论文部分内容阅读
摘要：轻量化材料在汽车、航空、航天、高速列车等领域有广泛的应用，采用轻质化和更高性能替代材料及新成型工艺已成为工业产品发展的主流。汽车的重量每减轻10%，油耗可降低6%～8%，排放随之降低4%。常见的轻量化材料有高强度钢材、铝合金、镁合金、碳纤维材料、工程塑料等，轻量化金属及金属合金材料仍占主导地位，轻量化材料应用已经成为制造业关注的焦点。轻量化材料焊接加工是轻量化材料结构件加工的最主要加工工艺之一，如汽车车身、飞机的壁板、高铁的夹层板等。区别于传统的钢材连接焊接，轻量化材料焊接加工的质量直接影响到相关产品的质量、性能和制造周期，對焊接工艺的质量控制要求更高。基于此，本文对汽车轻量化先进焊接技术进行分析。
关键词：汽车轻量化；先进焊接技术
1传统汽车焊接工艺及其发展现状
1.1常用的焊接工艺
传统汽车加工作业中，可以利用加热加压的手段将两块及多块金属连接起来的工艺方式就是焊接工艺，一般而言焊接方法可以分为三大类，分别是熔焊、压焊以及钎焊，而最为常用的电焊方式是焊条电弧焊、二氧化碳气体保护焊、电阻电焊以及激光焊接。比如电阻电焊就是利用电流流通时所产生的电阻热去加热焊件，致使焊件存在部分融化的状态，再利用一定的压力将焊件连接起来，所以电焊的整体过程可以分为四大阶段，分别是预压阶段、焊接阶段、锻压阶段以及停止阶段。因为其自身的便利化、用时短等优势，而被广泛使用在汽车零部件修理以及汽车生产制造当中。
1.2常见焊接工艺应用问题
传统的焊接工艺在实际应用上也会存在着相应的问题，比如焊件的不完整，出现裂纹、形状缺陷、咬边、烧穿、气孔等，都是常见的焊接问题，一旦出现此类现象，就会导致汽车整体产生破损，并且焊件自身也会相对脆弱，不能够正常应用。其中常见的焊接缺陷之中危害最大的就是焊接裂纹现象与未熔合现象，所以需要及时利用探伤手段（超声波探伤、渗透探伤、磁性探伤）去加强对于焊接问题的监督与检查，从而避免因为不恰当施用的焊接工艺而导致汽车出现问题与不安全因素。
2轻量化材料及其焊接特性
高强度钢是目前使用最广、最成熟的轻量化材料。采用高强度钢材料，原1.0～1.2mm厚的车身钢板可减薄至0.7mm。但是超高强度钢对热输入较敏感，采用传统熔化焊时容易产生较大变形；另外，高强度钢具有较高的碳当量，其伸长率通常随着强度的增加而降低。进行电阻点焊时，通水强冷的电极导致焊点急冷，焊点处裂纹倾向较大。如何避免焊接变形、降低冷裂倾向成为高强度钢的焊接新课题。
铝合金具有储量高、密度低、耐腐蚀性好等优点，已经成为仅次于钢材使用量的轻质材料。由于铝合金具有强氧化性、导热系数大、导电性好以及线膨胀系数大的特点，导致在焊接时热变形大，尺寸精度不易控制，容易产生气孔、合金元素烧损等缺陷；另外，限于开发高性能铝合金的工艺不够成熟，生产成本高，一些中高端车型通常采用钢/铝复合车身。在进行铝合金和钢的异种材料连接时，两者的物理化学性质差别较大，导致焊接难度大，严重制约了铝合金的推广应用。
镁合金是常用金属结构材料中最轻的一种，比强度、比刚度高于铝合金和钢，具有优良的吸震、降噪能力和散热性，在汽车轻量化技术中具有广阔的应用前景。由于镁合金的熔点低、凝固结晶温度区间大、线膨胀系数较大，使其在焊接高温下容易熔池塌陷、变形且接头处产生液化裂纹几率较大，很难形成可靠接头。镁合金较差的焊接性严重制约了镁合金在汽车上的应用，开发焊接性、力学性能较好的镁合金将成为研究重点。
为了充分利用各材料的优异性能，将多种轻量化材料拼焊成钢/铝、铝/镁、钢/镁等多材料一体化复合构件成为一种趋势。但是异种金属间熔点、膨胀系数、导热系数、活泼性等物化性质的差别导致接头产生较大变形及残余应力，加大焊接裂纹倾向；另外，由于异种合金晶格参数、组织结构不同，在焊接时容易产生脆硬的金属间化合物（intermetalliccompound，简称IMC），导致焊接接头塑性、韧性降低。
3轻量化先进焊接技术
3.1激光焊、激光-电弧复合焊
激光焊是一种利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，被广泛地应用在汽车变速箱的齿轮等零部件、板材拼接、车身框架的生产制造中。与传统焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小的优点。对比Q345钢板激光焊与气体保护焊的焊接变形及残余应力，并利用Abaqus软件计算了两种焊接方法的焊接温度场、焊接变形及残余应力，试验与计算结果表明，由于激光焊单位长度的热输入比气体保护焊小，且上下表面温差较小，采用激光焊时的焊接变形和残余应力均小于气体保护焊。
3.2冷金属过渡焊接技术
冷金属过渡焊接（CMT）技术是在短路过渡的基础上设计的，但是CMT焊接熔滴接触到熔池发生短路时，焊接电流瞬间降至几乎为零，可以降低15%～30%的焊接热输入量。另外，CMT焊通过对焊丝以高达100Hz送丝-回抽的机械转换使熔滴脱落进入熔池，而此时的焊接电流几乎为零，因此该熔滴过渡过程相对MIG、MAG焊几乎无飞溅。
3.3搅拌摩擦焊及搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦焊（Frictionstirwelding，FSW）是一种新型固相焊技术，通过高速旋转的搅拌头和工件摩擦产生热量作为热源，使母材处于热塑性状态。与传统焊接相比，FSW不需要消耗焊丝、焊剂、保护气等材料，无飞溅、无烟尘、能有效避免气孔及显微裂纹，且由于热输入较低，不受异种材料物理化学性质及晶体结构的影响，可有效控制IMC的形成，在焊接铝、镁合金及钢-铝异种金属时具有较大优势，被誉为继激光焊后又一革命性的焊接技术。搅拌摩擦点焊（Frictionstirspotwelding，FSSW）是在FSW基础上发展出来的一种新型固相焊接技术，焊接工艺过程简单，主要包括三个阶段，即搅拌头压入工件、连接和搅拌头回撤，目前该方法主要应用于铝合金，特别是高强度铝合金的焊接。
4汽车轻量化先进焊接技术展望
目前，汽车轻量化最经济有效的途径就是采用镁、铝合金等轻质材料和高强钢复合使用。深入开展轻量化材料研究工作，开发焊接性较好的镁、铝合金对多材料一体化轻量车身的发展起着关键作用。
就以激光焊技术而言，较传统熔化焊具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小等优点，但在焊接过程中有产生气孔的倾向；激光电弧复合焊相对于激光焊的间隙适应性、焊接效率得到提高，铝合金焊接适应性较好。因此，应对异种金属的激光电弧复合焊展开深入研究。
CMT焊接技术因能控制焊接热输入，避免焊接飞溅，在汽车轻量化薄板焊接中有较大应用前景；搅拌摩擦焊在汽车生产制造中得到了广泛应用，但是焊接结束时的退出孔限制了其在车身外表面的应用，可消除退出孔的搅拌摩擦焊方法将成为研究热点。
结语：
我们需要在明确详细的汽车焊接工艺技术应用现状的基础之上，加强对于现代汽车轻量化先进焊接技术的详细分析，突破传统焊接工艺的应用现状，从而提升焊接工艺的精准度与稳定性。从焊接工艺进行着手，提高焊接工艺的生产效率，降低焊接工艺的生产制造成本，以此满足汽车制造的应用需求。
参考文献：
[1]刘瑞娟.汽车焊接夹具的设计研究分析[J].科技创新与应用，2016（35）：121.
[2]刘毅.汽车柔性焊接工装的结构优化设计[D].南京航空航天大学，2016.
关键词：汽车轻量化；先进焊接技术
1传统汽车焊接工艺及其发展现状
1.1常用的焊接工艺
传统汽车加工作业中，可以利用加热加压的手段将两块及多块金属连接起来的工艺方式就是焊接工艺，一般而言焊接方法可以分为三大类，分别是熔焊、压焊以及钎焊，而最为常用的电焊方式是焊条电弧焊、二氧化碳气体保护焊、电阻电焊以及激光焊接。比如电阻电焊就是利用电流流通时所产生的电阻热去加热焊件，致使焊件存在部分融化的状态，再利用一定的压力将焊件连接起来，所以电焊的整体过程可以分为四大阶段，分别是预压阶段、焊接阶段、锻压阶段以及停止阶段。因为其自身的便利化、用时短等优势，而被广泛使用在汽车零部件修理以及汽车生产制造当中。
1.2常见焊接工艺应用问题
传统的焊接工艺在实际应用上也会存在着相应的问题，比如焊件的不完整，出现裂纹、形状缺陷、咬边、烧穿、气孔等，都是常见的焊接问题，一旦出现此类现象，就会导致汽车整体产生破损，并且焊件自身也会相对脆弱，不能够正常应用。其中常见的焊接缺陷之中危害最大的就是焊接裂纹现象与未熔合现象，所以需要及时利用探伤手段（超声波探伤、渗透探伤、磁性探伤）去加强对于焊接问题的监督与检查，从而避免因为不恰当施用的焊接工艺而导致汽车出现问题与不安全因素。
2轻量化材料及其焊接特性
高强度钢是目前使用最广、最成熟的轻量化材料。采用高强度钢材料，原1.0～1.2mm厚的车身钢板可减薄至0.7mm。但是超高强度钢对热输入较敏感，采用传统熔化焊时容易产生较大变形；另外，高强度钢具有较高的碳当量，其伸长率通常随着强度的增加而降低。进行电阻点焊时，通水强冷的电极导致焊点急冷，焊点处裂纹倾向较大。如何避免焊接变形、降低冷裂倾向成为高强度钢的焊接新课题。
铝合金具有储量高、密度低、耐腐蚀性好等优点，已经成为仅次于钢材使用量的轻质材料。由于铝合金具有强氧化性、导热系数大、导电性好以及线膨胀系数大的特点，导致在焊接时热变形大，尺寸精度不易控制，容易产生气孔、合金元素烧损等缺陷；另外，限于开发高性能铝合金的工艺不够成熟，生产成本高，一些中高端车型通常采用钢/铝复合车身。在进行铝合金和钢的异种材料连接时，两者的物理化学性质差别较大，导致焊接难度大，严重制约了铝合金的推广应用。
镁合金是常用金属结构材料中最轻的一种，比强度、比刚度高于铝合金和钢，具有优良的吸震、降噪能力和散热性，在汽车轻量化技术中具有广阔的应用前景。由于镁合金的熔点低、凝固结晶温度区间大、线膨胀系数较大，使其在焊接高温下容易熔池塌陷、变形且接头处产生液化裂纹几率较大，很难形成可靠接头。镁合金较差的焊接性严重制约了镁合金在汽车上的应用，开发焊接性、力学性能较好的镁合金将成为研究重点。
为了充分利用各材料的优异性能，将多种轻量化材料拼焊成钢/铝、铝/镁、钢/镁等多材料一体化复合构件成为一种趋势。但是异种金属间熔点、膨胀系数、导热系数、活泼性等物化性质的差别导致接头产生较大变形及残余应力，加大焊接裂纹倾向；另外，由于异种合金晶格参数、组织结构不同，在焊接时容易产生脆硬的金属间化合物（intermetalliccompound，简称IMC），导致焊接接头塑性、韧性降低。
3轻量化先进焊接技术
3.1激光焊、激光-电弧复合焊
激光焊是一种利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，被广泛地应用在汽车变速箱的齿轮等零部件、板材拼接、车身框架的生产制造中。与传统焊接方法相比，激光焊具有效率高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小的优点。对比Q345钢板激光焊与气体保护焊的焊接变形及残余应力，并利用Abaqus软件计算了两种焊接方法的焊接温度场、焊接变形及残余应力，试验与计算结果表明，由于激光焊单位长度的热输入比气体保护焊小，且上下表面温差较小，采用激光焊时的焊接变形和残余应力均小于气体保护焊。
3.2冷金属过渡焊接技术
冷金属过渡焊接（CMT）技术是在短路过渡的基础上设计的，但是CMT焊接熔滴接触到熔池发生短路时，焊接电流瞬间降至几乎为零，可以降低15%～30%的焊接热输入量。另外，CMT焊通过对焊丝以高达100Hz送丝-回抽的机械转换使熔滴脱落进入熔池，而此时的焊接电流几乎为零，因此该熔滴过渡过程相对MIG、MAG焊几乎无飞溅。
3.3搅拌摩擦焊及搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦焊（Frictionstirwelding，FSW）是一种新型固相焊技术，通过高速旋转的搅拌头和工件摩擦产生热量作为热源，使母材处于热塑性状态。与传统焊接相比，FSW不需要消耗焊丝、焊剂、保护气等材料，无飞溅、无烟尘、能有效避免气孔及显微裂纹，且由于热输入较低，不受异种材料物理化学性质及晶体结构的影响，可有效控制IMC的形成，在焊接铝、镁合金及钢-铝异种金属时具有较大优势，被誉为继激光焊后又一革命性的焊接技术。搅拌摩擦点焊（Frictionstirspotwelding，FSSW）是在FSW基础上发展出来的一种新型固相焊接技术，焊接工艺过程简单，主要包括三个阶段，即搅拌头压入工件、连接和搅拌头回撤，目前该方法主要应用于铝合金，特别是高强度铝合金的焊接。
4汽车轻量化先进焊接技术展望
目前，汽车轻量化最经济有效的途径就是采用镁、铝合金等轻质材料和高强钢复合使用。深入开展轻量化材料研究工作，开发焊接性较好的镁、铝合金对多材料一体化轻量车身的发展起着关键作用。
就以激光焊技术而言，较传统熔化焊具有焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小等优点，但在焊接过程中有产生气孔的倾向；激光电弧复合焊相对于激光焊的间隙适应性、焊接效率得到提高，铝合金焊接适应性较好。因此，应对异种金属的激光电弧复合焊展开深入研究。
CMT焊接技术因能控制焊接热输入，避免焊接飞溅，在汽车轻量化薄板焊接中有较大应用前景；搅拌摩擦焊在汽车生产制造中得到了广泛应用，但是焊接结束时的退出孔限制了其在车身外表面的应用，可消除退出孔的搅拌摩擦焊方法将成为研究热点。
结语：
我们需要在明确详细的汽车焊接工艺技术应用现状的基础之上，加强对于现代汽车轻量化先进焊接技术的详细分析，突破传统焊接工艺的应用现状，从而提升焊接工艺的精准度与稳定性。从焊接工艺进行着手，提高焊接工艺的生产效率，降低焊接工艺的生产制造成本，以此满足汽车制造的应用需求。
参考文献：
[1]刘瑞娟.汽车焊接夹具的设计研究分析[J].科技创新与应用，2016（35）：121.
[2]刘毅.汽车柔性焊接工装的结构优化设计[D].南京航空航天大学，2016.