新能源汽車輕量化領域鋁合金焊接技術研究綜述

汽車工業(yè)幾十年的高速發(fā)展所帶來的能源消耗和環(huán)境污染的問題日益突出，已經(jīng)成為全球汽車工業(yè)亟需著手解決的時代命題。大力發(fā)展新能源汽車是應對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展危機的有效方案，也是實現(xiàn)我國“雙碳”目標的重要舉措。但新能源汽車的發(fā)展，目前仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中續(xù)航焦慮是新能源汽車推廣的最大障礙。而新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車結構的不同，車身更重。在此背景下，新能源汽車的輕量化需求相比傳統(tǒng)燃油車更加迫切。在當前汽車輕量化的手段中，最行之有效的是材料的輕量化。鋁合金材料作為一種性能優(yōu)異的輕合金材料，廣泛應用于汽車的輕量化領域。因此，深入研究鋁合金焊接技術，進而提升鋁合金材料焊接質(zhì)量，對新能源汽車輕量化的發(fā)展具有重要促進意義。1、新能源汽車輕量化的戰(zhàn)略意義

1.1新能源汽車的輕量化對提升新能源汽車的續(xù)航里程具有重要意義為響應我國的“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略，作為我國能源消耗大戶的汽車行業(yè)，肩負著低碳排放的歷史使命，責任重大。對此，近年我國大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，出臺多項政策刺激和引導新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在多方的共同努力下，新能源汽車逐漸被廣大消費者接受與青睞，近年在國內(nèi)汽車消費市場的滲透率逐年提升。具中國汽車工程學會預測，到２０３５年中國汽車市場的大部分份額將被新能源汽車占據(jù)，且純電動汽車將成為新能源汽車的絕對主力。對于純電動汽車而言，因受制于目前電池技術，整車整備質(zhì)量相較于傳統(tǒng)燃油車反而顯著增加，增量達１５％－４０％。整車的輕量化對提升續(xù)航里程有著非常顯著的作用。據(jù)統(tǒng)計，在純電動汽車的動力電池重量不變的前提下，整車整備質(zhì)量每減輕１００公斤，續(xù)航里程可以增加１２－１３公里。

1.2汽車的輕量化是汽車發(fā)展的三大趨勢之一，推進新能源汽車的輕量化將助力提升我國的汽車產(chǎn)品的競爭力汽車的輕量化除了可以顯著降低能量消耗，提升電動汽車的續(xù)航里程外，對提升車輛的加速性能、操作穩(wěn)定性、制動性能、行車噪音、行駛平順性等也都有明顯的助益。因此，順應汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，通過合理的輕量化材料的運用和結構設計，提升新能源汽車的輕量化水平，不僅可以提升汽車的各項性能指標，還可以有效控制汽車的生產(chǎn)成本，提高市場競爭力。

1.3

汽車產(chǎn)業(yè)作為一個產(chǎn)業(yè)鏈比較長的產(chǎn)業(yè)，新能源汽車的輕量化的發(fā)展可以帶動產(chǎn)業(yè)上下游相關領域的轉型升級汽車的輕量化涉及汽車生產(chǎn)、維修、回收等多個相關產(chǎn)業(yè)。汽車輕量化的快速發(fā)展必然會刺激汽車輕量化材料的研發(fā)和革新，對多材料混合運用技術如焊接、鉚接等的發(fā)展也將有直接的強勁推動作用，對汽車的生產(chǎn)裝備也會提出更高的要求。近年新能源汽車技術飛速發(fā)展，技術越來越成熟，與之配套的充電等社會公共設施也越來越健全，再加上新能源汽車因相較于傳統(tǒng)燃油車更低的用車成本等優(yōu)勢，使新能源車越來越受到消費者的喜愛。新能源汽車的銷量開始井噴式增長，在此背景下，新能源汽車輕量化旺盛的需求對汽車產(chǎn)業(yè)上下游相關領域轉型升級的推動作用越來越強勁。2、鋁合金在新能源汽車輕量化領域應用的優(yōu)勢使用先進的制造工藝、對結構進行優(yōu)化設計和應用輕量化的材料是目前汽車輕量化的三大技術手段。其中輕量化材料的運用是最直接、最有效的方式。相比其他工程材料，鋁合金材料因具備諸多優(yōu)勢，因此一開始便便到了汽車工程師的青睞。具體而言，鋁合金在新能源汽車的輕量化領域具有一下優(yōu)勢：（１）鋁合金材料可以廣泛應用于新能源汽車的輕量化領域。鋁合金具有較高的比強度和優(yōu)良的加工成形性，可以應用于制造汽車的各種部件和零件。鋁合金材料可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類型。其中，熱交換器系統(tǒng)部件、車身骨架、車門等可以應用變形鋁合金制造；而加速踏板、車輪、方向盤、電機外殼等可以應用鑄造鋁合金生產(chǎn)。因鋁合金的優(yōu)良性能，使鋁合金在當前以及今后一段時期內(nèi)都將是新能源汽車輕量化的主要選材。（２）鋁合金材料的廣泛應用從某種程度上可以降低新能源汽車的生產(chǎn)制造成本。鋁礦在地球上的儲存量非常大，因此鋁合金材料相較于鎂合金材料、碳纖維材料等成本更低，此外鋁合金具有良好的耐蝕性，且熔點低，可以實現(xiàn)非常高的回收利用率，可以實現(xiàn)新能源汽車生產(chǎn)材料的循環(huán)利用。（３）鋁合金材料相較于其他汽車輕量化材料減重潛力更大。當前主流的汽車輕量化材料有鋁合金、高強度鋼、鎂合金、碳纖維材料等。但其中鎂合金和碳纖維材料因價格、加工工藝等因素的制約，目前使用的并不多。而鋁合金材料相較與高強度鋼，比強度高，密度較小，減重潛力更大。（４）鋁合金材料制造工藝成熟，除鑄造等成型工藝外，還發(fā)展出了焊接、鉚接、螺接等多種連接方式。這些工藝目前都有成熟的在新能源汽車的生產(chǎn)制造過程中運用。因此，鋁合金材料在眾多汽車輕量化材料中脫穎而出，漸漸成為了汽車輕量化的主流材料。3、新能源汽車輕量化領域鋁合金材料焊接研究現(xiàn)狀鋁合金在新能源汽車的輕量化中有著舉足輕重的作用，但在生產(chǎn)和使用過程仍面臨生產(chǎn)工藝、安全等挑戰(zhàn)。汽車生產(chǎn)制造過程中各零部件的連接方式有焊接、鉚接、螺接等，其中焊接因工藝簡單、性價比高、性能優(yōu)越以及方便自動化流水作業(yè)等優(yōu)點，是當前汽車零部件連接采取的主要工藝方式。隨著新能源汽車輕量化需求的日益旺盛，鋁合金在新能源汽車的生產(chǎn)制造過程中的應用會越來越多。但要提高鋁合金材料在新能源汽車生產(chǎn)制造中的運用量，就不得不對鋁合金的焊接工藝進行更深入的研究，提高鋁合金焊接的質(zhì)量和效率，并有效降低成本。焊接作為一種成熟的連接方式，目前已經(jīng)發(fā)展出多種技術路線，其中廣泛應用于汽車生產(chǎn)制造中的有有激光焊接、非熔化極惰性氣體保護電弧焊（ＴＩＧ焊）、熔化極惰性氣體保護焊（ＭＩＧ焊）、攪拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等。

3.1新能源汽車領域鋁合金激光焊接激光焊接在汽車生產(chǎn)制造過程中應用很廣泛，具有焊接效率高，焊接變形小，焊接能量密度高的技術特點。在新能源汽車領域目前針對鋁合金的激光焊接，國內(nèi)外專家學者的研究主要聚焦在兩個方向：一個方向是激光焊接工藝對鋁合金焊接接頭性能影響，如激光焊接工藝對鋁合金焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能研究、接頭的組織及性能研究等。另外一個方向是鋁合金激光焊接過程中的缺陷，如鋁合金激光焊接頭顯微組織的研究、鋁合金激光焊接接頭氣孔、裂紋、變形的預測研究等。在國內(nèi)外專家學者的共同努力下，鋁合金材料激光焊接工藝得到了不斷地改善，焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能得到了較大幅度的提升，焊接接頭的缺陷率也得到了很好的控制，能較好的滿足新能源汽車生產(chǎn)制造的工藝需求。此外，信息技術的快速迭代助推了工業(yè)機器人的快速發(fā)展，以視覺系統(tǒng)、機器人技術以及信息技術加持的遠程激光焊接技術也在快速的發(fā)展。新能源汽車生產(chǎn)過程的鋁合金材料激光焊接技術的自動化、智能化程度越來越高。

3.2新能源汽車領域鋁合金非熔化極惰性氣體保護電弧焊（ＴＩＧ焊）非熔化極惰性氣體保護電弧焊非常適用與薄板鋁合金材料的焊接，技術也很成熟。采用ＴＩＧ焊接方法焊接鋁合金不僅可以獲得美觀的連續(xù)魚鱗狀焊縫，還能自動同步清除鋁合金焊接件表面的氧化膜，進而改善鋁合金焊接接頭的質(zhì)量。但是，ＴＩＧ焊接有著天然的自身缺陷，它的鎢電極承載電流的能力有限，當有承載大電流時，容易被熔化和蒸發(fā)，由此產(chǎn)生的鎢電極微粒，也有掉入焊接熔池影響焊接質(zhì)量的可能。除此之外，生產(chǎn)效率低、熔深淺、熔敷速度小等不能滿足高效高質(zhì)量的焊接要求的缺陷，也限制了ＴＩＧ焊接方法在新能源汽車領域的應用。為了適應新能源汽車工業(yè)快速發(fā)展對于鋁合金焊接高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)要求，近年不少學者對ＴＩＧ焊接進行了改進研究，成功研發(fā)出了雙槍ＴＩＧ焊、熱絲ＴＩＧ焊、Ａ－ＴＩＧ焊等焊接方法。雙槍ＴＩＧ焊焊接電弧集中，相比如傳統(tǒng)ＴＩＧ焊熔深得到明顯增加，改變了傳統(tǒng)ＴＩＧ不太適用于鋁合金厚板材焊接的境況，而且在即使沒有焊絲的情況下也能照常進行有效的焊接。熱絲ＴＩＧ焊攻克了傳統(tǒng)ＴＩＧ焊焊接效率不高的弊端，焊接速度在傳統(tǒng)ＴＩＧ焊的基礎上提高了一倍以上，而且焊接電弧穩(wěn)定，沒有較大波動，確保了鋁合金焊接接頭優(yōu)良的性能，以及良好的焊接成形外觀。而Ａ－ＴＩＧ焊則在焊接質(zhì)量上進行了改善和提升，在相同的焊接速度下，Ａ－ＴＩＧ焊相較于傳統(tǒng)ＴＩＧ焊可以采用更小的焊接電流，進而可以減少鋁合金在焊接過程中的熱變形，與此同時為增加鋁合金焊接件的焊縫力學性能，Ａ－ＴＩＧ焊還改變了活性劑的組成，使鋁合金焊接接頭的組織性能得到提升。

3.3新能源汽車領域鋁合金熔化極惰性氣體保護焊（ＭＩＧ焊）得益于國內(nèi)外專家學者的持續(xù)關注和深入研究，鋁合金焊接技術得到不斷提升，焊接方式也日益豐富成熟。在當前眾多鋁合金焊接技術中應用最廣泛的是熔化極惰性氣體保護電弧焊（ＭＩＧ焊）。采用ＭＩＧ焊焊接鋁合金可以獲得非常優(yōu)質(zhì)的焊接構件，因此在工程應用中ＭＩＧ焊很受工程師們的青睞。同時，ＭＩＧ焊也是專家學者們研究的焦點，近年研發(fā)出了不少鋁合金ＭＩＧ焊新工藝。雙脈沖ＭＩＧ焊、雙極性脈沖ＭＩＧ焊以及ＣＭＴ焊便是鋁合金ＭＩＧ焊新工藝中應用頻率最高的。雙脈沖ＭＩＧ焊是通過改進優(yōu)化單脈沖焊接技術發(fā)展而來，具有可調(diào)參數(shù)多，可合理的控制輸入能量，以及可對焊接工藝參數(shù)進行靈活的匹配等優(yōu)點。使用雙脈沖ＭＩＧ焊焊接鋁合金材料可以獲得穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量的焊縫。在眾多工業(yè)領域廣泛應用的雙極性脈沖ＭＩＧ焊則結合了反向接法脈沖ＭＩＧ焊（ＥＮ極焊）和直流正向接法脈沖ＭＩＧ焊（ＥＰ極焊）。而作為短路過渡焊技術的ＣＭＴ焊在焊接過程中，可以對輸入的能量進行精確地控制，可以使熔池與焊絲快速分離，有效地減少飛濺。因具有以上優(yōu)點，ＣＭＴ焊特別適合于超薄板的焊接，可以獲得較高質(zhì)量水平的超薄板焊件。

3.4新能源汽車領域鋁合金攪拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）鋁合金攪拌摩擦焊經(jīng)過近３０年的發(fā)展，在厚鋁合金板材焊接方面有了重大突破，已經(jīng)可以高效率高質(zhì)量的焊接１．２至６毫米的厚鋁合金板材。鋁合金攪拌摩擦焊經(jīng)過幾十年的發(fā)展革新，也從單一能場焊接發(fā)展出了多種復合能場焊機方式。鋁合金攪拌摩擦焊的研究也吸引了國內(nèi)外學者的關注，其中攪拌摩擦焊焊接接頭的裝配方式和焊接工藝參數(shù)是當下研究的重點。其中，在接頭裝配方式的選擇上，有Ｔ型裝配、對接、對－搭接和搭接等。4、新能源汽車輕量化領域鋁合金材料焊接研究展望科技一般指科學技術。社會上習慣于把科學和技術連在一起，統(tǒng)稱為科學技術，簡稱科技。實際二者既有密切聯(lián)系，又有重要區(qū)別。實際二者既有密切聯(lián)系，又有重要區(qū)別?？茖W解決理論問題，技術解決實際問題。新能源汽車尤其是其中的純電動汽車，因電池技術的瓶頸和自身結構的特殊性，車輛的迫切需要輕量化，以期通過減少自身重量從而增加續(xù)航里程。鋁合金材料不僅性能優(yōu)異且可實現(xiàn)再生循環(huán)利用，因此在汽車輕量化材料中具有明顯的優(yōu)勢，越來越廣泛的應用于新能源