汽车车身铝板材料回填式搅拌摩擦点焊技术试验研究

文章来源：汽车工艺与材料发布时间：2020-03-24

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为研究回填式搅拌摩擦点焊的技术原理以及在车身焊接中的应用可能性，采用6系铝合金板材为试验材料开展回填式搅拌摩擦点焊工艺研究，研究焊接接头的界面结构，分析工艺参数、搭接边宽度对力学性能的影响。由试验结果可知，界面结构分为焊核区、热机影响区、热影响区和母材区；随着板厚增加，搅拌摩擦点焊接头强度增大；同时焊接时建议薄板在上，厚板在下。最终利用该技术完成乘用车铝合金发动机罩内板总成焊接应用试验，焊点强度满足使用要求。

01 前言

随着汽车工业的发展，轻量化与新能源已成为汽车发展的主题；铝合金作为轻量化材料在汽车制造中的应用越来越广泛。在白车身制造中铝-铝、铝-钢连接结构形式不断增多，目前采用的连接形式主要有自冲铆接（SPR）、自攻螺钉（FDS）、铝点焊、弧焊（MIG/MAG）、激光焊接、结构胶连接、搅拌摩擦点焊(FSSW)等生产工艺。

回填式搅拌摩擦点焊技术是从搅拌摩擦焊衍生而来的，具有广泛的工艺适用性，可以高质量、低成本、无污染、无噪音地满足不同铝合金板厚和各系铝合金的焊接需求。介绍了回填式搅拌摩擦点焊原理及铝合金焊接试验研究进展。

02 回填式搅拌摩擦点焊技术应用现状

搅拌摩擦点焊技术分回填式、非回填式2 种。非回填式搅拌摩擦点焊技术，点焊过程完成之后，会在焊点处留有匙孔，匙孔的存在减小了接头的有效承载面积，易引起应力集中，降低了接头力学性能和使用寿命；但该工艺生产效率高、综合成本大大低于其他铝合金连接工艺，丰田和马自达公司已经用该技术生产汽车发动机罩盖内板和车门内板。

回填式搅拌摩擦点焊技术，焊后焊点表面平整无匙孔，解决了非回填式搅拌摩擦点焊焊后存在匙孔的缺欠，提高接头承载能力，是一种高质量低成本的铝合金焊接方法，连接强度相比其他铝合金连接工艺明显提升，可以焊接全系列铝合金。焊接过程稳定，节约能源，可实现零飞溅、无污染焊接，但是生产效率较其他铝合金连接工艺低，且由于焊接过程中需要清洗搅拌工具，使自动化生产难以实现，目前宝马、奥迪、福特等国内外汽车企业正在致力于研究其在汽车生产中的应用技术，以使其用于汽车生产中。

03 回填式搅拌摩擦点焊技术试验研究

3.1 试验准备

3.1.1 试验材料

本次试验研究针对回填式搅拌摩擦点焊（FSSW）工艺，所用材料为汽车生产中常用的6 系铝合金，分别为6016 铝合金以及TL091（德国大众标准），共开展四种板材厚度组合试验，试验采用搭接结构形式，板材种类、厚度及组合形式如表1所示。

表1 回填式搅拌摩擦点焊试验焊接组合方式

3.1.2 试验设备

试验研究采用上海航天苏州装备公司的机器人式回填搅拌摩擦点焊设备，如图1a 所示。设备主轴最大输出功率5.65 kW，可焊上层板（搅拌工具进入一侧）最大板厚为4 mm，焊具转速范围0～3 000 r/min。机器人式搅拌摩擦焊机如图1b 所示。

图1 回填式搅拌摩擦点焊机及设备

3.2 工艺试验研究

本次工艺试验研究针对的是6016 铝合金及德国大众标准的6 系铝合金板材，分析搅拌摩擦点焊的接头界面结构、工艺参数（旋转速度v、焊接时间t、下扎量h）、搭接面宽度对焊接接头力学性能的影响，并研究其在汽车铝合金发动机罩盖内板总成上的应用可行性。

3.2.1 焊接接头界面结构分析

以6016 铝合金板材厚度组合1.0 mm+1.0 mm为例，对搅拌摩擦点焊接头界面结构进行分析。焊点的金相宏观形貌如图2 所示，可以看出焊点与母材表面存在0.05 mm 的高度差；同时由于下扎深度不同，造成不同工艺参数下金相形貌的细微差异。搅拌摩擦点焊接头的界面结构分为焊核区（NZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区(BM)。

图2 回填式搅拌摩擦点焊工艺试验焊点宏观及金相形貌

在焊核区，由于在搅拌针的强烈搅拌和较高热输出作用下，组织发生动态再结晶，晶粒细化；热机影响区同样受到搅拌和相对较低热输出作用，部分晶粒发生动态再结晶，大部分晶粒会由于机械搅拌作用而被拉长，出现流线组织；热影响区仅受到较低的热作用，晶粒大小与母材区差别不大。

3.2.2 焊接接头力学性能分析

焊接接头采取两层板搭接结构，通过开展4种不同的板厚搭接组合（1.0 mm+1.0 mm、1.0 mm+1.5 mm、1.5 mm+1.5 mm、1.7 mm+1.15 mm）工艺试验，分析板材厚度变化对接头力学性能的影响；并在每种厚度组合下，得到最优工艺参数。剪切拉伸和十字拉伸结果如表2和表3所示。由表中拉伸测试结果可以看出，板厚1.5 mm+1.5 mm 组合剪切拉伸强度和十字拉伸强度均最大，板厚1.0 mm+1.0 mm 组合剪切拉伸强度和十字拉伸强度均最小；可以看出随着板厚增加，搅拌摩擦点焊接头强度增大；通过对比板厚1.5 mm+1.0 mm和1.5 mm+1.5 mm组合可发现，当最小板厚度由1.0 mm增加到1.5 mm时，接头强度有了很大提高；试验中按轿车发动机罩内板实际结构，焊接时较厚的板在上（即搅拌工具进入一侧），如果结构上对搅拌工具进入方向无要求时，回填式搅拌摩擦点焊建议厚板在下，薄板在上，有利于提高生产效率以及搅拌工具的使用寿命。

表2 工艺试验试样剪切拉伸性能结果

表3 工艺试验试样十字拉伸性能结果

3.2.3 搭接边宽度对焊接接头力学性能影响

为了进一步分析焊接结构对回填式搅拌摩擦点焊工艺的影响，分析了搭接接头搭接面宽度对接头的力学性能影响。以6016 铝合金1.0 mm 板厚为试验材料，搭接宽度分别为16 mm、18 mm、20 mm和40 mm，开展4 组对比试验，剪切拉伸结果如表4所示；焊点外观形貌如图3 所示。可以看出，焊接所得焊点光亮平整，由于焊接用压紧套的外径为18 mm，当搭接尺寸小于20 mm 时，试板的焊接区均有变形。随着搭接边宽度增大，接头强度略微增加，当搭接边宽度大于20 mm 时接头强度不再变化；所以从变形和强度考虑，1 mm+1 mm 铝合金回填式搅拌摩擦点焊的最小搭接量应为20 mm；当上板厚度增大时，搭接量还要相应增大。

表4 工艺试验试样十字拉伸拉伸性能结果

图3 不同搭接边宽度焊点外观形貌

04 乘用车发罩内板总成焊接

以6016 铝合金试板工艺试验研究为基础，选取了轻量化车身中应用较多的6016 铝合金发动机罩为应用对象，优化工艺参数进行发动机罩内板总成实际样件焊接；通过回填式搅拌摩擦点焊完成发动机锁环加强板、发动机罩左右铰链加强板、气弹簧支撑加强板等与发动机罩内板的焊接；焊后总成如图4 所示，焊点表面质量良好。

通过实际零件焊接试验得出如下结论

a.因搅拌工具结构限制，回填式搅拌摩擦点焊最理想焊点直径为9 mm。

b.当零件宽度小于20 mm 时，零件会产生焊接变形；所以焊点位置的产品结构应保证搭接边宽度在20 mm 以上，以保证焊接空间和防止变形。

c.焊接时上板的厚度决定搅拌工具的下扎量，影响生产效率和搅拌工具的寿命，故在产品结构允许的情况下，薄板应放在搅拌工具进入一侧。