铝合金焊接技术

汽车与铝合金及其焊接技术的研究

江苏理工学院

摘要：铝及其合金在汽车工业的应用中具有轻量化、节能减排、改善环境、提高汽车乎稳性和安全性等特点。铝及其合金熔化焊存在焊缝易产生气孔，焊接接头易软化等缺陷。讨论了激光焊、激光一电弧复合焊、双光束激光焊、搅拌摩擦焊在汽车用铝及其合金焊接的应用和特点。

关键词：铝合金；汽车；激光焊；复合焊；搅拌摩擦焊

1 前言

减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率!这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施，实现汽车轻量化的方法主要有修改结构设计、缩小汽车规格和采用新型材料。其中采用轻型的结构材料是最有潜力的一种方法。其中采用铝合金材料代替钢材在汽车上的应用是重要措施之一。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37％，悬挂装置的负荷降低18％，振动强度降低5％，大约60％的汽车用铝合金都是利用回收材料制成，并且汽车上的铝合金90％都可以回收再利用。美国资深汽车工程师曾预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。目前国内外汽车制造业已经开始大量使用铝金如图1所示。

图1铝合金在汽车上的使用量

由于铝合金具有强氧化性、导热率大、导电性能好、线膨胀系数大等特点，

使得铝合金在焊接过程中容易产生气孔、裂纹、咬边、夹渣和合金元素烧损等缺陷，同时焊后接头容易软化，耐腐蚀性下降等。针对这些特点，近年来，国内外学者提出了几种铝合金焊接新技术，这些技术较好地解决了MIG焊、TIG焊以及电阻点焊焊接铝合金所带来的热变形大、焊接效率低等缺点，因此在汽车制造业中得到了广泛应用。本研究主要介绍了用于铝合金焊接的激光焊，激光一电弧复合焊，双光束激光焊，摩擦搅拌焊的原理、特点以及在汽车制造中的应用。

2铝合金在汽车中的应用

铝合金材料大量用于汽车工业，其用量增加后带来的效益主要体现在以下几方面。

2．1轻量化

减轻汽车自重的方法：一是改进汽车的结构设计；二是选用轻质材料(如铝合金、镁合金、塑料等)制造。迄今为止，前者已无太大的挖掘潜力。因此汽车行业普遍注重开发新的高强度钢或铝、镁等轻合金材料。在轻质材料中，由于聚合物类的塑料制品在回收中有环境污染问题，镁合金的价格和安全性也限制了其广泛应用。而铝合金因其资源丰富，随着电力工业的发展和铝冶炼工艺的改进，铝产量迅速增加，成本相应下降，且能最大限度地回收利用材料。目前国外的回收率约为80％，有60％的汽车用铝合金材料来自回收的废料。理论上铝制汽车可比同类钢制汽车减轻40％的质量，因此铝合金材料是汽车轻量化最理想的材料之一。

2．2节能显著

减少燃油消耗的途径一般是提高发动机效率，减少行驶阻力，改善传动机构效率和减轻汽车质量等，其中最有效的措施是减轻汽车质量，轻质铝合金的使用

正好可以满足这一点。

2．3减少大气污染、改善环境

汽车轻量化的同时也减少了CO：排放量。汽车自重减少50％，CO：排放量减少13％。同时，氮化物、硫化物等的排放量也会相应减少，可大大减少环境污染。

2．4提高汽车行驶的平稳性、乘客的舒适性和安全性

汽车轻量化可提高汽车的行驶性能，美国铝业协会提出，如果汽车质量减轻25％，可使汽车加速到96．5 km／h的时间从原来的10 s减少到8 8；使用铝合金车轮时振动减小，可使用更轻的反弹缓冲器；由于使用铝合金材料是在不减小汽车容积的情况下减轻汽车自重，因而使汽车行驶更为平稳，乘客空间变大，在受到冲击时铝合金结构能吸收和分散更多的能量，安全和舒适性更好。

3. 铝合金的焊接技术

目前，适合汽车用的铝合金主要有Al-Mg（5000）,Al-Mg-Si（6000）及Al-Mg-Zn（7000）三大系列,这三类合金各有特点,用在汽车的不同部位。一般,汽车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金,而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。优于铝合金较活泼,导热导电性好,线膨胀系数大，焊接时常会有气孔,裂纹,咬边,焊缝成形差等缺陷出现并且焊后接头力学性能下降。为了实现汽车生产中，要求高的生产率和高的焊接质量相容性的要求，提高铝合金的焊接技术，开发和应用新的焊接方法，对铝合金在汽车中的广泛应用具有重要的意义，这也是真正实现汽车轻量化的技术关键之一。

目前，生产中常用MIG焊,TIG焊方法来焊接铝合金材料。虽然使用这两种方法能够得到良好的焊接接头，但是，这两种方法却有熔透能力差,焊接变形大,

生产效率低等缺点。近年来，很多科技工作者开始探讨焊接铝合金的新方法，如激光焊,双光束激光焊,激光-电弧复合焊及摩擦搅拌焊等，下面主要介绍这四种焊接方法的主要特点。

3.1 铝合金的激光焊

随着大功率,高性能激光加工设备的不断开发，铝合金激光焊接技术发展很快，是未来焊接铝合金的主要发展方向之一。目前，铝合金激光焊接已经被使用在车体部件的连接上，在Audi A2(全铝结构)上，就有30cm激光焊缝。

3.1.1 激光焊接铝合金的优点

与传统的TIG,MIG焊相比，用激光来焊接铝合金具有以下优点:

（1）能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响区窄而熔深大的焊缝。

（2）冷却速度快，能得到组织微细的焊缝，故焊接接头性能良好。 （3）焊接速度快,功能多,适应性强,可靠性高，且不需要真空装置，所以在焊接精度,效率,自动化等方面具有无可比拟的优势。

3.1.2激光焊接铝合金的难点

虽然用激光焊接铝合金具有很多优点，但是由于这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题。

（1）铝合金对激光能的吸收很低。焊接时，首先遇到的也是最难解决的问题，就是铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率(对CO2激光超过90%，对YA1)激光接近80%)，这也是影响焊缝熔深的主要因素。因此，要有效地对铝合金进行激光焊接，就必须增大激光功率密度或者采用其他措施来提高铝合金对激光能的吸收率。

1)提高激光功率密度以产生钥孔效应。在激光焊接铝合金时，钥孔的出现会

大大地提高材料对激光的吸收率。在不同铝合金的激光焊接中，发现都存在一个激光功率密度阀值，即诱导出钥孔所需的最低功率密度，CO2激光焊的功率密度阀值约为10^6W/cm^2，而Nd-YAG激光焊的功率密度阀值则要低一些。Huntington和Eager发现激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会明显增大，这是由于钥孔的形成而不是铝合金开始熔化。

2)采用适合的表面预处理措施。为了提高铝合金对激光的吸收，可以以改变材料表面状态来降低反射，改善吸收。国外学者在这方面作了大量工作。Huntington和Eager采用测热法，研究了CO2激光焊接纯铝和5456铝合金时，对激光的吸收情况(如表所示)，发现阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的吸收。另外，由表可以得知，在同一表面状态下5456铝合金的激光吸收率(20%~25%)要比纯铝大。其他学者的研究也证实，砂纸打磨,表面化学侵蚀,表面镀,空气炉中氧化等铝合金表面处理措施，对改善激光能的吸收是有效的。

3）选择合适的接头形式。Huntington和Eager还研究了接头坡口形状对激光吸收的影响，发现在同等激光功率下，Y …… 此处隐藏：1986字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……