鋁合金汽車(chē)輕量化及其焊接新技術(shù)

王正科

摘要：在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們對(duì)汽車(chē)的需求也在逐漸提升，倒逼汽車(chē)行業(yè)的快速進(jìn)步與發(fā)展。鋁合金是汽車(chē)輕量化發(fā)展的方向，已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)中廣泛使用的材料之一，鋁合金的使用可以有效降低汽車(chē)的整體車(chē)身質(zhì)量、減少能源消耗，與我國(guó)節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)完全符合，并且合理利用焊接的新技術(shù)為汽車(chē)輕量化提供技術(shù)保障，對(duì)汽車(chē)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文簡(jiǎn)要概述了鋁合金特點(diǎn)，分析了鋁合金在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用，并對(duì)鋁合金汽車(chē)焊接的新技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金;汽車(chē)輕量化;焊接技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0102-02

0? 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及科技的發(fā)展，使人們的生活水平不斷提升，汽車(chē)的使用也越來(lái)越普遍，可以為人們的日常出行提供一定的便利，但是由于我國(guó)可用能源一直處于短缺的狀況之中，加上汽車(chē)的需求量不斷提升，給汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，汽車(chē)行業(yè)為了與我國(guó)綠色、環(huán)保的戰(zhàn)略目標(biāo)相符合，并且盡可能的滿足人們對(duì)汽車(chē)舒適性以及輕量化的需求，既要不斷提升汽車(chē)的整體質(zhì)量，還要對(duì)汽車(chē)的生產(chǎn)成本進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并且合理利用新型焊接技術(shù)，有效改善汽車(chē)出現(xiàn)氣孔以及裂痕等情況，使汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展向輕量化的方向努力。

1? 鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金具有耐腐蝕性好、成本低、可回收、便于加工以及重量輕等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于汽車(chē)的生產(chǎn)當(dāng)中可以有效降低能源的浪費(fèi)，并且在汽車(chē)的原材料中所占比例已經(jīng)高達(dá)60%。就耐腐蝕性而言，鋁的表面很容易產(chǎn)生相應(yīng)的氧化膜，其抗氧化能力較強(qiáng)，可以有效降低汽車(chē)的汽車(chē)的腐蝕程度，并且鋁合金尤其適用于汽車(chē)車(chē)體中不宜涂刷防腐材料的位置，既可以增強(qiáng)汽車(chē)的使用壽命，又可以改善汽車(chē)的美觀程度以及舒適性，另外，目前我國(guó)所使用的鋁大多都是再生鋁，可以有效降低能源的損耗，回收利用可以有效降低能源損耗的95%以上，與我國(guó)節(jié)約、環(huán)保的要求完全相符[1]。與此同時(shí)，在汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)中使用鋁合金可以有效利用鋁擠壓技術(shù)，從而有效降低焊點(diǎn)的數(shù)量，在一定程度上減少了汽車(chē)的加工工序，全面提升汽車(chē)生產(chǎn)的裝配效率。

2? 鋁合金在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用

汽車(chē)輕量化就是在確保啟程的強(qiáng)度、性能、安全以及穩(wěn)定性的情況下，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行整體質(zhì)量的減輕，從而確保汽車(chē)燃料可以得到充分的利用，將使用效率最大化，既可以為汽車(chē)提供更大的動(dòng)力支持，又能有效避免汽車(chē)對(duì)于能源材料的使用，還可以減少汽車(chē)排放的污染氣體，具有百利而無(wú)一害的作用。

2.1 鋁合金在車(chē)身中的應(yīng)用? 車(chē)身占據(jù)整個(gè)車(chē)輛質(zhì)量的三成以上，對(duì)能源的消耗達(dá)到了七成以上，車(chē)身是能源消耗最大的位置，所以，若想實(shí)現(xiàn)能源的減少，就要將車(chē)身實(shí)現(xiàn)輕量化。在實(shí)際的車(chē)輛生產(chǎn)中，有效利用鋁合金進(jìn)行車(chē)身的制作，不僅可以將車(chē)輛的整體質(zhì)量降低，還可以降低車(chē)輛成本的投入。例如：奧迪A8就是采用全鋁的制作，與傳統(tǒng)的汽車(chē)比較之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，A8的車(chē)身質(zhì)量出現(xiàn)了十分明顯的降低，整體質(zhì)量約減少40%以上，并且在同一種車(chē)型中，使用鋁合金材料與不使用鋁合金材料相比，就車(chē)身的抗碰撞性而言也會(huì)存在一定的差距，使用鋁合金的明顯優(yōu)于未使用的[2]。

2.2 鋁合金在底盤(pán)中的應(yīng)用? 在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輕量化的過(guò)程中，底盤(pán)的優(yōu)化是不容忽視的，也是一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的位置。底盤(pán)的懸掛系統(tǒng)中，鋁合金材料的使用已經(jīng)逐漸受到關(guān)注，鋁合金動(dòng)盤(pán)與傳統(tǒng)鐵質(zhì)動(dòng)盤(pán)相比，重量明顯下降了70%左右，盡管鋁合金的成本較高于鐵質(zhì)成本，但是將汽車(chē)的使用壽命提升了兩倍，整體來(lái)看鋁合金的性價(jià)比是很高的，因此，將鋁合金材料應(yīng)用于地車(chē)底盤(pán)之中不僅滿足了汽車(chē)的輕量化，還延長(zhǎng)了配件的使用壽命。

2.3 鋁合金在打發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用? 現(xiàn)階段，已經(jīng)有許多汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)利用鋁合金來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)部件的制作。就活塞而言，鋁合金活塞不僅可以降低自身的重量，還可以改善曲軸配重以及活塞的慣性，從而將活塞的使用效率不斷提升，并且鋁合金具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱性，可以在超高溫的情況下進(jìn)行工作，同時(shí)保持較高的力學(xué)特性，還可以有效改善汽車(chē)噪音、油耗以及振動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)的舒適度具有一定的促進(jìn)作用。

2.4 鋁合金在車(chē)輪中的應(yīng)用? 在整個(gè)車(chē)輛的重量中，車(chē)輪所占的比較相對(duì)較高，因此，可以通過(guò)減少車(chē)輪質(zhì)量的方式來(lái)降低車(chē)輛的整體重量，鋁合金車(chē)輪的制造會(huì)比傳統(tǒng)的車(chē)輪制造更加簡(jiǎn)單，并且具有減震性能、抗腐蝕性能以及耐久性等等優(yōu)點(diǎn)，通常情況下，車(chē)輪重量降低一千克，車(chē)輛就會(huì)多行駛800米左右，減少燃油的使用既可以降低能源消耗，又降低污染氣體的排放，完全滿足節(jié)能、環(huán)保的需求。

3? 鋁合金汽車(chē)焊接的新技術(shù)

3.1 鋁合金激光焊接技術(shù)? 與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，激光焊接具有焊縫較小、焊接速度快以及熱應(yīng)變小等特點(diǎn)，可以很大程度的降低汽車(chē)的質(zhì)量，并且隨著激光加工設(shè)備的不斷完善與開(kāi)發(fā)，助推了鋁合金激光焊接技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是在進(jìn)行20-30米長(zhǎng)度的焊接時(shí)，可以完全取代電阻焊以及MAG，其焊接原理如圖1所示。

使用激光焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：①焊接成本低。激光焊的施工環(huán)境要求較低，不用在真空以及電極的環(huán)境中，并且在進(jìn)行焊接之前無(wú)需嚴(yán)格清理，從而有效降低了焊接的成本以及工時(shí);②接頭質(zhì)量高。使用激光焊接技術(shù)，可以達(dá)到105-109W/cm2的功率，加上其熱輸入較低、熱影響的區(qū)域相對(duì)較小、熔深大、能量密度較高等等，并且焊縫較小、冷卻速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以，其焊接的接口質(zhì)量很高[3]。③使用范圍廣。激光焊接技術(shù)是一種無(wú)須接觸就可以進(jìn)行焊接的技術(shù)，被焊接的物體不會(huì)受到任何電磁的影響，并且可以在不進(jìn)行拆解的情況下，對(duì)密封的物體進(jìn)行內(nèi)部焊接，使焊接后的物體具有一定的工藝性在機(jī)械手以及計(jì)算機(jī)的配合下，可以實(shí)現(xiàn)焊接的精密控制以及自動(dòng)化。

3.2 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)? 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是70年代末國(guó)外學(xué)者提出的焊接方法，其焊接原理如圖2所示。熔池的上方因?yàn)榧す獾拇嬖诙a(chǎn)生的等離子體對(duì)電弧的穩(wěn)定性具有重要作用，既可以有效降低金屬表面發(fā)生的激光束反射情況，還可以將電弧等離子體進(jìn)行光的吸收，從而將激光束的整體傳輸效率不斷提升，這一技術(shù)將電弧以及激光的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了綜合[4]。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：①焊接性能好。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)將激光以及電弧的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，獲得了加熱范圍廣以及高能密度的特點(diǎn)，從而獲得了高密度以及高能量的熱輸入，有效降低了焊接裂紋的出現(xiàn);②焊接效果更加穩(wěn)定。如果焊接的過(guò)程中，其速度過(guò)快就會(huì)使陽(yáng)極斑點(diǎn)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，從而使電弧發(fā)生飄移，但是由于激光的存在會(huì)為電弧形成相應(yīng)的陽(yáng)極斑點(diǎn)給予良好的條件，所以，激光與電弧的配合下，盡管在高速的焊接情況下，也會(huì)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[5];③熱量利用率高。因?yàn)殡娀〉挠绊?，焊接區(qū)激光束產(chǎn)生的等離子體被稀釋?zhuān)瑴p少了等離子體對(duì)激光能量的放射以及吸收，并且電弧所產(chǎn)生的熔融鋁合金表面，對(duì)激光能量進(jìn)行吸收具有一定的促進(jìn)作用，從而將激光利用率不斷提升。

3.3 攪拌摩擦焊接技術(shù)

攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國(guó)研發(fā)的，其工作原理如圖3所示，將具有特殊性質(zhì)的攪拌頭插進(jìn)工件之上，使高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間發(fā)生摩擦，并利用所產(chǎn)生的熱量對(duì)金屬進(jìn)行熱塑性的過(guò)程，另外，在進(jìn)行攪拌的過(guò)程中，前端受到壓力的作用從而向后端發(fā)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而完成整個(gè)壓焊過(guò)程[6]。

使用攪拌摩擦焊接技術(shù)具有以下幾個(gè)有點(diǎn)：①在進(jìn)行焊接的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生煙塵以及飛濺，并且整個(gè)操作中均不會(huì)出現(xiàn)有害光線，例如：紅外線、紫外線;②焊接后不會(huì)發(fā)生變形，由于攪拌焊接的溫度較低，焊接以后的剩余應(yīng)力遠(yuǎn)小于熔化焊，加上在熱塑性的過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)形變的過(guò)程，所以在焊接完成以后不會(huì)出現(xiàn)變形的情況[7];③應(yīng)用的范圍相對(duì)較廣，可以進(jìn)行所有鋁合金材料的焊接，并且不受任何軸類(lèi)部件的限制，可以進(jìn)行多種形式的接頭焊接，例如：塔接、對(duì)接等;④焊接成本低。在進(jìn)行攪拌焊接時(shí)，無(wú)需消耗焊絲、保護(hù)氣體、焊劑以及焊條等材料，另外，傳統(tǒng)的焊接方式需要將鋁合金表面的氧化膜去掉，但是攪拌焊接只需要將被焊物體表面的油污去掉即可，不僅可以有效降低能源的消耗，其污染性也相對(duì)較小，可以為汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化提供重要保障[8]。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及科技的發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，汽車(chē)的使用也越來(lái)越普遍，已經(jīng)成為人們出行的重要交通工具之一，但是由于我國(guó)能源相對(duì)短缺，并且為了與綠色、環(huán)保的戰(zhàn)略目標(biāo)相符合，給汽車(chē)生產(chǎn)帶來(lái)的新的挑戰(zhàn)，因此，需要合理的利用鋁合金材料，使汽車(chē)向著輕量化的方向發(fā)展，并且有效使用新型的焊接技術(shù)，最大程度的降低能源消耗，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化提供一定的技術(shù)保障。

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