之间的周期较长，如果构件不作适当的防锈处理，则表面会产生严重的锈蚀。实践证明，经过防锈处理后的构件进行CO2保护焊基本不产生气孔。CO2保护焊是通过气体来保护熔池的，因此，当保护气体的质量较差或者保护气罩受到干扰破坏时，都可能导致气孔的产生。

（1）气体不纯，水分含量高，或当气瓶压力降至1MPa以下时，若继续使用就很可能产生气孔。

（2）气体流量不足，外界空气容易侵入熔池而产生气孔。

（3）喷嘴内壁和气体分配环上的部分小孔被飞溅物堵塞，致使流出的气体不均而产生气孔。

（4）由于外界气流及风源的干扰，破坏了气体保护效果，导致空气侵入而产生气孔。

（5）焊接规范不当、操作不正确、焊丝伸出过长及收弧太快等也会导致气孔的产生。此外，焊丝上的油污未净、焊丝含锰及硅量偏低，造成熔池冶金反应不充分，以及脱氧不完善也会产生气孔。

6. 提高焊接质量的相应措施

（1）合理选择焊缝尺寸和形式。鉴于焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小，在保证结构承载能力的条件下尽量设计小的焊缝尺寸，在焊缝形式上一般应采用正面焊缝，避免侧面焊缝；

（2）合理选择装配焊接顺序，无论是单件组焊还是总体组焊；

（3）采用预变形和胎具提高焊件的抗变形能力；

（4）工艺上防止出现咬肉、未焊透、弧坑及外形不良等焊缝缺陷，以减少应力集中和可能引起的脆性断裂；

（5）电弧电压与焊接电流的最佳匹配是工艺参数中的重点，必须很好地调节；

（6）从设计到生产，必须注意装配间隙的合理性和可行性，努力做到精心设计和施工；

（7）产生气孔的影响因素较多，应该从材料、设备、工艺及环境等方面认真把关。

铝合金的电阻点焊

1. 铝合金的焊接特点

铝合金具有独特的物理、化学性能，使其在焊接过程中有以下特点：（

1）极强的氧化能力。铝合金与氧的亲和力很大,在空气中极易氧化,并在其表面生成致密的、厚度约为0.1mm氧化膜,其熔点极高(约2050℃)、密度大,属于难熔物质,焊接时会阻碍金属之间的良好结合,导致未焊透、焊缝夹渣、不熔合现象。由于氧化膜吸附大量水分，容易使焊缝产生气孔。

（2)较大的导热系数和比热容。铝及铝合金的导热系数、比热容都很大，约比钢大一倍多，所以，在焊接过程中大量的热能会被迅速地传导到基体金属的内部和释放到周围的空气中去，因此焊接时，必须采用能量集中、功率大的热源，有时需采用预热等工艺措施。经验表明：焊接铝合金时，要输入比焊接钢时大2~4倍的焊接热，才能达到与钢相同的焊接速度。

（3)线膨胀系数大。铝的线膨胀系数为23.5×10，约比钢大2倍，凝固时体积收缩率达6.5%~6.6%。因此，在此条件下焊接时易产生较大的焊接应力和变形，或在脆性温度区间内导致热裂纹。生产中，常采用调整焊丝成分的方法防止裂纹的产生。

（4)容易形成气孔。焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接中易产生的常见缺陷，氢是熔焊时产生气孔的主要原因。铝及铝合金的液体熔池很容易吸收气体，高温下溶入的大量气体，在焊后冷却凝固过程中来不及析出，就聚集在焊缝中形成气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分都是焊缝气体中氢的主要来源。

（5)高温下的强度和塑性低。铝合金焊接接头强度低于母材，即有软化现象。焊接接头力学性能较难保证，抗拉强度低，塑性不足，是铝合金应用的一大障碍。

（6)加热时无色泽变化。铝合金从固态变为液态时,无明显的颜色变化,给焊接操作带来困难。

2. 焊接方法的选择

铝合金的焊接方法很多，须根据铝合金的牌号、焊件的用途和工作环境、产品结构、生产条件以及焊接接头质量要求等因素加以选择。常用的焊接方法有：气焊、焊条电弧焊、脉冲氩弧焊、等离子弧焊和激光焊等。近年来，针对铝合金焊接的难点，一些新的焊接工艺得到发展，如搅拌摩擦焊、激光－电弧复合焊、电子束焊等。

目前汽车车身的焊装，包括车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装，一般都采用电阻点焊工艺。据统计：每辆汽车车身上，约有5000多个电阻点焊焊点。若车身选择铝合金材料，各汽车制造厂已有的点焊焊装生产线仍然可以发挥作用，即在汽车制造行业铝合金材料的车身焊接也主要采用电阻点焊。

（1)焊前表面准备。具有均匀高强度和良好外貌的焊缝，取决于工件之间均匀的表面电阻。在点焊或缝焊铝合金以前，焊接的表面准备是非常必要的，一般是清除油类、污物或标记，并减少和改善铝表面氧化膜的一致性。

（2)清洗。清洗是表面准备的第一步，可以使用工业溶液去除材料表面上的油类、污物或标记。铝合金表面进行除油处理时，可以利用稀释剂、汽油、石油醚、三氯乙烯和全氯乙烯等有机溶剂将其浸泡清洗，或用浸有这些溶剂的清洁布擦洗。

（3)氧化膜的清除。材料表面上的氧化膜不能用上述有机溶剂清除，必须用机械或化学的方法进行清除。

（4)机械清理。在工件尺寸较大、生产周期较长、化学清洗后仍有油污时，常采用机械清理。先用有机溶剂(丙酮或汽油)擦拭表面以清除油污，随后直接用直径约0.15mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，要刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或砂纸等打磨，因为沙粒留在金属表面，焊接时会产生夹渣等缺陷。另外，也可用刮刀清理焊件表面。工件经过清洗后，在存放过程中会重新产生氧化膜，尤其在潮湿环境下。因此，工件清洗后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4小时施焊。

（5)化学方法。用酸或碱溶解材料表面，可以与除油工序同时进行。最常用的方法是：在5%~l0%的氢氧化钠溶液(约70℃)中浸泡30~60s后用清水冲洗，然后在约l5%的硝酸水溶液(常温)中浸泡约2 min，用清水冲洗后，再用温水冲洗干净，最后进行干燥处理。最好在临焊前进行化学清理，即使集中清理，也应只清理当天能够焊完的预定数量。在这种情况下，材料的坡口表面临焊前最好也用钢丝刷进行清理。

3. 铝合金的电阻点焊工艺

铝合金的电阻点焊过程是：在一个焊接循环中，首先将工件装配好并施加电极压力；然后通以电流，由于电流流经工件时产生电阻热，两工件间界面上的材料受热发生熔化形成熔核；一段时间后，撤去电流，熔核凝固形成焊点实现连接，电极压力需继续保持一段时间以保证焊接质量；最后，撤去电极压力，焊接循环结束。由于电极发热，铝合金电阻点焊过程中，电极需冷却。

（1)铝及铝合金电阻点焊的焊接特点。点焊时必须在极短的时间内通人强大的电流；铝的表面容易氧化，焊件间的接触电阻增大，当通入大的焊接电流时，往往会导致飞溅的产生；断电后熔核开始冷却。由于导热性及线膨胀系数大，因此熔核的收缩速度相当快，会引起缩孔及裂纹等缺陷的形成。

（2)焊接设备。铝合金点焊时，应根据铝合金材料牌号及焊件厚度选用点焊机。实用的点焊机有单相交流式、电容器式、三相整流式和三相低频式等，除单相交流式焊机外，都是为了解决通过大电流时引起电源电压降低的问题而研究出来的。目前，汽车车身焊装线上的电阻点焊机主要有悬挂式点焊机、点焊机器人和多点焊机。

（3)焊接规范。通常，点焊铝合金时，可以选择大电流、短时间通电和施加高压的焊接规范。但为了进一步提高焊接质量，还可以采用附加调节波峰和波谷的电流波形。采用波峰电流的目的是尽量减小点焊接头强度的波动、防止飞溅和减少粘电极现象。波谷电流通常为衰减电流，硬铝系的可热处理强化合金采用这种缓冷的方法，是为了防止焊核中经常产生的缩孔和裂纹。在实际应用中，还经常采用比焊接压力大的预压力和顶锻压力的两级加压方法，以控制点焊接头强度的波动和防止焊核内部产生缺陷。

（4)焊后清理。焊后留在焊缝及邻近的残存熔剂和焊渣，需要及时清理干净，否则在空气、水分的作用下残存的熔剂和焊渣会破坏具有防腐作用的氧化铝薄膜，而激烈地腐蚀铝件。因此，焊后应随即清除工件上残存的熔剂和焊渣。要求高的焊缝接头采用的清渣方法和步骤是：在热水中用硬毛刷仔细洗刷焊接接头；在温度为60℃~80℃左右，浓度为2~3的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗约5~l0min，并用硬毛刷仔细洗刷；在热水中冲刷洗涤；在干燥箱中烘干或用热空气吹干，也可以自然干燥。一般的焊缝接头，可以采用热水冲刷或蒸气吹刷等较为简单的方法清理。

（5)检查和试验。为了保证点焊的质量，要制定并遵守正确的焊接程序和焊接规范，在生产过程中，还要有常规的检查程序。焊接参数要周期性地进行检查，用与工件相同材质和厚度的试样，像工件一样进行焊接来核实焊机的调整是否正确；通过目视来确定电极粘连、表面烧熔、裂纹、滑移和过大的压痕等缺陷，这是主要的检查方法。还可用塞尺来确定板材的分离情况；破坏性试验。通过放大小于10倍的宏观检查来确定焊点直径和焊透情况。

在汽车车身中采用铝合金空间框架结构，从目前来看，其制造成本较传统钢结构高，但其使用后的经济效益和社会效益良好。在减轻车身质量后，还可大幅度降低能耗、减少排放。

目前，我国在轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料、陶瓷等汽车新材料方面的焊接技术与发达国家相比还有一定差距。为了保证焊接质量，提高民族汽车工业的竞争力，研究铝合金车身等材料的加工技术及焊接工艺是非常迫切的工作。

 

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