盧清爽 楊杰寅 秦志剛

（一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，天津301509）

0 引言

綠色低碳、可持續(xù)是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潮流和趨勢，中國在2020年提出了“雙碳”目標(biāo)，力爭于2030年前達(dá)到峰值，在2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。2021 年末全國汽車保有量已突破3億，目前我國千人汽車保有量相比發(fā)達(dá)國家還有很大差距，未來汽車保有量會(huì)持續(xù)增加。交通領(lǐng)域的碳排放“居于高位”，車身輕量化是降低碳排放行之有效的手段，汽車質(zhì)量減輕10%，油耗降低7%[1-2]。另外，消費(fèi)者對新能源汽車的續(xù)航能力有著越來越高的要求和期待，車身輕量化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。

婁元豪等[3]認(rèn)為車身輕量化應(yīng)從結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、工藝輕量化3個(gè)方面同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化，研發(fā)綜合性能更好的輕量化材料以及采用更加先進(jìn)的制造工藝是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。王國軍[4]對汽車用鋁合金板材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的概述，在設(shè)計(jì)有鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板中應(yīng)用了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和CAE分析技術(shù)。王小蘭[5]歸納了車身輕量化材料，主要包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料及工程塑料、非金屬復(fù)合材料、混合材料等，較新研發(fā)的有鋼鋁組合混合材料、鋼鋁及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。楊海[6]等對比研究了弧焊、自沖鉚接，熱熔自攻絲、無鉚連接4 種工藝連接6082-T6鋁合金，MIG焊接的對接接頭效率最高，達(dá)到64%，相同條件下無鉚連接的力學(xué)性能最低，吸能效果較差。鋁合金是最重要的車身輕量化材料之一，但目前針對鋁合金在汽車制造中應(yīng)用的綜合分析較少。本文從鋁合金材料的焊接性、連接技術(shù)等方面進(jìn)行研究歸納，為汽車行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用提供參考。

1 鋁合金材料

鋁合金的密度為2.7 g/cm3，約為鋼的三分之一，具有高比強(qiáng)度、抗沖擊性能和耐腐蝕性能，價(jià)格相比鎂合金、鈦合金低，是使用最廣泛的輕量化材料之一。鋁合金最早在20世紀(jì)50年代開始用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件的制造，隨后日本的馬自達(dá)汽車公司在RX-7 跑車車身制造中引入了鋁合金，減輕汽車質(zhì)量的同時(shí)提高了車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[7]。綜合考慮成本、性能及輕量化效果，多材料混合車身設(shè)計(jì)成為車身輕量化手段的主要發(fā)展方向，上汽通用CT5車型鋁材占比64%，蔚來ES8 車型鋁材占比96%，特斯拉汽車采用一體壓鑄鋁合金后地板，一汽-大眾部分車型前蓋、電池外殼箱體、后地板使用鋁合金材料。

在鋁合金中添加微量元素，可以提高其綜合力學(xué)性能。根據(jù)增加的元素不同，鋁合金分為一到九系。一系是純鋁，九系是備用組號(hào)。目前，在汽車制造中應(yīng)用的鋁合金有三系、五系、六系和七系，應(yīng)用相對較多的是五系和六系；三系強(qiáng)度較低，則主要用于輪罩等非承載部件；七系力學(xué)性能優(yōu)異，可以用于制作飛機(jī)的起落架，也被稱為航空鋁合金，成本較高（表1）。

表1 鋁合金分類[5]

2 鋁合金的焊接性

2.1 鋁/鋁的焊接性

在車身制造中，焊接是焊裝車間最常用的連接技術(shù)。不同材料的可焊接性不同，適用于不同的焊接方法。對于鋁/鋁焊接來說，主要有5個(gè)難點(diǎn)。

（1）鋁熔化之后粘度大、流動(dòng)性差，容易形成表面缺陷。

（2）鋁特性活潑，表面易形成致密的氧化鋁薄膜，氧化鋁熔點(diǎn)高達(dá)2 050 ℃，會(huì)阻礙鋁合金的熔化，導(dǎo)致未熔透、夾渣等缺陷[4]。

（3）鋁合金液態(tài)時(shí)能溶解大量氫，固態(tài)幾乎不溶解，焊接熔池凝固后極易形成氫氣孔。

（4）熱導(dǎo)率高，約為鋼的4倍，焊接時(shí)熱量損失大，應(yīng)盡量采用能量集中、功率大的熱源，比如激光焊、等離子束焊。

（5）焊縫和熱影響區(qū)容易軟化，焊接時(shí)合金元素易蒸發(fā)燒損，使焊縫性能下降。總體來說，鋁合金的焊接性比鋼要差，焊接難度更高。

2.2 鋁/鋼的焊接性

鋁/鋼焊接的難點(diǎn)不僅包含鋁焊接的難點(diǎn)，還包含鋁和鋼2種材料之間性能差異帶來的難點(diǎn)（表2）。

表2 鋁合金和碳鋼性能對比[8]

（1）鋁和鋼的熔點(diǎn)差異大，鋁合金的熔點(diǎn)約為600 ℃，鋼的熔點(diǎn)約為1 500 ℃，很難形成熔焊接頭。

（2）鋁的導(dǎo)電性優(yōu)于鋼，在最常用的電阻焊過程中，焊核會(huì)向鋼一側(cè)偏移，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度較低。

（3）對于鋼和鋼的焊接，電阻最大的地方是鋼材本身，熱量集中在鋼板上（圖1）。

圖1 不同材料電阻點(diǎn)焊過程中電阻熱分布示意[9]

（4）對于鋁和鋁的焊接，由于鋁導(dǎo)電性好，自身電阻小，而板材之間以及板材與電極帽之間的接觸電阻較大，因此界面連接處熱量較少，不利于形成焊核，而板材與電極帽之間容易發(fā)生粘連。

（5）對于鋁和鋼的焊接，電阻熱主要生成于鋼板內(nèi)部，導(dǎo)致熱量分布極度不平衡，容易出現(xiàn)熔核偏移、界面處縮孔等問題[10]。

（6）鋁和鋼的導(dǎo)熱性和線膨脹系數(shù)差異大，變形和焊接應(yīng)力大。

（7）鋁、鋼固溶度低、冶金相容性差，易生成脆而硬的Fe-Al 金屬間化合物（Inter Metallic Compounds，IMCs），不利于接頭的力學(xué)性能[11]。

（8）鋁/鋼之間的焊接性比鋁/鋁更差，目前鋁和鋼的焊接技術(shù)沒有在汽車主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

3 鋁合金連接技術(shù)

連接技術(shù)可以分為焊接、機(jī)械連接和粘接。焊接是通過加熱、加壓或兩者并用的方式使2種材料間實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合的連接方法。機(jī)械連接是通過連接件的機(jī)械咬合作用實(shí)現(xiàn)連接的方法，如鉚接、螺紋連接。粘接是借助膠粘劑在固體表面上所產(chǎn)生的粘合力，實(shí)現(xiàn)材料連接的方法。

3.1 焊接

3.1.1 電阻點(diǎn)焊

電阻點(diǎn)焊（Resistance Spot Welding，RSW）具有生產(chǎn)效率高、不需要焊絲和保護(hù)氣等輔助材料、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的焊接技術(shù)。電阻點(diǎn)焊的焊接原理是在電極壓力下，利用電阻熱熔化母材形成熔焊接頭。

由于鋁導(dǎo)熱快的特性以及高熔點(diǎn)氧化膜的影響，焊接時(shí)需要采用大電流、大電極壓力、短時(shí)間的硬規(guī)范，普通鋼板電阻點(diǎn)焊電流在6～10 kA，而鋁板焊接電流約為50 kA，因此鋁合金電阻點(diǎn)焊對焊機(jī)、變壓器的供電要求更高。

另外，鋁板與電極帽的接觸電阻產(chǎn)熱較多，容易出現(xiàn)粘帽現(xiàn)象，故每焊接20次左右需要銑削一次電極帽，而鋼板焊接可以做到每焊接100 次銑削一次電極帽。目前，粘帽現(xiàn)象的解決方案有以下3種。

（1）通用汽車發(fā)布環(huán)狀紋路電極帽專利（圖2）。特殊的環(huán)狀紋路在板材表面產(chǎn)生不同應(yīng)力區(qū)，進(jìn)而破碎氧化膜并得到相對可控的接觸電阻。根據(jù)Hu 等[7]的研究，環(huán)狀紋路電極帽能夠有效提升電阻點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能和焊接穩(wěn)定性，同時(shí)電極帽的使用壽命相比傳統(tǒng)電極帽更長。

圖2 通用汽車的環(huán)狀紋路電極帽[12]

（2）焊接過程中，用旋轉(zhuǎn)20 mm 大直徑電極帽的方法來降低粘帽問題頻次，目前在奔馳E級(jí)車生產(chǎn)中有應(yīng)用。

（3）Fronius 公司提出了Delta Spot 電極帶式電阻焊[13]，其工作原理是用電極帶來替代電極帽，每焊接一個(gè)焊點(diǎn)，電極帶就會(huì)移動(dòng)一次，進(jìn)而保證每次焊接都是新的清潔電極與工件接觸，但這種設(shè)備由于成本相對較高，在主機(jī)廠中應(yīng)用較少（圖3）。

圖3 Fronius電極帶式電阻焊[13]

針對鋁/鋼電阻點(diǎn)焊過程中，在鋁/鋼界面處生成脆硬IMCs 層導(dǎo)致接頭性能不良的問題，Chen 等[14]對鋁/鋼界面的物相進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂模式與IMCs層的厚度有直接關(guān)系，進(jìn)而決定焊接接頭的力學(xué)性能。研究表明當(dāng)IMCs 層的厚度低于3 μm 時(shí)，接頭斷裂模式為紐扣拉出失效，厚度大于3 μm時(shí)，表現(xiàn)為鋁側(cè)熱影響區(qū)失效或界面失效。調(diào)控IMCs層的厚度對接頭性能至關(guān)重要，目前多采用在鋁/鋼間添加中間層或母材鍍層的形式控制硬脆相的生成。張?jiān)卢摰萚15]研究了Cu 中間層對鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊的影響，接頭主要由熔核區(qū)和鋁/鋼界面區(qū)組成。熔核區(qū)主要為α-Al 固溶體，界面區(qū)主要由Fe2Al5層和Fe4Al13層組成，是接頭最薄弱的區(qū)域。Cu對界面區(qū)微觀組織及接頭力學(xué)性能具有明顯的影響，隨著純Cu 中間層厚度（0 μm，50 μm，100 μm）增加，界面區(qū)寬度減小，接頭拉剪力提高，這主要?dú)w因于Cu 抑制了Al-Fe 金屬間化合物生長，改善鋁/鋼界面區(qū)的綜合力學(xué)性能。文獻(xiàn)[16]也表明了Cu、Zn、Si、Ti、Ni粉末均能在一定程度上改善接頭的力學(xué)性能。

3.1.2 弧焊

鋁合金弧焊通常采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal-Inert Gas welding，MIG），MIG 焊接效率高，可適用于厚板焊接，同時(shí)焊接過程中的“陰極霧化”作用有助于去除氧化鋁膜。

鋁的熱膨脹系數(shù)是鋼的2倍，導(dǎo)熱性是鋼的4倍，因此鋁的焊接變形及應(yīng)力比鋼大。在MIG 焊接過程中通常會(huì)采用Fronius 公司的冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer,CMT），通過焊絲機(jī)械回抽和數(shù)字焊機(jī)協(xié)調(diào)配合，可顯著降低焊接過程的熱輸入。目前，一汽-大眾佛山焊裝車間采用MIG技術(shù)焊接鋁合金電池外殼箱體，中國中車集團(tuán)的鋁合金地鐵車廂拼接也多采用MIG焊接。

CMT 鋁/鋼熔釬焊接頭的強(qiáng)度主要受鋁/鋼界面的IMCs 層及鋁側(cè)軟化的熱影響區(qū)影響。Cao 等[17]對1 mm厚鋁合金和1 mm厚Q235鍍鋅鋼的CMT焊接參數(shù)進(jìn)行了探究。通過優(yōu)化參數(shù)以減小熱輸入能夠有效抑制IMCs層及鋁側(cè)熱影響區(qū)的生成進(jìn)而提高接頭強(qiáng)度。Ye 等[18]使用MIG-TIG 雙面電弧釬焊的方法焊接3 mm 厚AA5052 鋁合金與Q235 低碳鋼，由于工藝更低的熱輸入，接頭界面處存在IMCs（Fe2Al5和Fe-Al3）中Fe2Al5（主要構(gòu)成）的最大厚度減小到2.03 μm，接頭的平均抗拉強(qiáng)度是傳統(tǒng)MIG 接頭的2.5 倍，達(dá)到148.1 MPa。

3.1.3 激光焊接

激光焊接（Laser Beam Welding，LBW）是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。激光的產(chǎn)生原理是激光介質(zhì)中的原子受到泵浦能量時(shí)產(chǎn)生原子躍遷，進(jìn)入高能態(tài)，同時(shí)將吸收的能量以光和熱的形式釋放。當(dāng)發(fā)出的光擊中其他原子時(shí)，基態(tài)原子就會(huì)吸收這束光；當(dāng)高能態(tài)原子數(shù)量大于基態(tài)原子時(shí)，激光就得到了放大，光束在諧振腔內(nèi)不停地振蕩放大，通過耦合鏡輸出產(chǎn)生激光[19]。

在車身制造工藝中激光焊接可以分為2 大類，一類是熔釬焊，需要焊絲填充焊縫，一般用于頂蓋、后蓋等可視焊縫區(qū)域。另一類是激光飛行焊，也叫遠(yuǎn)程激光焊，不需要填絲，通過大功率的激光將搭接的板材直接熔透，主要應(yīng)用于窗框和內(nèi)板的連接。

為探究金屬表面鍍層對鋁/鋼異種金屬接頭組織性能的影響，Tan 等[20]使用了3 種不同的Zn 基釬料（Zn-2Al，Zn-15Al 和Zn-22Al）開展了鋁/鋼熔釬焊的研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制金屬間化合物含量可以提升接頭力學(xué)性能。陳樹海等[21]研究了鎳箔中間層對鋁/鋼深熔焊的影響，鎳中間層的添加有效地改善了接頭力學(xué)性能，并擴(kuò)大了可用的工藝參數(shù)范圍，這對鋁/鋼激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用提供了方向。

3.1.4 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法。攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針插入焊件的接縫處，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針與母材摩擦產(chǎn)生的熱量使焊縫處材料溫度升高而軟化，在摩擦產(chǎn)熱和軸肩的作用下，形成致密的固相連接接頭。攪拌摩擦焊是1991 年英國焊接研究所發(fā)明的新型焊接技術(shù)，由于在焊接過程中沒有弧光和煙塵，也被稱為綠色焊接技術(shù)[22]。FSW適用于鋁鋼的焊接，已在馬自達(dá)Roadster 車型的前蓋中連接鋁合金內(nèi)板和鋼制結(jié)構(gòu)件。

影響接頭質(zhì)量的主要因素包括攪拌頭轉(zhuǎn)速、攪拌頭形貌和板材預(yù)處理方式等，提高接頭強(qiáng)度的方法包括優(yōu)化焊接參數(shù)、對板材進(jìn)行預(yù)處理或者添加填充層。Zheng 等[23]將純Zn 箔放置于鋼和鋁中間，類似于“三明治”結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明純Zn 箔可顯著提高接頭強(qiáng)度。在車身制造中，普遍使用的鍍鋅鋼板正好利于形成上述的“三明治”結(jié)構(gòu)。攪拌摩擦焊在未來汽車制造的異種焊接中具有應(yīng)用前景。

3.5 機(jī)械連接

3.5.1 熱熔自攻絲

熱熔自攻絲（Flow Drill Screw driving，F(xiàn)DS）是利用螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量軟化待連接板母材，并在巨大的軸向壓力下，擠壓并旋入待連接板實(shí)現(xiàn)鉆孔和攻絲。通過旋轉(zhuǎn)→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固這6 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)在開預(yù)制孔或不開預(yù)制孔同種或異種板材之間的連接，屬于不可拆卸單面連接工藝。

FDS 屬于機(jī)械連接工藝，可以用來連接包括超高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金和復(fù)合材料在內(nèi)的異種材料。單面進(jìn)槍適用于封閉型腔結(jié)構(gòu)。FDS的劣勢為由于單面施力，對工件和機(jī)器人沖擊較大，連接時(shí)需要高強(qiáng)度剛性支撐。另外，螺釘端面有一定凸起，需要在工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮暴露在外的螺釘對車身后續(xù)裝配的影響。目前該連接技術(shù)已被應(yīng)用于奧迪Q3和蔚來ES8等車型。

3.5.2 自沖鉚接

自沖鉚接（Self-Piercing Riveting，SPR）是通過特制鉚釘連接2種或2種以上金屬板材的機(jī)械冷成型連接技術(shù)，使用高強(qiáng)管狀鉚釘在高壓作用下穿透上層板材，同時(shí)鉚釘末端刺入下層板材后在壓力及下模作用下膨脹形成自鎖，從而實(shí)現(xiàn)連接。

SPR 優(yōu)勢是可以用于異種材料的雙層或多層連接，鉚接過程能耗低、無熱效應(yīng)、不會(huì)破壞涂層。劣勢是不同材質(zhì)、厚度及硬度的接頭組合需要定制不同的鉚釘、沖頭及沖模，鉚釘成本較高。同時(shí)，鉚接點(diǎn)的平面凸起2～3 mm。SPR需要使用C形鉚接槍，故板材雙側(cè)需要預(yù)留進(jìn)槍空間。

SPR 主要用于中薄鋁板、普通鋼板及其混搭形式的連接，在捷豹XFL、通用CT6 和奔馳車身制造中有廣泛應(yīng)用。

3.5.3 無鉚連接

無鉚連接（Clinching）是利用板件本身的冷變形能力，使板件產(chǎn)生局部變形而實(shí)現(xiàn)板件連接的技術(shù)。

Clinching屬于機(jī)械連接技術(shù)，適用于異種材料間連接。相比SPR，不需要額外的鉚釘，因此成本相對較低。缺點(diǎn)是連接強(qiáng)度不如SPR，主要用于強(qiáng)度要求相對較低的部件上（如四門兩蓋、輪罩）。Clinching技術(shù)同樣需預(yù)留雙面進(jìn)槍位置，需要在工藝設(shè)計(jì)和線體布局時(shí)提前考慮。

3.6 粘接

車身制造中最常見的粘接工藝是膠粘連接，在汽車行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史。膠接除了防腐密封功能外，也發(fā)揮著連接作用。

膠接具有抗疲勞、減振、密封及絕緣性能好的優(yōu)勢，并可阻止裂紋擴(kuò)展，但無法承載大載荷，因此經(jīng)常將膠接、焊接和機(jī)械連接等方式配合使用。對于鋁和鋼連接，母材之間的結(jié)構(gòu)膠從物理上阻斷了鋁和鋼之間的直接接觸，避免接頭受電化學(xué)腐蝕影響。

3.7 連接替代方案（一體壓鑄）

一體壓鑄屬于金屬鑄造工藝，利用模具對腔內(nèi)熔融金屬進(jìn)行定型。特斯拉汽車使用中國力勁科技生產(chǎn)的GigaPress 6000 t級(jí)超大型壓鑄機(jī)，整體壓鑄鋁合金車身后地板，將70 余個(gè)零件減少為1 個(gè)零件，節(jié)省約1 000余次焊接工序。

一體壓鑄技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，可縮短整車車身開發(fā)周期，同時(shí)相較傳統(tǒng)沖焊工藝，單件的材料利用率和工藝成本更低。劣勢為在鋁合金熱處理過程會(huì)產(chǎn)生形變，且尺寸后期無法通過夾具調(diào)整，尺寸精度低于冷沖壓件。壓鑄模的沖型、排氣、冷卻等工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜，壓鑄過程高速填充、快速冷卻，產(chǎn)品易產(chǎn)生砂眼、裂紋、縮孔等缺陷，批量的探傷質(zhì)檢也相對困難。對于消費(fèi)者而言，后期整車維修的難度大、成本高。

4 結(jié)束語

（1）鋁合金的焊接性比鋼差，電阻點(diǎn)焊依舊是目前應(yīng)用最廣泛的方法。鋁/鋼異種材料焊接難點(diǎn)在于鋁/鋼界面處反應(yīng)生成硬脆金屬間化合物，致使接頭力學(xué)性能不佳。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過增加箔片、鍍層、優(yōu)化工藝參數(shù)等方法可以得到相對較高強(qiáng)度的焊接接頭，但由于其成本和生產(chǎn)效率影響，難以在汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。機(jī)械連接和膠接是當(dāng)下實(shí)現(xiàn)鋁/鋼異種連接的主要途徑。

（2）在國家“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略的大背景下，先進(jìn)制造技術(shù)的輕量化需求日益凸顯，鋁合金是車身輕量化的重要發(fā)展方向，解決鋁合金材料在車身連接技術(shù)上的應(yīng)用問題，將成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。