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摘要：随着时代的进步，全球的汽车工业都在向着轻量化方向发展。在材料学领域内，铝合金是众多合金中表现优越的材料之一。铝合金具有导热性、导电性、抗腐蚀性和强度等优异的综合性能，已经在汽车轻量化生产和其他工业发展领域实现了高效的应用。但铝合金的使用也有一定局限性，例如焊接时焊渣多、接头易软化、气孔裂纹等问题。因此，要想铝合金焊接技术在汽车制造领域发挥更大的作用，解决铝合金焊接技术过程产生的问题是一个值得相关学者深入研究的热点课题。本文对相关文献进行了查阅，并结合本人在相关领域的工作经验，简要阐述了铝合金及其焊接特性，同时对几种常见的铝合金焊接技术及其使用过程中应注意的要点进行了全面分析。希望本文的研究内容能为推动我国铝合金焊接技术的发展提供一定的理论指导。
关键词：汽车工业；铝合金；焊接技术；激光焊接
在二十一世纪，国家出台《“十三五”节能减排综合工作方案》，本文综述了国家在加强生态和能源使用方面所做的努力，以促进我国的生态环境和资源的有效使用。随着我国经济的迅速发展和人民可支配收入水平的提高，车辆的需求量急剧增长，机动车的数量也在持续增长。我国的轿车产量和销售均居全球第一。为贯彻“金山银山”发展思路，国内外各大汽车厂商都制定了新的节能减排技术，以应对这一挑战。研究结果表明，燃料消耗量和废气排放量与车辆总质量密切相关。例如，75%的燃料消耗量与车辆的总质量相关，而如果车辆的总质量减少10%，则燃料消耗量将减少6%~8%，同时有害物质的排放量也会减少4%。因此，在全社会范围内降低车辆总重量是非常必要的。
在近100余年的时间内，世界材料学发展迅速，铝合金就是其中的典型代表，在实践中具备密度低、重量轻、比强度高、可塑性强等特性，这使得铝合金开始成为了工业制造领域的重要金属材料。铝合金是一种有色金属复合材料，已广泛应用于车辆工程、高铁、造船、航空航天乃至体育、日用品等领域。由于铝合金焊接工艺比较复杂，这种金属材料的应用范围略小于钢材等传统结构材料。而铝合金强度高、塑性好、优良的导电性、导热性和耐腐蚀性等这些优点，促使其需求量逐渐增加，从而推动了对铝合金焊接工艺的研究。近年来，随着科学技术的飞速发展，焊接工艺层出不穷，铝合金焊接也取得了非常大的进步。随着我国汽车逐渐向着轻量化领域发展，铝合金在汽车工业中的参与程度明显提升。本文以铝合金在汽车领域的焊接技术作为研究对象，对其展开深入研究。
1铝合金及其焊接特性
实现车辆的减重有两种方式：采用轻质化的车身和材料。而轻质化的车身是指，在考虑车辆工况和负载条件的前提下，对材料的结构和尺寸进行优化，例如，在承载能力较低的构件和非承载构件上降低材料的消耗。另一种方式是采用轻质、高强度的材料来代替传统的钢铁材料，常见的有镁合金、铝合金、高强度钢和碳纤维复合材料等。研究结果表明，采用轻质材料制造车辆可以实现30%~50%的重量减轻。铝合金具有密度小、高强度、良好的抗腐蚀性和抗冲击吸收能力等优点。另外，碳纤维复合材料由于其密集度高、高强度、抗腐蚀性好等特点，已广泛应用于车辆构件中，并且逐渐代替了传统的钢铁材料。为了使车辆轻量化，例如使用CFRP，需要采用可靠的连接方式。
铝合金是一种典型的现代新材料，其以铝为基础，通过添加一定数量的其他金属元素形成的合金，根据内部金属元素的不同，可以具备不同的性质特征。铝合金是现代工业领域非常重要的轻金属材料之一。该材料的密度约在2.63g/m3~2.85g/m3之间，比强度接近于高合金钢，比刚度超过了钢，同时，具备了较为优越的铸造性能、塑性加工性能、导电性能、导热性能、耐腐蚀性和可焊接性。这些性能为铝合金在工业生产中的应用提供了重要的基础。
焊接性是金属材料的重要性能指标之一，与材料的正确选择及焊接工艺的正确选用息息相关。在实践中，不同比例合金采取不同的加工特性能够产生具备不同性质的铝合金材料。根据加工工艺特性的不同，可以将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金这两个主要类型。铝合金的焊接过程面临一些挑战。从物理性质来看，焊接过程中的高温会使铝合金表面产生氧化膜和一些缺陷。其次，铝合金的线膨胀系数较高，在焊接过程中常常出现表面变形和裂纹，并需要技术人员采取一定的措施进行处理。最后，强度较高的铝合金在焊接时，也容易出现焊接裂纹和母材过烧等问题，影响焊接质量。因此，在铝合金的焊接过程中，需要进行严密的工艺控制和质量检测。
2铝合金焊接技术
2.1激光焊接技术
激光焊接技术是汽车铝合金焊接过程中比较常见的一种特殊技术。相比于常规的钢材焊接技术，激光焊接技术具备速度快和焊缝小等优势，应用于汽车焊接过程中能够有效提升焊接质量。近年来，全世界的激光技术正在快速发展。各种高功率和高性能的激光技术开始不断成熟，并被广泛应用于铝合金焊接过程，尤其是在汽车制造行业。在铝合金车身焊接过程中，当焊接长度在20m~30m时，激光焊接技术表现相当良好。该技术可以取代MIG、电阻焊等焊接技术，展现更加良好的焊接效果。
激光焊接技术具备以下几个优势：①激光焊接的连接更紧密。激光焊接功率能达到107W/cm2，单位面积内可表现出相当高的能量密度，是一种快速加热、快速冷凝的高速焊接技术。激光焊接是一种非接触式焊接技术，焊接精确度高，不受外部相互作用的制约，能够满足大多数汽车铝合金焊接的功率需要。②焊接成本相对较低。激光焊接不需要结合电机、真空气氛等执行焊接任务，并且无需像其他焊接技术一样对焊接物表面进行处理，从而降低了激光焊接的时间和资源成本。③应用范围更广。激光焊接的力学性能与未焊接基材相同，抗拉强度甚至超越基材，焊接后基本不变形。激光焊接不需要与焊接物表面进行直接接触，不仅应用范围广泛，还能焊接不同材质。在一些情况下，甚至可以通过透明物体实现对内部的焊接，能够适应更多的焊接任务。④安全性更高。激光焊接无需在抽真空环境中操作，也不受导电材料或电磁场干扰，焊接过程安全性高且灵活性强，不会产生对人体有害的辐射物。激光焊接技术可实现自动化和网络化加工，能够对焊接加工工艺的质量有一定保证。
在实践中，激光焊接技术具备以下几种缺陷，需要着重注意：①铝合金的吸收激光能力较低，焊接时会出现较高的初始反射率。②激光焊接铝合金会产生氢气孔和塌陷气孔。③汽车铝合金内部含有大量的Mg、Zn等低沸点元素，激光焊接容易导致铝合金表面出现严重的烧毁痕迹。④激光焊接铝合金容易产生凝固裂纹和液化裂纹。需要特别注意的是，这些缺陷是针对铝合金的特定情况而言，应根据实际情况选择合适的焊接技术。
2.2激光-电弧复合焊接技术
激光-电弧复合焊接技术也是实践中比较常见的一种焊接技术，属于激光焊接技术的升级版本，是相关焊接工作人员出于铝合金汽车车身生产需求，在激光焊接技术的基础上进行针对性改进的产物。在激光-电弧复合焊接技术应用过程中，熔池上方会产生等离子体，借助电弧吸收光子等离子体，能够帮助解决激光焊接技术中铝合金车身激光能吸收率较低的难题。同时，在电流的刺激下，电流会导致电弧出现膨胀现象，最终改变焊接机制，从深熔转向热导焊，进而极大提升焊接质量。
激光-电弧复合焊接技术在实践中具有以下优势：①该技术结合了激光焊接和电弧焊接的优点，能够显著提高焊接能量密度，在焊接过程中能够有效优化焊缝，同时降低热裂纹的产生率。②在电弧的作用下，激光束在焊接区域会产生稀释的等离子体，产生熔融效应，显著提高铝合金表面对激光能量的吸收率，进而提高热利用率。③在传统的电弧焊接中，焊接速度加快会导致电弧漂移，影响焊接稳定性。而在激光作用下，激光束能够产生金属蒸气，保证阳极斑点的稳定成型，从而最终提高焊接质量。需要注意的是，激光-电弧复合焊接技术的优势是针对铝合金的特定情况而言，不一定适用于其他材料的焊接。
2.3搅拌摩擦焊接技术
搅拌摩擦焊接技术属于另一种独立的焊接手段。虽然激光焊接技术和激光-电弧复焊接技术在铝合金车身制造中发挥出了出色作用，但这些方法的核心都是熔化焊，容易在后续热循环过程中降低接头部位的力学性能，在严重情况下甚至会导致形变、色变等问题。与常规焊接技术不同，搅拌摩擦焊接技术采用内部搅拌头，将其插入工件中，借助高速旋转产生的热量和塑性变形来完成焊接作业。这种技术与其他焊接方式相比，能够有效降低热影响区域的大小，从而保证了焊接区域的金属晶粒细小，大大提高了焊接接头的力学性能。
在实践中，搅拌摩擦焊接技术具有以下几个重要优点:①焊接质量高，摩擦搅拌焊接技术通过塑性变形和动态再结晶原理来实现焊接，使晶粒获得更细小的细化现象，不会产生熔焊的树枝晶，也不会导致汽车表面金属元素蒸发、裂纹等情况。②低残余应力与其他焊接技术相比，搅拌摩擦焊在焊接过程中不会产生相对高的表面温度，因此留下的残余应力相对较小。③对职业健康的影响较小，搅拌摩擦焊在焊接过程中不会产生飞溅、紫外线等现象，对工人影响较小。④搅拌摩擦焊在实践中有广泛的应用场景，能够有效实现自动化设计。⑤搅拌摩擦焊在具体的焊接过程中不需要过多的辅助材料，也不需要进行过于复杂的预处理，应用的成本相对较低。
搅拌摩擦焊接技术在实践中存在以下几种缺陷，应特别注意：①焊接厚度受限：该焊接方式主要依靠接触摩擦来实现，因此无法焊接过厚的工件。②对夹持的要求高：在搅拌摩擦焊接应用过程中，需要长期保持对焊件的高压夹持，因此对夹持夹具的要求相对较高。③焊缝处理困难：在焊接过程中，焊缝处理难度相对较高。
3汽车铝合金焊接过程中应当注意的技术要点
3.1材料选择
材料选择是汽车铝合金焊接过程中应当注意的关键因素。具体而言，焊缝、母材以及填充金属的成分与混合比例存在密切关联。此外，所有的焊接技术都会产生热量，导致金属元素蒸发，进而影响焊缝金属的成分。因此，在实践中，当母材的焊接特性不稳定时，确定母材成分并调整金属成分的混合比例非常重要，对焊接质量具有至关重要的影响。
3.2预防气孔措施
预防气孔的出现是铝合金焊接技术的关键要点之一，在实践中应当采取以下措施进行控制：①在焊接之前的设计阶段，技术人员应选择对焊缝气孔敏感性较小的铝合金材料。这可以提高焊缝操作的有效性，并尽可能实现自动焊接，从而减少焊缝接头数量。同时，在设计阶段，技术人员不应对焊缝的余高要求过高，因为焊缝突出很容易导致气泡夹杂现象的出现。②在选择焊接方法方面，技术人员应综合考虑焊板本身的材料特性、焊接时间需求等因素进行综合判断。例如，在相关单位对于焊接质量要求较高时，最好放弃采用气焊等低质量焊接方式。对于厚板的焊接，MIG氩弧焊技术能够实现较好的焊接效果。③在母材和焊丝选择过程中，技术人员应严格控制材料的含氢量，严禁含氢量在0.4ml/100g金属以上。④在正式进行焊接之前，无论采用哪种焊接方式，都需要适当地清理材料表面。对于预处理要求比较宽泛的焊接方式，仅需要对表面进行机械清理即可。如果需要，技术人员还需要对焊接零件材料表面进行化学处理，确保表面不存在水氧化膜。需要注意的是，长达24小时未进行焊接的材料在正式焊接之前也需要进行重复清洗。
3.3预防焊接裂纹
在具体的铝合金焊接过程中，裂纹也是一种较为常见的焊接缺陷。由于高温导致晶体开裂产生的热裂纹是比较常见的，而冷裂纹在实践中比较少见。铝合金的热裂纹主要包括两种形式：常常出现在焊缝中心的凝固裂纹和经常出现在前焊区的液化裂纹。针对裂纹现象，技术人员应采取以下措施进行预防：①在材料选择方面，技术人员应避免选择比较容易出现热裂纹的金属材料，而是应首先选择焊接性能和力学性能均比较良好的材料。对于填充金属的成分，技术人员应适当配合，不适当的配合很容易导致不同程度的裂纹出现。②在工艺方法选择方面，技术人员应根据实际情况选择合适的工艺。例如，在对整体结构较厚的材料进行焊接时，应优先选择开坡口焊接，以避免形成狭窄焊缝。③在组织形态方面，技术人员应选择晶粒细小的金属。晶粒越小，在实践中的表现越好，可以有效规避液化裂纹现象的产生。
4铝合金焊接技术在汽车生产中的应用
铝合金技术自诞生以来，已应用于航天航空、军事工业、汽车制造等多个领域，并发挥了相当的效果。在民众正常的生产生活中，汽车制造领域是人们接触最多的领域。近年来，为了追求轻量化车身，许多汽车制造商都在探究将铝合金巧妙应用于汽车制造的关键技术。早在1980年代左右，奥迪、奔驰等国际知名汽车制造商就已经采用激光焊接技术对车辆的顶棚、车架等部位进行焊接，并在之后不断发展。近年来，世界汽车制造领域的铝合金焊接技术已经发展到了比较先进的水平。奥迪、蔚来、特斯拉等知名车辆制造厂商均在逐步探究车辆全身的全铝化。从性能角度来看，铝质散热器相比铜散热器，其质量大概要降低30%；铝质车身相比传统合金车身，其质量大概要降低40%。由此可见，全铝化车身能够有效降低车身质量，降低能源消耗和污染水平。
当前我国的汽车制造工业已经发展到了比较先进的水平。在汽车铝制框架焊接研究方面，已经取得了一定的成果。具体而言，汽车变速箱、汽车传动轴、汽车发动机和汽车排气管等部件均已经能够使用铝制构件进行替换，并能够使用比较先进的激光焊接技术提升构件的质量。
5铝合金焊接技术结论与展望
铝合金作为一种性能更强、质量更轻的新型合金材料，在各种工业生产领域均存在比较广泛的应用。主要包括航天器制造、军事工业、舰船制造以及汽车生产等领域。在汽车制造领域，成本的控制非常重要。然而，在铝合金应用于具体汽车制造的过程中，在成本有限的情况下，保障铝合金具备优秀的焊接质量是非常困难的。随着铝合金在工业生产中的需求量逐渐增加，对其焊接技术进行深入发展和控制焊接成本就成为了亟待相关专家和学者研究的重点课题。本文对激光焊接技术、激光-电弧复合焊接技术和搅拌摩擦焊接技术三种汽车铝合金焊接工业中比较常见的技术类型进行了全面分析，并对具体焊接过程中技术人员需充分注意的几点技术重点进行了总结。相关技术人员在执行铝合金焊接任务的过程中，应充分结合自身实际情况，采取针对性措施优化材料选择、预防气孔出现以及预防焊接裂纹出现。只有做到以上几点，相关单位的铝合金焊接质量才能得到有效提升，并保证焊缝具备良好的结构性能。
我国当前的铝合金焊接技术已经达到了比较先进的水平，特别是激光焊接技术已经能够应用于实际的工业生产领域。在未来的发展过程中，以激光焊接技术为基础的复合型焊接模式具备更加强大的综合优势，并将成为中国汽车铝合金工业发展的主要方向。
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