1，在汽車工業(yè)發(fā)展過程中，車體結(jié)構(gòu)輕量化具有重要意義，在汽車制造過程中使用鋁材是獲得更為輕便的新型汽車的一個(gè)重要方法，并將因此而提高汽車的燃料效率及改善安全和動(dòng)力性能[1-4]：

（1）減少車體運(yùn)行阻力；

（2）降低車體牽引功率；

（3）改善環(huán)保、減少振動(dòng)、降低噪聲。

在各種車體輕量化過程中，焊接是機(jī)械制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其在汽車工業(yè)中，車身大量采用高比強(qiáng)的鋁合金材料，而車機(jī)架多采用鋼，鋼與鋁的異質(zhì)材料連接對(duì)焊接技術(shù)要求很高，目前用于車體的鋁合金與鋼的連接工藝中，還主要采用鉚接的方法；同時(shí)由于焊接智能化程度較低，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定，在焊接工序后專門安排人工補(bǔ)焊工位，浪費(fèi)了人力物力。因此，隨著高質(zhì)量汽車節(jié)能降耗的要求日益提高以及城市城際軌道交通的大發(fā)展的特定要求，鋼/鋁合金異質(zhì)焊接指向產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。探索合理的焊接方法、焊接工裝、焊接材料以及合適的焊接工藝成為汽車工業(yè)節(jié)能型車體焊接技術(shù)研究的重點(diǎn)。

2，鋼/鋁合金異質(zhì)焊接研究現(xiàn)狀

鋁合金與鋼的物理性能差異較大，以7075A 鋁合金和鋼為例，在鋁合金/鋼異質(zhì)焊接過程中，由于熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等差異較大，焊接過程中存在氣孔、夾雜等多種問題。上海地鐵明珠線二期采用鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)，軌道交通9 號(hào)線則進(jìn)一步采用鋼/鋁鉚接車體結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外，各大汽車廠商也在鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)、甚至是鎂合金車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究。因此，在車體焊接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，鋁合金/鋼引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的極大關(guān)注。

2.1 目前主要的焊接方法

針對(duì)鋁合金/鋼連接的焊接技術(shù)主要的包括，電阻焊接、激光焊接、儲(chǔ)能焊接、攪拌摩擦焊接等方法[1-2]。在鋁合金智能化控制的研究方面，陳善本教授等；

[3]針對(duì)箭體結(jié)構(gòu)的智能化焊接進(jìn)行了研究，目前已經(jīng)用于上海某航空航天研究所某型火箭的箭體焊接制造。林忠欽教授等；

[4]也對(duì)轎車車身制造質(zhì)量控制技術(shù)、車身輕量化技術(shù)等進(jìn)行了廣泛的研究。張繼誠(chéng)等；

[5]研究了雙相鋼焊接的組織性能變化，M. Geiger 等；

[6]利用攪拌摩擦焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)DC04 鋼與AA518鋁合金、AA6061 鋁合金的焊接。G. Sierra 等；

[7]開發(fā)了一種新的焊接鍍鋅鋼板(DC04)和鋁合金(6016T4)的技術(shù)，反應(yīng)生成的界面中間層如圖1 所示。

該技術(shù)利用激光和氬弧在固相鋼和液相鋁合金之間實(shí)現(xiàn)了連接。通過激光焊實(shí)現(xiàn)鋁合金的熔化，而后通過氬弧焊接對(duì)鋼進(jìn)行加熱從而誘導(dǎo)鋼鋁連接。由于界面反應(yīng)而形成2-40μm 的反應(yīng)層，連接強(qiáng)度能夠達(dá)250N/mm。失效測(cè)試結(jié)果表明，失效發(fā)生在鋁合金一側(cè)熔合區(qū)或者鋼一側(cè)的反應(yīng)層。Y.C. Chen 等[8]針對(duì)3mmAC4C 鋁合金與1mm 的鍍鋅鋼板搭接焊接結(jié)構(gòu)，利用攪拌摩擦焊方法，分析了界面的組織分布特征，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面形成FexAly 等金屬間化合物。Mustafa 等[9]利用爆炸焊接方法，實(shí)現(xiàn)了鋁合金與低合金高強(qiáng)鋼或雙相鋼的焊接。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)界面的反應(yīng)層較薄，雙相鋼焊接接頭優(yōu)于低合金高強(qiáng)鋼的焊接接頭。Mohamad Noh 等[10]利用攪拌摩擦焊接方法，在較低轉(zhuǎn)速的條件下，實(shí)現(xiàn)中溫鋼和鋁合金的焊接。在摩擦?xí)r間為6s 時(shí)，中間層厚度達(dá)到480μm，摩擦?xí)r間為20s 時(shí)，中間層厚度達(dá)到196μm。通過控制摩擦焊接時(shí)間，能夠控制中間反應(yīng)層的厚度。

Ranfeng Qiu 等[11]利用電阻點(diǎn)焊技術(shù)對(duì)A5052 鋁合金和冷軋鋼、SUS304 不銹鋼連接進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，界面反應(yīng)層的分布對(duì)屈服強(qiáng)度影響較大。L. Tricarico 等[12]研究了Fe/Al爆炸焊接接頭，針對(duì)AA1050/ASTMA516 鋼的連接問題，采用爆炸焊接方法獲得過渡焊接接頭。S.D. Kore 等[13]利用電磁沖擊焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金與不銹鋼的焊接。4.09KJ 的能量作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)0.25mm 厚的鋁合金與1mm 厚不銹鋼的焊接。針對(duì)超薄的鋁鋼焊接，H.T. Zhang等[14]利用冷金屬過渡技術(shù)僅需要熔化金屬表面的鋅層即可實(shí)現(xiàn)超薄鋁鋼焊接，最小可達(dá)到0.3mm 厚度，其焊接接頭斷裂位置如圖2 所示。M. Benachour 等[15]研究了雙絲焊接條件下的焊縫失效條件下的裂紋長(zhǎng)大現(xiàn)象。針對(duì)鋁合金/鋼焊縫界面的中間層，Kwang Lee[16]等利用透射電鏡在界面中間層區(qū)域發(fā)現(xiàn)了100nm 大/小的鋁合金微粒子以及彌散分布的金屬間化合物。接近于焊縫位置的A6111 基體也表現(xiàn)了微細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。獲得了SPCC/A6111 鋁合金電磁壓力縫焊搭接接頭。

        此外，針對(duì)激光焊接、激光釬焊、攪拌摩擦焊、冷金屬過渡技術(shù)、電阻點(diǎn)焊鋁/鋼焊縫碳遷移、焊縫變形、焊接應(yīng)力、疲勞等進(jìn)行了模擬分析[17-26]，如圖3 所示。

在工業(yè)中，鋁合金/鋼焊接接頭已有應(yīng)用。如在造船行業(yè)，鋁合金/鋼過渡接頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用于豪華游輪的建造中，首先在鋼甲板上焊鋼質(zhì)圍欄，然后將鋁上層建筑焊接在鋼質(zhì)圍欄上，這就完成了鋁上層建筑與鋼船體的連接[2]。在汽車工業(yè)中，車身的鋁合金/鋁合金焊接接頭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化焊接，但由于車體型材較薄，鋁合金/鋼過渡接頭制備技術(shù)還不成熟，目前大部分采用鉚接技術(shù)。國(guó)內(nèi)某汽車公司開發(fā)了一項(xiàng)利用點(diǎn)焊焊接鋼和鋁異種材料的技術(shù)，并將這一技術(shù)應(yīng)用于最新的馬自達(dá)MX-5 跑車，這種焊接技術(shù)適用于制備形狀難以改變的合金材料，如鋁鑄件和高強(qiáng)度不銹鋼等。

2.2 電阻點(diǎn)焊技術(shù)在車身材料焊接中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)汽車外殼材料的性能提出了更高的要求，并促進(jìn)了產(chǎn)品用材的更新?lián)Q代。如為了改善汽車外殼的抗腐蝕性能，提高汽車的使用壽命，在汽車車身制造中大量采用鍍鋅鋼板代替普通冷軋鋼板；為了減輕車身總體重量，節(jié)省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金或鎂合金車身的汽車。由于在汽車車身等薄板結(jié)構(gòu)的裝配制造中，大量采用電阻點(diǎn)焊方法，為保證焊接質(zhì)量，研究鋁合金、鍍鋅鋼板高強(qiáng)鋼等新材料的電阻點(diǎn)焊性能已成了非常迫切的任務(wù)，近年來，各國(guó)焊接工作者就此方面做了大量的理論及實(shí)際研究工作，并取得了一定的成績(jī)[27]。電阻焊(resistance welding)是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種方法。鋁合金熔點(diǎn)低、屈服強(qiáng)度低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點(diǎn)，給電阻點(diǎn)焊帶來了很大的困難，在鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究方面，美國(guó)沃特盧大學(xué)的Lum, L 研究了5182 鋁合金電阻點(diǎn)焊電極壽命中，研究表明：從電極衰退到最終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑四個(gè)階段，蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化。

電阻焊接被認(rèn)為是進(jìn)行鋁制車身裝配過程中所采用的一種最簡(jiǎn)便快捷的焊接技術(shù)。目前，汽車用高強(qiáng)鋼板電阻焊、鋁合金電阻焊已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化階段，目前各國(guó)焊接學(xué)家對(duì)高強(qiáng)鋼電阻焊的研究主要集中在各種高強(qiáng)鋼的可焊性、焊接規(guī)范參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)組織性能的影響、焊接程序和工藝的優(yōu)化等方面。

3．鋼/鋁焊接技術(shù)的應(yīng)用及探討

3.1 產(chǎn)品背景：

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)及鐵路機(jī)車的迅速發(fā)展，車用鋁合金零件的應(yīng)用正越來越廣泛。高強(qiáng)度鋁合金零件在很多場(chǎng)合可替代鋼制零件，為降低能耗和提高性能，以擴(kuò)大鋁合金在汽車上的用量實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化是當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)也因此對(duì)傳統(tǒng)的制造技術(shù)提出了新的要求。所涉及的內(nèi)容包括，車體材料高強(qiáng)度鋁合金與車底鋼質(zhì)材料的焊接技術(shù)以及基于鋁合金/鋼焊縫的質(zhì)量保障保障系統(tǒng)。

車體、框架、底架通常用Al- Mg-Si 系高強(qiáng)度6005A 鋁合金、Al- Zn-Si 系7075 高強(qiáng)度鋁合金（抗拉強(qiáng)度在570Mpa 以上）等；車底為鋼質(zhì)材料，其工藝特點(diǎn)主要為：

（a） 淬火條件下強(qiáng)度高、塑性差、焊接性很差、裂紋敏感性強(qiáng)；

（b） 焊接時(shí)焊縫及近縫區(qū)晶界液化嚴(yán)重；

（c） 材料的焊接對(duì)氣孔尤其是氫氣孔的敏感性強(qiáng)。

3.2 存在問題：

目前國(guó)內(nèi)車體鋁合金/鋼連接處于研發(fā)狀態(tài)的主要采用電阻焊接、電弧焊接以及激光焊接技術(shù)，但是，在車體、框架、底架與車底材料之間的連接方面，還主要采用鉚接工藝，這是因?yàn)楹附淤|(zhì)量不穩(wěn)定，焊接一次合格率低。

目前車體焊接結(jié)構(gòu)連接問題可以歸納為：

（1） 鉚接工藝，耗費(fèi)大量材料的同時(shí)，也難以滿足現(xiàn)場(chǎng)和焊接質(zhì)量要求；

（2）由于焊接工藝變化范圍大，焊后變形復(fù)雜，難以精確控制，由于局部焊接變形導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形，導(dǎo)致無法進(jìn)行熱加工連接產(chǎn)品。

3.3 發(fā)展需求：

鋁合金的生產(chǎn)制造工藝已經(jīng)成熟，目前針對(duì)汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及造船工藝的大型鋁型材已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化階段，在國(guó)內(nèi)外節(jié)能降耗大趨勢(shì)的背景下，汽車、列車輕量化幾乎成為必然趨勢(shì)，車體鋼/鋁結(jié)構(gòu)一體化趨勢(shì)尤為明顯，目前，在車體與底座的連接中，使用大量的鉚接材料，車身重量大大增加。從車體焊接技術(shù)開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)來看，有兩方面的需求：

（1）新型的焊接技術(shù)，解決目前車體結(jié)構(gòu)與底座的連接問題，實(shí)現(xiàn)整車的輕量化為高速列車耗能降低提供技術(shù)支持。

（2）迫切要求采用先進(jìn)、高效的焊接自動(dòng)化生產(chǎn)方式。車體的可靠性與
產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，尤其是近年對(duì)焊接質(zhì)量頒布的多項(xiàng)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，迫切要求對(duì)車體結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量建立可靠的質(zhì)量保障體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的科學(xué)、嚴(yán)格、系統(tǒng)的控制。因此，開展此項(xiàng)研究對(duì)推動(dòng)焊接技術(shù)在車體輕量化領(lǐng)域中應(yīng)用以及提高軌道交通、高速鐵路焊接制造現(xiàn)代化水平具有重要意義。

．結(jié)論

綜合了國(guó)內(nèi)外的鋼/鋁焊接技術(shù)研究進(jìn)展現(xiàn)狀，可見汽車車身鋼鋁結(jié)構(gòu)一體化已經(jīng)取得了非常重要的進(jìn)展。但是，各種不同材料的力學(xué)性能、連接技術(shù)以及形成規(guī)律的研究還不完善，當(dāng)前鋼鋁結(jié)構(gòu)一體化的研究工作迫切需要圍繞如下方面展開：

(1) 開展鋼鋁結(jié)構(gòu)一體化汽車零部件關(guān)鍵技術(shù)研究，包括鋼/鋁焊縫成形、鋼/鋁焊接接頭的力學(xué)性能、耐蝕性能。

(2) 深入研究鋼/鋁焊縫界面微觀條件下的成形機(jī)理，包括元素?cái)U(kuò)散與力學(xué)性能之間的關(guān)系等。