2021车身大会 | 梁军强：多厚度组合铝合金焊接研究

2021年3月23日-24日，由盖世汽车主办的“2021年中国车身大会”隆重召开。本次大会重点围绕整车轻量化、汽车安全法规、车身结构设计、车身先进材料、仿真技术、模块化架构车身等行业焦点话题展开探讨，为产业发展出谋划策。会议期间，敏实集团工艺高级工程师 梁军强发表了“多厚度组合铝合金焊接研究”的主题演讲。

敏实集团工艺高级工程师 梁军强

以下为演讲实录：

大家好！我们是做铝合金联接工艺研究的，在工艺研究里面有焊接工艺、冷连接工艺和涂胶工艺，另外对新工艺也进行了前瞻性理论研究。

接下来讲一下今天的主题，今天主要是讲铝合金MIG焊接，前期我们跟供应商和合作伙伴也做了很多的讨论，包括我们在做研究的时候经常也会有一些碰撞，今天就把一些好的想法分享给大家。

今天主要讲七个工法的问题。首先回顾一下，在电池盒里面焊接到底有多难。其实铝合金电池盒焊接非常难，其难点在于用型材去做，而且型材厚度断面都不一样，每个地方厚度都有很多组合，有薄板和厚板，有薄板+薄板，还有底板和横梁，水冷板跟横梁的厚度差异其实也非常大。当厚度差异很大的时候，焊接上非常难控制热输入。然后是电池盒产品大、焊道多、焊道长，还要求焊道要小，基于这样的工艺原因我们提出来研发铝合金工法，怎么很好地去解决这个问题，我们做了焊接前端的研究。

为了做这个部分，我们跟很多供应商建立了良好的互动和合作，我们跟唐山松下建立了联合实验室。各位听起来可能有点懵，铝合金焊接我们用直流焊，但是我们研究有的是研究交流焊接方法，还有工法上有P-MIX焊接方法，直流脉冲往复摆动工法，还有焊接热输入精准控制、焊缝自适应技术。我们针对电池盒焊接也开发了一个焊接软件包来适应不同的焊接要求，针对5系铝合金和6系铝合金做了大量的研究，最后我们做了一个软件包。我们对应的工艺范围蛮广的，从0.6毫米的厚度做到10毫米，各式各样的组合都可以呈现完美的解决方案，这是我们的联合实验室做出来的一个成就。

1、焊接规范同步摆动技术。我们会碰到薄板和厚板焊接，后来我们发明了同步摆动，通过大电流小电流不同切换，我们兼顾了不同的方法，实现了两个板都不会出现大的质量问题。

厚板我们加200安，薄板加100安，就是这个焊道以前怎么焊都要破，焊道不好控制，今天用这种方案去做就解决了不同薄厚组合，而且它的咬边和焊破会变得比较少，这是我们这个技术的优点，这块技术我们需要跟机器人同步去做运动。机器人做圆弧摆动的时候，焊机根据位置发焊接指令，这样达到动作和指令有比较好的匹配。

2、SAWP低热输入技术。大家知道铝合金焊接既要保证熔深又要有小的变形，我们要求技术焊接中保证熔深，也有热量大输入，也有小输入。这里面我们跟供应商和实验室提出这么一个要求，就是说在厚板的时候能不能用大的脉冲把熔丝打开，产生熔池，焊接后让焊道有一个很好的休息，让焊缝稳定起来，熔池凝固。因此根据这个理论，我们开发出新的工艺，叫做SAWP工艺，前面是用短路焊接，接下来是双脉冲：AB电流，通过这样的焊接工法带来好处是热输入更加精准，在焊接中破似破非破时候，给它一个冷却的过程，让它焊道瞬间得到支撑，这个薄板的地方焊接成功率会比较高。因为热输入很大的时候，也保证了高速焊接和熔深，就是焊接速度并没有降下来，热输入解决了起到了台阶式输入控制的问题。图上可以看到它的熔深变得比较好。

3、P-Stitch鱼鳞纹焊接技术。我们发现该工法焊接中会出现没有熔深，焊道没有强度，但是电池包要求整个焊道有熔深的，基于这个要求，我们把原来鱼鳞纹焊接方法摒弃掉了，选择了新的工艺焊接脉冲，加大热输入。这里展示的鱼鳞纹工法，可以应用4毫米板厚的焊接。一个焊接脉冲后焊完以后会停弧，再焊接再冷却，这样的好处是瞬间大电流冲开熔池，但又使熔池瞬间冷却。我们研究的部分会有跟别人不一样的地方，就是我们用鱼鳞纹焊接的工法可以焊3毫米以下板厚实现有熔深，这在以往是做不到的。该工法带来的作用也很明显，鱼鳞纹焊接的时候焊道气孔非常少，因为跟铝合金焊接过程中温度很低，里面的氢气孔很难溶化在里面，所以它的适用性会变得更加广泛。还有一个作用，它的焊接黑灰很少，因为焊接电流非常大。基于这两个部分它在电池盒的应用价值就上来了，不像以前焊自行车的时候感觉很鸡肋，外观很好，但又没熔深，我们把该工法做到了极限控制热输入。

4、P-MIX焊接技术。它的方案基于前面的方案有两个不同的地方，前面讲鱼鳞纹焊接是焊道有一个休息过程，这里工法不让它休息，就是短路脉冲。我们跟以往工法不一样的地方是，我们焊接脉冲的宽度会很窄，脉冲的电压很高，可以瞬间打进板材的时候，得到很大熔深。就是电弧挺度非常高，通过搅拌熔池让熔深变得很稳定。还有一个不同的地方，以前普通的焊道是歪歪扭扭的，但是我们用P-MIX做的焊道是平的，而且有些材料中间是有筋的，铝合金碰到筋部会收缩，碰到薄板的的地方会焊塌了，为了应对这样一个问题，我们提出P-MIX解决方案。它的优点是外观会很好看，而且电弧控制力会好一些。当然这个工艺应用会比较广，更多是用在铸件焊接上，其实铸件焊接非常难的部分是铸件焊接的时候铸件很容易熔化，所以这里要求控制它的精准度，这里用的脉冲是按照个数来计算的，可以给它1个到20个部不等的脉冲，控制热输入的精准度，这个焊接过程温度控制会比较合理。

具体看一下，脉冲部分波形会比较细，而且比较高，筋条的部分瞬间就打到熔池部分，短路部分反倒是填充铝合金，提升焊接熔复效率问题。在焊接过程当中，焊接标准里面经常会写，如果有筋的部分你不要去切，因为它没有熔深，在这里也可以切，而且可以保证焊接有熔深。

5、厚板高速焊接无飞溅技术。我们把手工焊的方法移植到铝合金焊接，做厚板焊接的时候，经常有很多会有焊接飞溅，厚板焊接过程，速度很慢，效率很低，焊道宽度很大，很多气孔，焊接后会造成开裂。我们碰到厚板的时候会用摆动的方案去做，让鱼鳞纹一屡一屡的展现出来，而且外观飞溅气孔相对较小。因为熔池小了，熔池搅拌效果可能没那么大了，但是整个氢气沉在里面的可能性也变小了。所以我们着重是做飞溅没有的焊接方案，这是跟机器人相互融合的部分。虽然取名是无飞溅焊接，实际上就是直流焊接加机器人摆动的方案。

还有高速的往复摆动，我们做铝合金的时候发现10毫米，最大的电流打进去也没有熔深，那怎么办？同一个焊道里面前后反复去焊。气孔少，第一个条件就是焊接速度要快，趁零件不知道就焊好了。第二是焊道充分的搅拌，把气孔搅出来。所以我们通过不同搅拌方式让铝合金气孔减少。我们直接走高速焊接和反复搅拌的研究方向。有别于其他的焊接工艺。

6、AC交流脉冲工法。我们用交流焊接方法去焊铝材，因为我们焊铝合金都是直流焊，你今天突然跑出来说用交流焊接，没人能相信。当然它有好处，只是应用范围很窄，但是焊接效果很明显。我们这样的技术来源于大概五年前，我们做铝合金焊接的时候就是用交流焊。在直流脉冲反面有小的脉冲是做交流的，它的好处是什么呢？交流的时候正极正接的时候焊接的能量是最大的，通过控制最大能量输入让熔池瞬间破开。我们铝合金经常碰到熔深问题就是焊道起弧15毫米也不要切，收弧15毫米你也不要切，但是有了交流以后，发现起弧5毫米它也有熔深。焊接中用交流方式破开熔池，当破开的时候就可以快速焊接，起到的效果是焊接熔深大，不需要太大热输入，焊接速度更快，而且没有背透。

如果说没有AC很容易产生背透裂纹，我们用交流的时候背焊接透少了，也就是熔深小了，但是焊接熔深是稳定的。以往我们的AC技术用在哪里呢？用在不锈钢焊接里面，其实铝AC焊接工法是从那个理论上面演化出来，用这种方案很多的好处。当然我们在这里还有其他的应用，因为这里面其他的应用很广，今天只是讲了一个很窄的话题，就是我们为了解决某一个特定环节的时候想到这样一个工法。当然针对焊接部分要求有熔深的时候，可以使用该工法，完全可以做到整个焊道都有熔深。

7、1.6mm焊丝高效焊接应用。我们跟工程师为这个课题大概吵了一年，我坚持要做1.6mm，工程师坚持用1.2mm，因为1.2mm焊接很成熟，1.6mm业界都不用。今天我们说用1.6mm焊丝焊丝，我们做出来的效果很明显，焊接1.6mm的时候产品的变形会特别小，比焊1.2mm的时候会减少2/3。1.2mm焊的时候板就拱起来了，1.6mm焊起来就平平的。现在它的焊接速度会提升50%，刚才说快速焊的时候可以减少气孔，也该工艺也暗合了这样一个效果，气孔更少。更重要的是熔深更优异，在这里面可以看到1.2mm焊丝焊接电流基本上在180-250是比较稳定的，但是如果我们1.6mm的时候焊到350还是很稳定，我们用都是高端的设备，所以焊丝控制起来还是非常优异的。

下面这张图是焊铸件，那个焊接表面非常亮，而且没有气孔。人家问我说，你焊这么一个焊道到底需要多长时间？我说大概两秒钟就好了。结果那个老师批评我们，你们焊铝合金这么可以这么快呢。我说，我也不知道，反正两秒就好了。

这里看到熔深不太好的部分，指状熔深，但对强度有不好的状态。这里指状熔深过大，导致燃烧会不充分，烟尘也比较大，所以我们在做烟尘这部分的课题，就是要去修正脉冲形状的过程，我们把脉冲的宽度比例修正掉了，让燃弧的过程变得稳定一些。稳定燃弧部分我们单独做了一个曲线库。

我们可以看到两个不同的焊接曲线出来的，一个它有电弧矮电弧的特性。电弧一般都做柔和一点。第二种方案，如果我们用标准脉冲的时候，我们希望是又高又瘦的，相对于焊接的声音会比较尖，它的脉冲值会加大。所以在1.6mm焊接我们也是没有烟尘可以的。我们看到这两个不同的指状，左边是1.2mm，右边是1.6mm，其实熔深不太大，但是气孔会变得少一些。

最后看烟尘，焊接铝合金最大的问题就是烟尘，我们尽量让脉冲数量减少，然后让溢出来的飞溅少，最后让镁元素尽量的减少，这里我们做到比较柔和的曲线，整个焊接过程就是电弧压缩在焊接保护气体范围里面，这样可以看到焊接过程比较亮，而且焊接过程也是比较稳定的。

以上是我们在这方面的一些前瞻性研究，谢谢大家。