汽車工業(yè)幾十年的高速發(fā)展所帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境污染的問(wèn)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(shí)代命題。大力發(fā)展新能源汽車是應(yīng)對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展危機(jī)的有效方案，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(yīng)用于汽車的輕量化領(lǐng)域。因此，深入研究鋁合金焊接技術(shù)，進(jìn)而提升鋁合金材料焊接質(zhì)量，對(duì)新能源汽車輕量化的發(fā)展具有重要促進(jìn)意義。

 

 

 

01   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(duì)提升新能源汽車的續(xù)航里程具有重要意義

 

為響應(yīng)我國(guó)的“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略，作為我國(guó)能源消耗大戶的汽車行業(yè)，肩負(fù)著低碳排放的歷史使命，責(zé)任重大。對(duì)此，近年我國(guó)大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，出臺(tái)多項(xiàng)政策刺激和引導(dǎo)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(fèi)者接受與青睞，近年在國(guó)內(nèi)汽車消費(fèi)市場(chǎng)的滲透率逐年提升。具中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)，到２０３５年中國(guó)汽車市場(chǎng)的大部分份額將被新能源汽車占據(jù)，且純電動(dòng)汽車將成為新能源汽車的絕對(duì)主力。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，因受制于目前電池技術(shù)，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(dá)１５％－４０％。整車的輕量化對(duì)提升續(xù)航里程有著非常顯著的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在純電動(dòng)汽車的動(dòng)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(shì)之一，推進(jìn)新能源汽車的輕量化將助力提升我國(guó)的汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力

 

汽車的輕量化除了可以顯著降低能量消耗，提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程外，對(duì)提升車輛的加速性能、操作穩(wěn)定性、制動(dòng)性能、行車噪音、行駛平順性等也都有明顯的助益。因此，順應(yīng)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)合理的輕量化材料的運(yùn)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升新能源汽車的輕量化水平，不僅可以提升汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，還可以有效控制汽車的生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

 

1.3 汽車產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈比較長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)，新能源汽車的輕量化的發(fā)展可以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游相關(guān)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)汽車的輕量化涉及汽車生產(chǎn)、維修、回收等多個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。汽車輕量化的快速發(fā)展必然會(huì)刺激汽車輕量化材料的研發(fā)和革新，對(duì)多材料混合運(yùn)用技術(shù)如焊接、鉚接等的發(fā)展也將有直接的強(qiáng)勁推動(dòng)作用，對(duì)汽車的生產(chǎn)裝備也會(huì)提出更高的要求。近年新能源汽車技術(shù)飛速發(fā)展，技術(shù)越來(lái)越成熟，與之配套的充電等社會(huì)公共設(shè)施也越來(lái)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(shì)，使新能源車越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)。新能源汽車的銷量開(kāi)始井噴式增長(zhǎng)，在此背景下，新能源汽車輕量化旺盛的需求對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)上下游相關(guān)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)的推動(dòng)作用越來(lái)越強(qiáng)勁。

 

02    鋁合金在新能源 汽車輕量化領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

 

使用先進(jìn)的制造工藝、對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用輕量化的材料是目前汽車輕量化的三大技術(shù)手段。其中輕量化材料的運(yùn)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(shì)，因此一開(kāi)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(lǐng)域具有一下優(yōu)勢(shì)：

 

（１）鋁合金材料可以廣泛應(yīng)用于新能源汽車的輕量化領(lǐng)域。鋁合金具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的加工成形性，可以應(yīng)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(yīng)用變形鋁合金制造；而加速踏板、車輪、方向盤、電機(jī)外殼等可以應(yīng)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(dāng)前以及今后一段時(shí)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(yīng)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(chǔ)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(diǎn)低，可以實(shí)現(xiàn)非常高的回收利用率，可以實(shí)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(dāng)前主流的汽車輕量化材料有鋁合金、高強(qiáng)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(jià)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(qiáng)度鋼，比強(qiáng)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(guò)程中運(yùn)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。

 

03    新能源汽車輕量化領(lǐng)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(guò)程仍面臨生產(chǎn)工藝、安全等挑戰(zhàn)。汽車生產(chǎn)制造過(guò)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(jiǎn)單、性價(jià)比高、性能優(yōu)越以及方便自動(dòng)化流水作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)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(guò)程中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)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(yùn)用量，就不得不對(duì)鋁合金的焊接工藝進(jìn)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(shù)路線，其中廣泛應(yīng)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(hù)電弧焊（ＴＩＧ焊）、熔化極惰性氣體保護(hù)焊（ＭＩＧ焊）、攪拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等。

 

3.1 新能源汽車領(lǐng)域鋁合金激光焊接

 

激光焊接在汽車生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)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(shù)特點(diǎn)。在新能源汽車領(lǐng)域目前針對(duì)鋁合金的激光焊接，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究主要聚焦在兩個(gè)方向：一個(gè)方向是激光焊接工藝對(duì)鋁合金焊接接頭性能影響，如激光焊接工藝對(duì)鋁合金焊接接頭的力學(xué)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(gè)方向是鋁合金激光焊接過(guò)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(yù)測(cè)研究等。在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)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(xué)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(shù)的快速迭代助推了工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，以視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)以及信息技術(shù)加持的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)也在快速的發(fā)展。新能源汽車生產(chǎn)過(guò)程的鋁合金材料激光焊接技術(shù)的自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高。

 

3.2 新能源汽車領(lǐng)域鋁合金非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊（ＴＩＧ 焊）

 

非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊非常適用與薄板鋁合金材料的焊接，技術(shù)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(dòng)同步清除鋁合金焊接件表面的氧化膜，進(jìn)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(dāng)有承載大電流時(shí)，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(lǐng)域的應(yīng)用。為了適應(yīng)新能源汽車工業(yè)快速發(fā)展對(duì)于鋁合金焊接高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)要求，近年不少學(xué)者對(duì)ＴＩＧ焊接進(jìn)行了改進(jìn)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(méi)有焊絲的情況下也能照常進(jìn)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(chǔ)上提高了一倍以上，而且焊接電弧穩(wěn)定，沒(méi)有較大波動(dòng)，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(jìn)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(jìn)而可以減少鋁合金在焊接過(guò)程中的熱變形，與此同時(shí)為增加鋁合金焊接件的焊縫力學(xué)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(lǐng)域鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊 （ＭＩＧ 焊）

 

得益于國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的持續(xù)關(guān)注和深入研究，鋁合金焊接技術(shù)得到不斷提升，焊接方式也日益豐富成熟。在當(dāng)前眾多鋁合金焊接技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的是熔化極惰性氣體保護(hù)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(gòu)件，因此在工程應(yīng)用中ＭＩＧ焊很受工程師們的青睞。同時(shí)，ＭＩＧ焊也是專家學(xué)者們研究的焦點(diǎn)，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(yīng)用頻率最高的。雙脈沖ＭＩＧ焊是通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化單脈沖焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái)，具有可調(diào)參數(shù)多，可合理的控制輸入能量，以及可對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行靈活的匹配等優(yōu)點(diǎn)。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(lǐng)域廣泛應(yīng)用的雙極性脈沖ＭＩＧ焊則結(jié)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(guò)渡焊技術(shù)的ＣＭＴ焊在焊接過(guò)程中，可以對(duì)輸入的能量進(jìn)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(diǎn)，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(lǐng)域鋁合金攪拌摩擦焊（ＦＳＷ 焊）

 

鋁合金攪拌摩擦焊經(jīng)過(guò)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(guò)幾十年的發(fā)展革新，也從單一能場(chǎng)焊接發(fā)展出了多種復(fù)合能場(chǎng)焊機(jī)方式。鋁合金攪拌摩擦焊的研究也吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)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(dāng)下研究的重點(diǎn)。其中，在接頭裝配方式的選擇上，有Ｔ型裝配、對(duì)接、對(duì)－搭接和搭接等。

 

04   新能源汽車輕量化領(lǐng)域鋁合金材料焊接研究展望

 

科技一般指科學(xué)技術(shù)。社會(huì)上習(xí)慣于把科學(xué)和技術(shù)連在一起，統(tǒng)稱為科學(xué)技術(shù)，簡(jiǎn)稱科技。實(shí)際二者既有密切聯(lián)系，又有重要區(qū)別。實(shí)際二者既有密切聯(lián)系，又有重要區(qū)別。科學(xué)解決理論問(wèn)題，技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。

 

新能源汽車尤其是其中的純電動(dòng)汽車，因電池技術(shù)的瓶頸和自身結(jié)構(gòu)的特殊性，車輛的迫切需要輕量化，以期通過(guò)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(shí)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(shì)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于新能源汽車的生產(chǎn)制造過(guò)程中。新能源汽車在生產(chǎn)制造中的鋁合金使用量已經(jīng)超過(guò)多數(shù)的傳統(tǒng)燃油車。隨著我國(guó)新能源汽車近幾年的井噴式發(fā)展，必然會(huì)進(jìn)一步拉動(dòng)鋁合金在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用。因此關(guān)于提升鋁合金焊接件的焊接質(zhì)量的研究將會(huì)成為研究焦點(diǎn)。鋁合金激光焊接、鋁合金熔化極惰性氣體保護(hù)焊（ＭＩＧ焊）、鋁合金攪拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等鋁合金焊接技術(shù)的研究將會(huì)更加深入，為新能源汽車輕量化中鋁合金的應(yīng)用，提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，從而保障鋁合金在新能源汽車的生產(chǎn)制造中充分發(fā)揮減重優(yōu)勢(shì)。

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