新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于铝车身的弧焊工艺应用及挑战

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发表于 2020-8-31 18:07:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于铝车身的弧焊工艺应用及挑战

□北汽新能源汽车常州有限公司/汪勤波 刘立

汽车轻量化是汽车产业发展的主要方向之一,能有效减轻车身自重,是实现汽车节能减排最直接而有效的手段。本文简单介绍了铝车身材料的选择以及应用的主要连接工艺,重点介绍了基于铝合金弧焊工艺的焊前准备、焊丝及保护气体的选择,以及实际应用中遇到的困难、解决方案及挑战。

汽车轻量化能够有效节能,铝合金的材料特点及性能使其成为当今社会汽车轻量化的首选材料。C11CB是北汽新能源自主开发的全新平台车型,该车身采用了框架式车身结构(见图1),以铝合金型材(占比34%)、压铸件(占比15%)、冲压件(占比49%)和浇铸件(占比2%)为材料。连接工艺以铝合金弧焊工艺为主,并采用了SPR自冲铆接、拉铆、自冲压铆等连接工艺。弧焊焊缝设计长度逾30m,车身SPR铆点200多个、拉铆钉30多个、压铆螺柱近百个。

图1 C11CB铝合金车身

本文从铝车身材料的选择以及本厂重点使用的弧焊工艺选择和应用方面作出一些说明。

框架铝合金车体材料选择

如图2所示,C11CB车型在碰撞吸能件上采用的是3~4mm左右的挤压变形铝,保证车体驾驶舱内的安全性。对于主要承载结构A/B柱则采用的是壁厚5.5mm的一体式浇铸成型铝件,不仅保证了强度,同时实现了轻量化(减少了传统车结构上外板+内板的结构),其他结构件上则采用的3~5mm的压铸成型铝,保证了高强度。在前后地板、前后围面板的材料选择上则是选用了1~1.5mm的冲压铝件。

1.挤压铝材料选择

6系铝合金因具有较好的耐腐蚀性、易成形加工,挤压性能较好,同时具备较高的强度,所以C11CB车型选择应用比较广泛的6082作为挤压成型材料。

2.冲压铝材料选择

5182因同时具备较高的强度及韧性,所以在前围面板、前后地板上选择5182作为冲压用材料。

3.压铸铝材料选择
图2 C11CB车体材料分布

压铸铝材料本身的成型工艺过程易产生气孔,在焊接过程中易导致焊接缺陷产生,焊接性能不好。所以在选择压铸件材料时选择了目前压铸材料性能较好的AlSi10MnMg(材料代号ENAC43500),该牌号铝合金的Si含量略低于AlSi共晶合金,具有较好的流动性。Fe含量低,使AlFeSi相的板块状得以消除,使压铸件在受力状态下不产生裂纹。一定的Mn含量可防止压铸时合金的粘模现象,提升压铸件本身的质量,减少对后续焊接过程的影响。

铝合金车身的主要连接工艺

铝合金车身的连接工艺有压铆、拉铆、SPR自冲铆、TOX无铆连接、FDS流钻铆钉、高速射钉、胶粘、包边以及MIG焊、TIG焊、CMT焊接、激光焊、铝合金点焊和搅拌摩擦焊等。其中,SPR自冲铆以其良好的铆接点静态强度、疲劳强度和低能耗、低噪声、无烟尘排放以及实际应用中可以很好的进行过程控制等优点,成为了铝合金车身广泛使用的连接工艺。北汽新能源也在铝冲压板和其他成型工艺(挤压铝、铸铝)的止口配合处使用了这种工艺。

C11CB车身主要为6系挤压铝连接,因车身结构复杂,连接空间狭小。铝合金弧焊因工艺可达性较好、操作空间方便、设备投入低,故主要采用弧焊工艺为主,并配合SPR自冲铆接、拉铆、压铆及胶粘等工艺。

但对于铝合金弧焊的广泛应用,具有很大的难点:

1)铝合金热导率很大,大约为钢的2~4倍,同时耐热性很差,一般铝合金均不耐高温,膨胀系数大,容易产生焊接变形,焊接裂纹倾向也很明显,而且越薄的铝合金板材越难焊接,容易焊穿。

2)合金焊接中极易产生气孔。

3)合金表面特别容易在表面产生一层难熔的氧化膜,这层氧化膜的熔点高达2 050℃,远远超过铝合金的熔点,在焊接过程中易形成夹渣,而且氧化膜还会吸附水封,加重气孔的产生。

4)接头软化情况严重,焊缝强度系数均低于母材。

5)合金材料在熔化状态下表面张力小,很容易凹陷。

这些因素给铝合金弧焊的广泛应用带来了比较大的困难,下面重点对于铝合金弧焊在本厂的工艺选择和实际应用做出一些说明。

铝合金弧焊工艺的选择

铝合金弧焊工艺首先需要从焊前处理、焊接气体选择、填充材料及焊接参数等方面进行比较规范的控制,减少铝合金弧焊的质量控制风险。

1.焊前处理

铝合金材料在加工、运输、存储过程中,不可避免地会粘上油污等脏物,这些有机物质在高温作用下会产生气孔等缺陷,需要将表面油污进行清洗,一般采用异丙醇、丙酮、酒精等清洗剂进行清洗。

铝合金焊前打磨主要是为了去除铝合金表面氧化膜,因氧化膜致密而坚硬,可采用不锈钢钢丝(见图3)或者铝合金专用打磨片(见图4)。

图3 不锈钢钢丝刷

图4 铝合金专用打磨片

图5 铝合金焊前处理一般流程

打磨完成后,因打磨工具可能对铝件表面产生污染,还需要进行二次铝件表面的清洗,同样可采取异丙醇、丙酮、酒精等进行清洗。5min的蒸发时间后再进行焊接。铝合金焊前处理的一般流程如图5所示。

2.焊接保护气体

在铝合金焊接过程中,通常采用的焊接保护气体为氩气、氩气+氦气混合气体。

氩气是惰性气体,既不与金属发生反应,也不熔于液态金属,同时由于其密度比空气大,所以保护效果非常好。

氦气也是惰性气体,焊接过程中,吸热小,熔池停留时间长,气孔倾向也小。但由于氦气保护过程中,电弧稳定性较差,所以一般不单独使用氦气作为保护气体。

采用氩气保护保证有稳定的电弧过程,在氩气中添加一定百分比的氦气能改善熔深及减少气孔。混合保护气体中,氦气成分越高,所需相同电弧长度的电压越高,氦气含量越高,焊缝越宽、越平坦、越保证熔深,但同时变形也会增大。增加氦气比例对表面成形的影响见表1。

所以在选择保护气体的时候,需要综合考虑焊接质量控制要求及成本,选择最适合产品的保护气体。

表1 氦气成分对表面成形的影响

3.焊接填充材料

在铝合金焊接焊丝的选择上必须优先考虑基本金属的成分、产品的具体要求及施工条件,除了需要满足产品设计过程中的力学性能,还应考虑结构的刚性及抗烈性等问题。

焊丝选择通常应基于以下几个方面因素:

1)与母材的化学成本相兼容。

2)焊缝力学性能要求。

3)焊缝要求的耐腐蚀能力。

4)最佳焊接性能等。

如图6所示为各类铝合金焊接焊丝的选择推荐标准。

图6 铝合金焊丝推荐标准

C11CB车型6082、5182系列材料,可选择5356(AlMg)/4043(AlSi)系列的焊丝,两者在力学性能(最大拉力1.9万N,最大抗拉240MPa,屈服强度160MPa)及熔深上比较相近,但由于公司车体上选择部分压铸材料,采用5356焊丝易产生焊缝裂纹,故采用延伸率高于5356的4043焊丝,有效提升焊缝的抗裂性。

实际应用中遇到的困难和解决方案

在铝合金弧焊的实际调试和操作中,固化了一些作业方法和解决方案,下面列几个主要的问题以供参考:

1)焊缝长度:要避免≤40mm短焊缝,以保证焊缝强度。小于40mm的短焊缝,应做专项分析和工艺验证。如图7所示。

2)焊接顺序:大件与小件焊接时,先从大件上起弧,收弧也在大件上,焊缝起始和结束最好在基材上,而不是在焊缝上。如图8所示。

3)起弧收弧参数控制:焊接起弧、收弧要对机器人程序进行特别处理,起弧时要增加电流、电压,收弧时要降低电流电压,同时增加焊枪停留时间。如图9所示。

4)焊接方向和角度,尽量减少仰焊和立焊。如图10所示,焊接的方向尽可能采用±20°的水平焊接,避免仰焊和竖直焊接。竖直的焊接铝熔化后受重力的影响会在下方堆积,容易在焊缝中形成气泡;焊枪焊接的方向和角度方面,最好采用10°~15°的推焊,相比于拉焊,在焊缝余高、飞溅、脏污等质量方面均有更好的表现。

图7 焊缝长度改善

图8 优化焊缝顺序

图9 优化起弧收弧参数
a)无优化启动和结束程序的焊缝 b)优化了启动和结束程序的焊缝

图10 采用旋转夹具,尽量避免仰焊和立焊

结语

铝合金的车身连接工艺目前主要的趋势是SPR、FDS、铝点焊工艺等,但设备的自动化程度要求高,投入高。铝合金弧焊的设备投入低,但是在对温湿度的要求较高、对母材杂质的敏感性、不易熔合、容易变形、较易咬边、较高的焊工技能要求以及较难进行过程控制等多种局限,大批量使用铝合金弧焊仍然面临较大挑战。因此,在铝车身设计时,如何优化结构,设计合理的工艺是轻量化车身需要重点研究的方向。



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