崔厚學(xué)，鄒恒琪，劉昌雄

(東風(fēng)汽車有限公司 制造規(guī)劃總部，湖北 武漢 430056)

1 中國汽車工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望

2008年底席卷全球的金融危機(jī)嚴(yán)重侵蝕了世界實(shí)體經(jīng)濟(jì)，以美、日、西歐為代表的傳統(tǒng)汽車市場(chǎng)連連下挫。中國車市彰顯一枝獨(dú)秀，得益于國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和國家應(yīng)對(duì)危機(jī)的政策措施，中國汽車產(chǎn)銷量持續(xù)增長，中國已成為世界汽車的生產(chǎn)和銷售大國，世界汽車的發(fā)展變化如圖1所示。

2 鋁合金車身的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望

由于中國汽車市場(chǎng)經(jīng)由孕育、導(dǎo)入期逐步向普及、成熟期發(fā)展，中國汽車產(chǎn)銷量在可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)將持續(xù)穩(wěn)定增長。2000年中國汽車產(chǎn)銷量207萬輛，2010年達(dá)1800萬輛，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)2200~2 500萬輛。

圖1 世界汽車的發(fā)展變化（2001～2009銷量）

目前世界46%的石油為汽車所消耗，2020年預(yù)計(jì)將達(dá)62%，能源危機(jī)已成為世界發(fā)展的嚴(yán)重制約和不安定因素。與此同時(shí)，汽車鋁材需求量不斷增加。單車用鋁量：德國、日本146 kg/輛，美國154 kg/輛，中國127.5 kg/輛。

鋁合金的重要特點(diǎn)是密度小，比剛度、比強(qiáng)度高，抗沖擊性高，抗腐蝕性好，散熱性好。研究表明：?jiǎn)诬嚋p重1%，燃油將降耗0.6%～10%；同時(shí)車身減重40%，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高40%。鋁合金車身已成為轎車制造行業(yè)一個(gè)主要發(fā)展方向。德國Audi A8和東風(fēng)品牌鋁車身如圖2、圖3所示。

圖2 德國Audi A8全鋁車身

圖3 東風(fēng)品牌鋁車身

2 鋁合金車身的焊接技術(shù)

2.1 鋁合金車身可焊性分析

鋁合金車身是由鋁合金壓鑄件、鋁合金擠壓型材和鋁合金沖壓覆蓋件通過各種連接技術(shù)制成的。MIG焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊、鉚接等技術(shù)已開始應(yīng)用于鋁合金車身連接。

鋁合金車身制造給焊接技術(shù)和工藝帶來了很大的挑戰(zhàn)。目前，鋁合金的焊接主要存在以下問題：

（1）鋁合金焊接后將帶來焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的強(qiáng)度損失。厚板焊接由于溫度梯度大，一般都能保證焊縫強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的70%，但3 mm以下薄板時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金焊接，焊縫強(qiáng)度一般低于60%。

（2）焊接環(huán)境要求高，運(yùn)行成本高。鋁合金焊接受溫度和濕度的影響非常大，這兩種因素常導(dǎo)致嚴(yán)重的焊接問題，因此，焊接場(chǎng)地要保證溫度和濕度符合要求。

（3）焊接變形傾向明顯。由于鋁合金的熱膨脹系數(shù)大，彈性模量只有鋼的1/3，同時(shí)由于期熱傳導(dǎo)系數(shù)大，焊接時(shí)往往需要更大的線能量。因此，與鋼相比，鋁合金的焊接變形傾向更明顯。

粗糙集理論[9]是由波蘭數(shù)學(xué)家Pawlak.Z于1982年提出的，對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)、信息約簡(jiǎn)、處理不確定信息方面有一定的優(yōu)勢(shì)，其主要觀點(diǎn)是保持分類能力不變的前提下，消除不相關(guān)和不重要的信息，得到事件的分類規(guī)則和決策規(guī)則。

（4）焊接接頭質(zhì)量控制。廣義上焊接質(zhì)量不僅僅是焊接接頭質(zhì)量的好與壞，而且包括焊接材料與母材的匹配性、耐環(huán)境能力、力學(xué)性能、抗失效性能、疲勞性能等都是焊接質(zhì)量控制的概念。由于鋁合金具有強(qiáng)氧化性線，膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，因此極易產(chǎn)生氣孔、裂紋咬邊、夾渣合金元素?zé)龘p、耐蝕性下降等焊接缺欠。由于我國還沒有系統(tǒng)地對(duì)鋁合金材料、焊接材料、接頭時(shí)效性進(jìn)行系統(tǒng)研究，各種計(jì)算完全忽略了焊接接頭性能，所以焊接的風(fēng)險(xiǎn)是存在的。

（5）焊接培訓(xùn)成本高，勞動(dòng)力資源短缺。鋁合金相比黑色金屬焊接來說，培訓(xùn)周期長，培訓(xùn)材料昂貴。

（6）環(huán)境污染問題嚴(yán)重。鋁合金焊接煙塵對(duì)勞動(dòng)者的健康危害很大，雖然采取勞動(dòng)者的臨近保護(hù)措施，但大環(huán)境仍不能完全消除這種危害。

3.2 鋁合金車身的焊接技術(shù)

綜合鋁合金焊接的特點(diǎn)及車身焊接的成本等因素，MIG焊和攪拌摩擦（點(diǎn)）焊是較為適宜的鋁合金車身焊接技術(shù)。

3.2.1 鋁合金車身MIG焊

MIG焊起源于美國，1948年被首次應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。它具有焊接電弧穩(wěn)定；焊縫成形均勻、美觀；電弧氣氛的氧化性很弱，甚至無氧化性，可以焊接許多活潑金屬及其合金；焊接效率高等特點(diǎn)。在寶馬公司BMW-5鋁車體中，Audi-A8鋁門、鋁車體焊接中就大量采用MIG焊（見圖4）。德國、日本研究了鋁鋼薄板異種金屬的MIG釬焊工藝，并應(yīng)用于汽車行業(yè)。德國奧迪、美國福特公司、英國美洲豹汽車公司使用MIG電弧釬焊焊接車身及構(gòu)件。奧地利Fronius公司成功開發(fā)了單槍焊絲MIG焊技術(shù)，該技術(shù)焊接效率高，焊接變形小，焊槍小巧可達(dá)焊接任何位置。同時(shí)，在傳統(tǒng)MIG焊技術(shù)基礎(chǔ)上，各國焊接研究者不斷研究和探索MIG焊，出現(xiàn)了脈沖MIG焊、雙絲MIG焊和復(fù)合熱源MIG焊等各種新型MIG焊接工藝，焊接質(zhì)量控制和自動(dòng)化水平也在不斷提高。

攪拌摩擦焊技術(shù)是20世紀(jì)90年代由英國焊接研究所發(fā)明。攪拌摩擦焊依靠攪拌頭的機(jī)械摩擦作用實(shí)現(xiàn)接頭連接，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)作用與焊接母材的轉(zhuǎn)移過渡形成動(dòng)態(tài)平衡，焊接溫度低于材料熔點(diǎn)，屬于固態(tài)連接方法。攪拌摩擦焊熱輸入少，溫度低，材料不發(fā)生熔化，接頭變形小，熱影響區(qū)窄，無凝固裂紋、氣孔等缺陷，焊接質(zhì)量好，焊接接頭外觀平整，性能優(yōu)良，焊后殘余應(yīng)力小，無需焊絲，不需氣體保護(hù)，無飛濺，無輻射，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的新型焊接方法，非常適用于鋁合金車身的焊接。

圖4 大眾汽車Phaeton前門（48處激光-MIG焊道）

隨著鋁合金應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)在航天、船舶、交通運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備等領(lǐng)域也得到了極大的應(yīng)用。如挪威MARINE公司應(yīng)用于艦船鋁合金甲板、側(cè)板等流水線結(jié)構(gòu)件的焊接；日本HITACHI公司用于列車車體鋁合金大壁板的快速低成本制造；麥道公司用于火箭、飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料儲(chǔ)箱；波音公司的DELTAⅡ型和W型火箭已全部實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊制造；大眾公司等應(yīng)用于汽車懸架、輕合金車輪、鋁合金車身等汽車部件的焊接；歐洲空客公司開始將攪拌摩擦焊方法應(yīng)用于A350等大型民用飛機(jī)的制造。

攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）可分為直插式攪拌摩擦點(diǎn)焊（日本Mazda汽車公司于1993年發(fā)明）和填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊（德國GKSS研究中心于1999年發(fā)明）。

與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊等連接技術(shù)比較，攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）具有以下優(yōu)點(diǎn)：缺陷少、變形小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定；節(jié)省能源、降低成本；工藝過程簡(jiǎn)單易行；連攪拌頭工作壽命長；工作環(huán)境清潔。

日本Mazda公司在攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)研究開發(fā)方面處于世界前列。2003年該公司已經(jīng)將FSSW技術(shù)用于RX-8發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門的生產(chǎn)；后又與日本川崎重工合作，研制了固定式攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備（見圖5）和與機(jī)器人結(jié)合的攪拌摩擦點(diǎn)焊焊槍機(jī)構(gòu)。2005年，Mazda公司又將FSSW技術(shù)用于鋼和鋁合金構(gòu)建的連接。2005年1月，美國Feng等人報(bào)道了采用FSSW技術(shù)進(jìn)行高強(qiáng)度鋼薄板焊接可行性的研究結(jié)果，采用帶有退出孔的攪拌摩擦點(diǎn)焊方法對(duì)600 MPa的雙相鋼和1 310 MPa的馬氏體鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在2～3 s的焊接時(shí)間內(nèi)可獲得固態(tài)冶金連接，其結(jié)果為充分利用高強(qiáng)度鋼車體材料的優(yōu)勢(shì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

圖5 攪拌摩擦點(diǎn)焊接設(shè)備

3.3 國內(nèi)現(xiàn)有工作基礎(chǔ)及發(fā)展方向

國內(nèi)一些大學(xué)和研究所在鋁合金焊接性、焊接材料、焊接工藝以及工業(yè)自動(dòng)化方面做了許多基礎(chǔ)研究，對(duì)推動(dòng)汽車中的鋁合金關(guān)鍵焊接技術(shù)做了很好的準(zhǔn)備。如蘭州理工大學(xué)在鋁合金MIG熔池圖像形態(tài)學(xué)處理、視覺傳感、焊接熔寬控制系統(tǒng)上開展了研究。上海航天制造設(shè)備總廠研制了FSSW-SK-002、003、004攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備。

國內(nèi)鋁合金車身焊接的主要方向是：

（1）建立鋁合金車身焊裝線，至少應(yīng)具備年產(chǎn)3萬臺(tái)整車的生產(chǎn)能力；同時(shí)開發(fā)單排和雙排車共線的柔性焊裝線，能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金車身焊接自動(dòng)補(bǔ)償和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種以上車型的混線切換，并保證骨骼精度合格率大于等于90%，車身配合精度大于等于85%，弧光煙塵符合國標(biāo)控制，符合操作人員電磁健康要求；同時(shí)建立焊接工藝數(shù)據(jù)庫，形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。按照精益生產(chǎn)和節(jié)拍平衡原則，合理布置全鋁車身焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線。

（2）試驗(yàn)并完成全鋁車身MIG焊的自動(dòng)跟蹤控制設(shè)備，建立鋁合金焊接變形的夾具控制系統(tǒng)，搭建鋁合金車身的全息檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)部件的材料、形狀和強(qiáng)度要求，結(jié)合數(shù)值分析技術(shù)，制定合理的焊接工藝和規(guī)范并形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：包括MIG焊焊接電流、電壓、焊接速度、焊接道次、接頭形式、保護(hù)氣氛、焊絲種類及焊絲直徑。

（3）根據(jù)各個(gè)部件精度要求，利用數(shù)值模擬技術(shù)建立車身中鋁合金焊接接頭的焊接變形數(shù)據(jù)庫，并據(jù)此合理設(shè)計(jì)車身焊接工裝夾具、檢具，控制焊接變形。

（4）將弧焊機(jī)器人系統(tǒng)及機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備引入全鋁車身焊接生產(chǎn)線，開發(fā)焊接自適應(yīng)及質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。

（5）將攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備批量裝備于車身焊接線中，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的突破；形成達(dá)到國際品質(zhì)的鋁合金焊接示范工程。FSSW接頭結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)位置布置、攪拌頭幾何形狀、攪拌針伸出長度、攪拌停留時(shí)間、回壓距離、旋轉(zhuǎn)速度等；研究并試制完成國產(chǎn)化的FSSW焊接設(shè)備（焊針壽命大于2 000件），達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

鋁合金車身焊接的人機(jī)控制環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線如圖6所示。

圖5 鋁合金車身焊接的人機(jī)控制環(huán)境和系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線