汽车铝合金车身焊接工艺开发与应用分析

林文超

摘 要：轻量化是汽车发展的方向之一，铝合金作为重要的轻量化材料应用于汽车车身中。本文讨论了铝合金作为汽车轻量化材料在车身焊接过程中存在的问题，并对电阻点焊、电弧焊、激光焊接和搅拌摩擦焊等方法进行了分析和讨论。这些焊接方法各有优缺点，需要根据实际工艺需求选择合适的方法。此外，为了优化铝合金车身的焊接工艺，本文还提出了一些优化措施，例如采用合适的焊接参数、预处理材料表面以减少氧化等。这些措施有助于提高焊接质量和效率，为汽车轻量化提供技术支持和指导。

关键词：铝合金 焊接工艺 电阻点焊 电弧焊

1 引言

随着社会的发展，汽车已经成为人们生活中不可或缺的交通工具。面对日益严重的能源危机和环境污染问题，汽车工业逐渐向轻量化、节能和环保方向转型。其中，轻量化是汽车工业在节能和减排方面最有效的手段之一。铝合金具有重量轻、比强度高、导热性好等优点，成为了汽车轻量化生产的核心组成材料。

铝合金车身的生产工艺是汽车轻量化中至关重要的一环。然而，铝合金车身焊接存在一些问题，例如铝合金熔点低、易氧化、焊缝质量不稳定等，给车身制造带来了很大的难度。因此，为了解决这些问题，需要探讨合适的焊接工艺，提高生产效率和焊接质量。

2 汽车铝合金车身焊接工艺

铝合金具有良好的强度和轻量化的特点，其强度高、重量轻、耐腐蚀性好等特点使其在汽车制造领域得到广泛的应用。而铝合金车身的焊接工艺也成了车身生产的重要环节之一。目前铝合金车身焊接主要采用电阻点焊、电弧焊、激光焊接和搅拌摩擦焊等技术。

2.1 电阻点焊

电阻点焊是一种快速、低成本的金属焊接方法，适用于焊接铝合金车身等薄板材料。其操作简单，只需要将焊接材料放置于夹具中，通过电流通过连接部位形成局部加热，使铝合金材料熔化，然后冷却形成对一定形状的连接点。这种焊接技术在铝合金车身制造中得到广泛应用，可以快速、高效地完成焊接工作，有效降低了制造成本。然而，电阻点焊也有其局限性，主要表现在焊接强度较低，不能承受高负载或冲击负荷。在实际应用中，既要确保产品的质量，又要考虑使用的安全性，因此，电阻点焊的应用场合较为有限。

2.2 电弧焊

电弧焊是一种常用的焊接方法，广泛应用于铝合金焊接领域。其原理是在电极和焊接材料表面之间产生电流弧，使焊接材料表面熔融，在氧化保护气氛下形成焊缝并冷却。电弧焊可以使用于较大的工件，操作简单，焊接效果良好，因此被广泛采用。然而，铝合金在高温环境下很容易熔化，这就要求在电弧焊过程中需要采用气体保护焊，以避免焊接材料的氧化。常用的气体保护焊有惰性气体（如氩气）保护、惰性气体混合气体保护等。这样可以保护铝合金焊接材料表面，减少氧化反应，避免出现焊接质量问题，提高焊接强度和质量。同时在焊接过程中，注意控制电流时的电压和电弧稳定性，一般要采用直流进行焊接。焊接之前需要清除材料表面的氧化物，保证焊接材料的清洁度，以避免对焊接质量产生负面影响。

2.3 激光焊接

激光焊接是一种近年来得到广泛应用的铝合金焊接方法，该方法利用激光束的高能量密度，将铝合金材料快速加热至熔点以上，使其溶解成为一体。由于激光束的焦点直径小、聚焦能量高，因此该方法具有高精度、高效、无接触等优点，并且可以减少热影响区和变形，使焊接质量更加可靠。尽管激光焊接方法在细小和高精度部件的生产中表现良好，但设备成本较高，这是该方法使用的主要限制因素。大型铝合金工件需要更大的激光功率和不同的焊接技术来应对，这进一步增加了使用激光焊接方法的成本。此外，该方法也需要专业技术人员进行操作，对人员素质的要求比较高。

激光焊接是一种高精度、高效、无接触的焊接方法，对特殊领域的铝合金焊接具有较高的应用价值。但该方法的设备成本较高且应用限制比较大。因此，在实际应用中需要灵活选择，以满足不同铝合金焊接需求。

2.4 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种新型的愈合方法，该方法与传统焊接方式不同，它通过在铝合金板上施加搅拌力，并在高温、超塑性状态下加以愈合。相比传统焊接方式，搅拌摩擦焊不产生气体，没有熔化、热影响区和固化现象，可以有效提高焊件的强度和耐腐蚀性，同时降低生产成本。该方法广泛应用于航空、汽车及其他铝合金制品的制造中。

在实际应用中，需要根据具体情况选择最适合的焊接工艺。在车身焊接中，搅拌摩擦焊是一种较为广泛应用的焊接方式，可以达到高质量、高效率的需求。同时，在选择工艺时还需要考虑其他因素，如对材料表面状態的要求、加工成本、生产效率、环境影响等。需要注意其局限性，选择适当的技术方案，并加强质量监控，以达到最佳的焊接效果[1]。

3 铝合金车身焊接存在问题

3.1 铝合金的熔点低

铝合金车身焊接是制造轻量化汽车的重要工艺，然而这种焊接工艺也存在一系列的问题。其中，铝合金的熔点低就是一个比较明显的问题，容易导致过热和燃烧现象的发生，进而影响焊接质量和结构强度。

一方面，铝合金的熔点低，很容易在焊接过程中发生过热和燃烧现象。过热会导致铝合金材料出现结构变化，形成热影响区，进而对焊接接头的强度和性能产生不利影响。而燃烧则会导致铝合金材料的氧化和蒸发，影响接头的质量和焊接强度。另一方面，铝合金的熔点低也会导致焊接过程中，铝合金材料难以达到充分熔化，影响焊接效果。为了解决这个问题，需要采取有效的措施对焊接参数进行控制，以确保铝合金材料达到充分熔化状态。

3.2 铝合金易氧化

铝合金的易氧化问题是焊接过程中需要非常重视的一个问题。铝合金材料的氧化会导致焊接接头周边出现脆性氧化物，进而导致焊缝出现麻花状和龟裂等缺陷，从而影响整个结构的强度和质量，并缩短了车身的使用寿命。在焊接过程中，铝合金材料会与空气中的氧气接触，如果不采用保护气体进行控制，就很容易出现氧化现象。因此，焊接铝合金时必须采用保护气体焊接技术，利用保护气体起到隔绝空气中氧气和其他杂质的作用，保护铝合金材料不受氧化的影响。同时，在焊接铝合金的过程中，控制气氛也十分关键，需要保持一定的空气流量和压力控制，以避免空气中的氧气和水分混入焊接区域，导致铝合金材料的氧化[2]。

3.3 焊接质量不稳定

铝合金车身在焊接过程中容易出现间接缺陷，如针孔、气泡、夹杂等，这些缺陷会影响焊缝的质量和强度，进而影响整个车身的结构稳定性。

间接缺陷的产生原因主要是焊接过程中存在的气体、杂质和脏污等。这些杂质和气体在焊接过程中无法完全排出，导致焊接接头中出现针孔、气泡、夹杂等缺陷。同时，焊接过程中焊接温度的变化，也会导致铝合金材料内部微观组织发生变化，从而形成夹杂。这些间接缺陷的存在会对铝合金车身的性能和强度产生很大的影响。针孔、气泡等缺陷会导致焊接接头的密封性变差，在使用中可能会发生泄漏，从而影响车辆的行驶安全。夹杂则会导致焊接接头的强度降低，使得车身结构不稳定，影响行驶平稳性，由此也会影响乘客和行车安全。

铝合金车身在焊接过程中容易出现间接缺陷，这些缺陷会对车身结构的稳定性和安全性产生不利影响。通过采用适当的焊接工艺和措施，可以有效地避免间接缺陷的产生，提高车身结构的稳定性和焊接质量[3]。

3.4 冶金不相容

铝合金车身由于使用不同的型号和牌号的材料进行制造，这些材料的化学成分和物理性质可能存在差异，因此在焊接不同材质的铝合金时，容易出现冶金不相容现象。这种现象表现为焊接部位出现局部破裂或者断裂，导致焊接点的强度明显下降，进而影响整车的结构强度和稳定性。

冶金不相容现象主要是由材料间的化学反应和不同热膨胀系数所引起的。在焊接不同材质的铝合金时，焊接区域的材料存在不同的既定化学反应，可能会形成化合物或其他复杂化学物质，从而导致焊接接头部分的材料性能发生明显变化，使焊接接头的强度下降。此外，不同材质的铝合金还存在不同的热膨胀系数，当材料温度发生变化时，不同材质会出现不同的热膨胀程度，导致焊接接头出现应力集中，从而出现裂纹和破裂现象，影响焊接接头的强度。

冶金不相容现象会导致铝合金车身焊接接头出现强度下降的问题，威胁到整车的结构稳定性和安全性。正确选择合适的焊接材料和工艺是减少冶金不相容风险的重要措施，对于保障铝合金车身的质量和强度具有至关重要的作用。

4 铝合金汽车车身焊接方法分析

4.1 铝合金电阻点焊工艺

采用电阻点焊工艺焊接铝合金车身，可以获得高质量的焊缝，并且焊接结构牢固、耐久性强，而且操作简单，提高了生产效率。除此之外，电阻点焊还能避免使用可燃性焊接材料可能引起的较大安全风险。但是，铝合金电阻点焊在实际应用中也存在一些限制因素。首先，它对板厚限制较大，通常仅适用于板厚在2毫米以内的薄板材料焊接。其次，电阻点焊设备相对较为复杂，需要消耗大量的电力和空间，对于一些体量较小的企业来说，可能会导致技术和设备投入方面的问题。另外，铝合金电阻点焊无法实现异种材料的焊接，因为不同材料之间的化学性质和物理性质不同，难以实现好的焊接效果。针对以上限制因素，我们可以选择其他的焊接方法，例如TIG（钨极氩弧焊）、MIG（金属气体保护焊）以及激光焊接等方法。这些方法在铝合金车身焊接过程中都能够达到较好的焊接效果，并且可以满足不同的生产需求，从而提高铝合金车身的生产效率和质量。

铝合金电阻点焊是一种高效的金属焊接方法，但仍然存在侧重于板厚在2毫米以内、设备复杂和无法焊接异种材料的限制因素。在实际使用过程中，需要根据不同的产品和生产需求，灵活选择合适的焊接方法，从而保证产品的质量和效益。

4.2 铝合金汽车车身电弧焊工艺

电弧焊焊接速度快、能够焊接不同厚度的金属材料、设备简单、成本低。但是，在实际焊接过程中，操作人员需要严格控制焊接电流和电压，以避免过热和燃烧现象的发生。铝合金的熔点比较低，焊接温度较高，同时铝合金的热导率较好，容易导致焊接位置过热或者燃烧，影响焊接质量。因此，需要掌握合适的焊接电流和电压的大小、焊接时间以及焊接速度等因素，实现合适的焊接温度和熔化。此外，在焊接过程中，还需要注意气氛控制，避免空气中的氧气、水蒸气、油脂等杂质进入焊接区域，引起氧化和油渍，从而降低焊接质量。可以使用惰性气体作为保护气体，保证焊接区域的气氛干燥和稳定。

铝合金汽车车身的电弧焊是一种常规的焊接方法，对于加快焊接进度、降低成本等方面都有很大帮助。但需要严谨的操作流程以及工作人员对于气氛控制的重视，确保焊接过程的顺利进行，获得高质量的焊接效果[4]。

4.3 铝合金车身的激光焊接工艺

激光焊接是一种高效、高质量和高精度的铝合金车身焊接方法。这种方法通过利用激光束的高能量密度来加热材料并使其融合。

激光焊接的优点之一是快速焊接速度。激光束的高能量密度使其能够快速加热铝合金材料，使其融化并形成焊接。这个过程非常迅速，可以在短时间内完成整个焊接过程。此外，激光焊接还可以保证焊接质量高。激光焊接可以实现高质量的焊缝，焊接缝的结构非常紧密，不会类似传统的焊接方法那样容易出现裂缝或腐蚀。这在汽车制造行业极为重要，因为要确保车身的结构强度和安全性。另一个优点是，激光焊接可以焊接复杂曲面和异种材料。激光焊接技术可以实现需要在复杂曲面上进行焊接的部件，如汽车车身的钢铝复合结构的焊接，传统的焊接方法很难实现。除此之外，激光焊接还可以较容易地焊接各种异型材料，如铝合金和不锈钢之间的焊接等。然而，激光焊接也有一些缺点。需要注意的是，激光焊接需要严格控制焊接参数，否则会影响焊接质量。还有，激光焊接的设备成本较高。由于激光设备本身价格较高，因此在设备投资方面需要预算足够的费用。

激光焊接是一种高效、高质量和高精度的焊接方法，特别适用于铝合金汽车车身的焊接。然而，操作人员必须严格控制焊接参数，以确保高质量的焊接效果，并提前预算足够的费用来购买激光设备。

4.4 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊是一种新兴的焊接方法，被广泛应用于铝合金车身焊接中。它通过机械运动引起摩擦热并将金属材料熔化接合。

首先，搅拌摩擦焊的焊接速度非常快。这是因为搅拌头在焊接时高速旋转，由于搅拌热效应使材料表面的金属得以熔融，在摩擦头通过时，在材料的两端构成搅拌区域的区域内，金属材料会变得柔软粘合在一起，如此一来，最终的焊缝就形成了。其次，搅拌摩擦焊的焊接效果非常好。焊缝几乎没有放热区，没有裂缝和气孔。焊缝质量非常高，可以直接做推力和拉伸强度测试。这种焊接方法还可以适用于异种材料的焊接，如不同种类和不同厚度的铝合金。不过，搅拌摩擦焊的设备成本相对较高，需要使用高力矩电机、变速传动装置、惯性制动器等特殊设备，因此不是所有的制造行业都适用于这种焊接方法。此外，当材料较厚时，就不能施加太大的压力，否则会破坏材料的厚度，使焊缝出现撕裂等缺陷，影响焊接质量。这也是搅拌摩擦焊的一大缺点。总的来说，搅拌摩擦焊具有快速、高效、高质量的优点，应用领域广泛，但同时也需要注意设备成本和焊接设备在不同厚度材质上的限制。

5 结语

随着汽车轻量化趋势的不断加强，铝合金车身作为一种优秀的轻量化材料得到了广泛应用。然而，铝合金车身的焊接技术面临着一些挑战，例如铝合金的熔点低、易氧化等问题，这给车身生产工艺带来了一定难度。为了解决这些问题，本文分析了现有的铝合金车身焊接方法，并提出了一系列优化措施。针对焊接过程中存在的问题和挑战，本文还提出了一些优化措施，如控制焊接参数、合理选择焊接方法、加强质量监控等。这些措施可以有效地提高铝合金车身焊接的质量和效率，并为汽车轻量化的发展提供一些参考和支持。在未来，我们相信随着更多技术的涌现和应用，铝合金车身焊接技术必将得到更加快速和灵活的发展，为汽车轻量化的發展注入新的动力和活力。

参考文献：

[1]温雨.汽车铝合金车身焊接工艺开发与应用分析[J].时代汽车，2020（18）：2.

[2]纪圆，魏海峰，丛永亮，等.一种铝合金轻量车身自动化焊接工艺，CN201811292735.0[P]. 2021.

[3]刘桂孙.汽车铝合金车身焊接工艺开发与应用[J].中外交流，2018，000（048）：76.

[4]徐勇亮.全铝合金白车身焊接生产线关键工艺设备探讨[J].汽车世界，2019.