「連接技術」鋁點焊，想說愛你不容易

來自專欄汽車車身焊接

1.引言

1 汽車輕量化及鋁車身發展趨勢

隨著汽車保有量的持續增加，環保和節能減排問題尤為凸顯，汽車輕量化設計勢在必行。汽車輕量化是指在保持汽車原有的性能不受影響的前提下實現汽車重量的減輕。既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、操控性及舒適性，同時還需保證成本不會增加或少量增加。

目前，汽車輕量化主要可以通過結構優化、輕質材料的替代應用、製造成形工藝的升級以及先進連接技術的應用等四大途徑來實現，見圖1-1。

圖1-1 汽車輕量化途徑

在汽車的整備質量中，車身的重量佔了四分之一以上。現有汽車車身一般由金屬材料（主要為鋼板）經過衝壓、焊接等方式生產而成。在上述輕量化途徑中，輕質材料的替代使用是一種最直觀的方案，消費者可以看得見摸得著。比如你將汽車的前機蓋從鐵制換成了鋁製或碳纖維，顧客在開啟機蓋時就可以直觀體驗到。車身輕質材料的主要技術路徑包括超高強鋼（含熱成形）、鋁合金、複合材料玻纖碳纖等。寶馬等歐系車主要是採用碳纖維來替代，美系（如特斯拉、F150）應用最大的則是全鋁車身。圖1-2為寶馬新7繫上的碳纖維加強部件。

圖1-2 寶馬新7繫上的碳纖維

碳纖維複合材料密度小，強度高，是目前應用的輕質材料中減重效果最為顯著的，但其成本相對較高。所以，對於國內車型來說，車身的鋁合金化是材料替代途徑中最適合的方案，沒有之一。目前，蔚來汽車、愛馳汽車等造車新勢力也都在嘗試做全鋁車身。圖1-3為蔚來汽車車身鋁合金部件展示。

圖1-3 蔚來ES8車身

目前，鋁合金在國內汽車車身上的應用情況如下表1-1所示：

表1-1 鋁合金在國內汽車車身上的應用

2 鋁車身連接技術

根據輕量化車身材料及位置的不同，相應的連接技術也有所不同，目前比較常用的輕量化連接技術為激光焊接、自沖鉚、鋁點焊及粘接技術。各種連接技術的簡單示意和中英文簡稱如圖1-4所示。

圖1-4 輕量化連接技術

目前，幾種可用於鋁車身的先進連接技術的使用車企及區域如表1-2所示。

表1-2 鋁合金連接技術應用區域

2.鋁合金點焊

1 工藝簡介

點焊是將重合的金屬夾入相對於的金屬電極（焊嘴）上，再加上適當的壓力的同時，流過非常大的電流，使之發熱熔化，從而接合在一起的焊接。鋁點焊與鋼點焊一樣，應用的是焦耳原理。同樣，點焊的形成可以分為：預壓階段-通電加熱-鍛壓。圖2-1為鋁點焊的操作示意圖。

圖2-1 鋁點焊工藝步驟示意

圖2-2和2-3分別展示了兩種不同方案的鋁點焊連接外觀。

圖2-2 通用MRD電極鋁點焊外觀效果

圖2-3 伏能士電極帶式鋁點焊外觀效果

2 工藝特點

鋼與鋁的物理特性相差較大，具體如表2-1。

表2-1 鋼與鋁性能對比

由於鋁合金所具有的獨特性能，使其在焊接過程中有以下幾大特點：

• 極強的氧化能力（生成氣孔）

鋁合金與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧化合在其表面，行程緻密的、厚度約為0.1μm的氧化膜（Al2O3），其熔點極高（約2050℃）、密度大（3.95~4.10kg/m3），屬於難熔物質，焊接時會阻礙金屬之間的良好結合，導致未焊透「焊縫夾渣」不融合現象，且由於氧化膜吸附大量水分，容易使焊縫產生氣孔。

• 高的熱導率和導電性（焊透性）

鋁合金具有較大的熱導係數和比熱容，比熱容比鋼大2倍，導熱性約大三倍。因此焊接時為保證良好融合，必須採用能量集中、功率大的熱源，有時需採用預熱等工藝措施。經驗表明：相同焊接速度下，焊接鋁合金的熱輸入量要比焊接鋼材大2~3倍。

• 線膨脹係數大（熱裂紋）

鋁的線膨脹係數比鋼大2倍，因此，在拘束條件下焊接時易產生較大的焊接應力和變形或在脆性溫度區間內導致熱裂紋，生產中常採用調整焊絲成分的方法防止裂紋的產生。

• 高溫下的強度和塑性低（強度低）

鋁合金焊接接頭的強度低於母材，即有軟化現象。焊接接頭力學性能較難保證，抗拉強度低，塑性不足，是鋁合金應用的一大障礙。

• 加熱時無色澤變化（燒穿）

鋁合金從固態變化為液態時，無明顯的顏色變化，這給焊接操作者帶來不少的困難。

3 與鋼點焊的不同之處

• 焊接時間

通過以上分析可知，鋁點焊時需要高電流和短的焊接時間。同時，由於鋁的熱導率高的問題，就需要控制電流的上升時間在極短的時間內。圖2-4為兩種點焊的焊接時間的對比。

圖2-4 鋼點焊與鋁點焊的焊接時間對比

• 電極頭

鋁合金有高導熱係數，傳熱快，鋁點焊時存在很大的軟化區域。鋁合金點焊時需要大直徑的焊接面電極帽，從而覆蓋鋁合金焊核及其軟化區域。電極頭的對比如圖2-5所示。

圖2-5 鋼點焊與鋁點焊的電極頭對比

鋁點焊時，需要採用大端面的電極。一方面，球狀凸起表面可以加速壓入材料，縮短工序時間；鋁點焊必須壓緊塑性材料（被軟化區域），從而避免飛濺。端面半徑可為25mm、50mm、80mm、100mm等不同規格。

• 熱量產生位置

普通的鍍鋅鋼板在點焊時熱量主要集中在板材中部，普通的鋁合金點焊時的熱量主要集中在上下兩個電極頭和兩層鈑金中間。而我們希望鋁點焊的熱量較多的集中在中部形成焊核的位置。如圖8所示。

圖2-6 鋼與鋁-點焊熱量產出位置

• 冷卻水流量

與鋼點焊相比，鋁點焊的焊槍冷卻水流量需求至少需要增加2倍以上。圖2-7為某供應商的鋁焊槍示意圖。

圖2-7 鋁點焊焊槍組成

3.應用案例

1 在凱迪拉克CT6上的應用

凱迪拉克CT6車身採用了點焊、自沖鉚、流鑽螺釘和激光焊接等連接技術，實現了鋼、鋁等五種不同材質的連接。其主要的連接技術如圖3-1所示，圖3-2為CT6車身連接技術總覽。

圖3-1 凱迪拉克CT6先進連接技術

圖3-2 凱迪拉克CT6車身連接示意

凱迪拉克CT6中採用的鋁電阻點焊技術，為通用汽車集團的專利技術，其專利點主要為對鋁電極頭耗損之後的修磨過程。通用汽車的鋁點焊，稱為MRD電極鋁點焊，其外觀效果如前文圖2-2，頭部有一圈一圈的紋理，能夠最大程度低避免鋁板材表面所固有的氧化膜對焊接質量的影響。通用MRD電極鋁點焊生產時，需要配備相應的四刀片修磨器，修磨頻次為普通碳鋼的5倍，約40～50點/次。由於技術保護等原因，目前僅應用於「通用汽車」，包括GM與SGM。表3-1為CT6幾種連接技術的數量情況。

表3-1 凱迪拉克CT6連接技術情況

2 在特斯拉Model S上的應用

Tesla Model S車身採用了激光焊接、自沖鉚、點焊以及CMT等連接技術連接。其主要的連接技術如圖3-1所示，圖3-2為Model S車身連接技術總覽。

圖3-3 特斯拉Model S先進連接技術

圖3-4 特斯拉Model S車身連接示意

4.主流供應商

1 森德萊Centerline

圖4-1 森德萊鋁點焊焊槍

森德萊FlexGun鋁點焊在北美鋁材點焊槍領域供應了超過600把焊槍，佔有60%市場。其全球業績如圖4-2所示。

圖4-2 森德萊鋁點焊焊槍

2 小原Obara

圖4-3 小原焊機鋁點焊焊槍

南京小原在2015年給上海通用汽車凱迪拉克線供應了120台焊機，在2017年給美國特斯拉Model3 供應了150多台設備。

3 伏能士Fronius

圖4-4 伏能士鋁點焊焊槍

伏能士開發的DeltaSpot使用70M的焊帶能焊出5000～10000個點，電極帶使用完需要重新更換，其可焊接任何類型的接頭，即便是超高強鋼、鋁與鋁，甚至是鋼鋁異種材料，並且有極高的工藝可靠性。2010年北美一家最大純電動跑車製造商購買了6台DeltaSpot用於鋁合金車身的製造。經過測試後又購買了20台DeltaSpot設備。另外，特斯拉Model S前期也有使用此種鋁點焊技術。

總結

在各種焊接方法中，鋁點焊具有靜強度高、可靠性好、性能穩定等優點，但鋁點焊本身也具有 很大的焊接缺陷，包括焊點質量不穩定、電極燒損嚴重使用壽命短等。其中，焊點質量不穩定主要體現在飛濺較為嚴重、焊點表面質量差、熔核尺寸波動大和熔核內部易產生缺陷等。電極燒損問題實質是電極表面的銅與鋁合金反應的問題，這也是伏能士會開發出帶有電極帶的鋁點焊技術的原因之一吧。

除此之外，鋁點焊焊機的供應商較少，主要技術來源於國外，這不利於鋁點焊的推廣。由於鋁點焊自身的缺陷，研究開發這一連接技術的人員較少。

綜上，鋁點焊，想說愛你不容易！