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鋁點(diǎn)焊在汽車上的運(yùn)用

2018-10-11 10:05:00
陸啟蒙
原創(chuàng)
8725

1.引言


1 汽車輕量化及鋁車身發(fā)展趨勢(shì)


隨著汽車保有量的持續(xù)增加,環(huán)保和節(jié)能減排問(wèn)題尤為凸顯,汽車輕量化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。汽車輕量化是指在保持汽車原有的性能不受影響的前提下實(shí)現(xiàn)汽車重量的減輕。既要有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量,又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、操控性及舒適性,同時(shí)還需保證成本不會(huì)增加或少量增加。

目前,汽車輕量化主要可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料的替代應(yīng)用、制造成形工藝的升級(jí)以及先進(jìn)連接技術(shù)的應(yīng)用等四大途徑來(lái)實(shí)現(xiàn),見(jiàn)圖1-1。


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圖1-1 汽車輕量化途徑



在汽車的整備質(zhì)量中,車身的重量占了四分之一以上?,F(xiàn)有汽車車身一般由金屬材料(主要為鋼板)經(jīng)過(guò)沖壓、焊接等方式生產(chǎn)而成。在上述輕量化途徑中,輕質(zhì)材料的替代使用是一種最直觀的方案,消費(fèi)者可以看得見(jiàn)摸得著。比如你將汽車的前機(jī)蓋從鐵制換成了鋁制或碳纖維,顧客在開(kāi)啟機(jī)蓋時(shí)就可以直觀體驗(yàn)到。車身輕質(zhì)材料的主要技術(shù)路徑包括超高強(qiáng)鋼(含熱成形)、鋁合金、復(fù)合材料玻纖碳纖等。寶馬等歐系車主要是采用碳纖維來(lái)替代,美系(如特斯拉、F150)應(yīng)用最大的則是全鋁車身。圖1-2為寶馬新7系上的碳纖維加強(qiáng)部件。


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圖1-2 寶馬新7系上的碳纖維

碳纖維復(fù)合材料密度小,強(qiáng)度高,是目前應(yīng)用的輕質(zhì)材料中減重效果最為顯著的,但其成本相對(duì)較高。所以,對(duì)于國(guó)內(nèi)車型來(lái)說(shuō),車身的鋁合金化是材料替代途徑中最適合的方案,沒(méi)有之一。目前,蔚來(lái)汽車、愛(ài)馳汽車等造車新勢(shì)力也都在嘗試做全鋁車身。圖1-3為蔚來(lái)汽車車身鋁合金部件展示。


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圖1-3 蔚來(lái)ES8車身


目前,鋁合金在國(guó)內(nèi)汽車車身上的應(yīng)用情況如下表1-1所示:


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  2 鋁車身連接技術(shù)


根據(jù)輕量化車身材料及位置的不同,相應(yīng)的連接技術(shù)也有所不同,目前比較常用的輕量化連接技術(shù)為激光焊接、自沖鉚、鋁點(diǎn)焊及粘接技術(shù)。各種連接技術(shù)的簡(jiǎn)單示意和中英文簡(jiǎn)稱如圖1-4所示。


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圖1-4 輕量化連接技術(shù)



目前,幾種可用于鋁車身的先進(jìn)連接技術(shù)的使用車企及區(qū)域如表1-2所示。

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2.鋁合金點(diǎn)焊


1 工藝簡(jiǎn)介


點(diǎn)焊是將重合的金屬夾入相對(duì)于的金屬電極(焊嘴)上,再加上適當(dāng)?shù)膲毫Φ耐瑫r(shí),流過(guò)非常大的電流,使之發(fā)熱熔化,從而接合在一起的焊接。鋁點(diǎn)焊與鋼點(diǎn)焊一樣,應(yīng)用的是焦耳原理。同樣,點(diǎn)焊的形成可以分為:預(yù)壓階段-通電加熱-鍛壓。圖2-1為鋁點(diǎn)焊的操作示意圖。

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圖2-1 鋁點(diǎn)焊工藝步驟示意


圖2-2和2-3分別展示了兩種不同方案的鋁點(diǎn)焊連接外觀。


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圖2-2 通用MRD電極鋁點(diǎn)焊外觀效果


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圖2-3 伏能士電極帶式鋁點(diǎn)焊外觀效果


2 工藝特點(diǎn)


鋼與鋁的物理特性相差較大,具體如表2-1。


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由于鋁合金所具有的獨(dú)特性能,使其在焊接過(guò)程中有以下幾大特點(diǎn):


極強(qiáng)的氧化能力(生成氣孔)
鋁合金與氧的親和力很大,在空氣中極易與氧化合在其表面,行程致密的、厚度約為0.1μm的氧化膜(Al2O3),其熔點(diǎn)極高(約2050℃)、密度大(3.95~4.10kg/m3),屬于難熔物質(zhì),焊接時(shí)會(huì)阻礙金屬之間的良好結(jié)合,導(dǎo)致未焊透“焊縫夾渣”不融合現(xiàn)象,且由于氧化膜吸附大量水分,容易使焊縫產(chǎn)生氣孔。


高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性(焊透性)
鋁合金具有較大的熱導(dǎo)系數(shù)和比熱容,比熱容比鋼大2倍,導(dǎo)熱性約大三倍。因此焊接時(shí)為保證良好融合,必須采用能量集中、功率大的熱源,有時(shí)需采用預(yù)熱等工藝措施。經(jīng)驗(yàn)表明:相同焊接速度下,焊接鋁合金的熱輸入量要比焊接鋼材大2~3倍。


線膨脹系數(shù)大(熱裂紋)
鋁的線膨脹系數(shù)比鋼大2倍,因此,在拘束條件下焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形或在脆性溫度區(qū)間內(nèi)導(dǎo)致熱裂紋,生產(chǎn)中常采用調(diào)整焊絲成分的方法防止裂紋的產(chǎn)生。


高溫下的強(qiáng)度和塑性低(強(qiáng)度低)
鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度低于母材,即有軟化現(xiàn)象。焊接接頭力學(xué)性能較難保證,抗拉強(qiáng)度低,塑性不足,是鋁合金應(yīng)用的一大障礙。


加熱時(shí)無(wú)色澤變化(燒穿)
鋁合金從固態(tài)變化為液態(tài)時(shí),無(wú)明顯的顏色變化,這給焊接操作者帶來(lái)不少的困難。



3 與鋼點(diǎn)焊的不同之處


焊接時(shí)間


通過(guò)以上分析可知,鋁點(diǎn)焊時(shí)需要高電流和短的焊接時(shí)間。同時(shí),由于鋁的熱導(dǎo)率高的問(wèn)題,就需要控制電流的上升時(shí)間在極短的時(shí)間內(nèi)。圖2-4為兩種點(diǎn)焊的焊接時(shí)間的對(duì)比。


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圖2-4 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的焊接時(shí)間對(duì)比


電極頭


鋁合金有高導(dǎo)熱系數(shù),傳熱快,鋁點(diǎn)焊時(shí)存在很大的軟化區(qū)域。鋁合金點(diǎn)焊時(shí)需要大直徑的焊接面電極帽,從而覆蓋鋁合金焊核及其軟化區(qū)域。電極頭的對(duì)比如圖2-5所示。


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圖2-5 鋼點(diǎn)焊與鋁點(diǎn)焊的電極頭對(duì)比.


鋁點(diǎn)焊時(shí),需要采用大端面的電極。一方面,球狀凸起表面可以加速壓入材料,縮短工序時(shí)間;鋁點(diǎn)焊必須壓緊塑性材料(被軟化區(qū)域),從而避免飛濺。端面半徑可為25mm、50mm、80mm、100mm等不同規(guī)格。


熱量產(chǎn)生位置


普通的鍍鋅鋼板在點(diǎn)焊時(shí)熱量主要集中在板材中部,普通的鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的熱量主要集中在上下兩個(gè)電極頭和兩層鈑金中間。而我們希望鋁點(diǎn)焊的熱量較多的集中在中部形成焊核的位置。如圖8所示。


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圖2-6 鋼與鋁-點(diǎn)焊熱量產(chǎn)出位置


冷卻水流量


與鋼點(diǎn)焊相比,鋁點(diǎn)焊的焊槍冷卻水流量需求至少需要增加2倍以上。圖2-7為某供應(yīng)商的鋁焊槍示意圖。


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圖2-7 鋁點(diǎn)焊焊槍組成


總結(jié)


在各種焊接方法中,鋁點(diǎn)焊具有靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但鋁點(diǎn)焊本身也具有 很大的焊接缺陷,包括焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、電極燒損嚴(yán)重使用壽命短等。其中,焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在飛濺較為嚴(yán)重、焊點(diǎn)表面質(zhì)量差、熔核尺寸波動(dòng)大和熔核內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷等。 




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