新能源汽車輕量化領域鋁合金焊接技術

汽車工業幾十年的高速發展所帶來的能源消耗（hào）和環境汙染的問題日益突出，已經成（chéng）為全球汽車（chē）工業亟需著手解決的時代命題。大力發展新（xīn）能源汽車是應對汽（qì）車產業發展危機的有效方案，也是實現我國“雙碳”目標的重要舉（jǔ）措。但新（xīn）能源汽車的發展，目（mù）前仍麵臨著諸多挑戰，其中（zhōng）續航焦慮是新能源汽車（chē）推廣的最大障礙。而新能源汽車與傳統燃油車結構的不同，車身更重。在此背景（jǐng）下，新能源（yuán）汽車的（de）輕量化需求相（xiàng）比傳統燃油車更加迫切（qiē）。在當前汽車（chē）輕量化的（de）手段（duàn）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異（yì）的輕合金材料，廣泛應用於（yú）汽車（chē）的輕（qīng）量化領域。因此，深入研究鋁合金焊接技術（shù），進而提升鋁合金材料焊接（jiē）質量，對新能源（yuán）汽車輕量化（huà）的發展具有重要促進意義。

01   新能源汽車輕量化的（de）戰略意義

1.1 新能源汽車的輕量化對提升新能源汽車的續航（háng）裏程具有重要意義

為響應（yīng）我國（guó）的“雙碳”發展戰略，作（zuò）為我國能源消耗大戶的汽車行（háng）業，肩負著低碳排放的曆史使命，責任重大。對此，近年我國（guó）大力發展新能（néng）源汽車產業，出台多項政策刺激（jī）和引（yǐn）導（dǎo）新能源汽（qì）車產業的發展（zhǎn）。在多方的共同（tóng）努力下，新能源汽車逐漸（jiàn）被廣（guǎng）大消費者接受與青睞，近（jìn）年在國（guó）內汽車（chē）消費市場的滲透率逐年提升。具中國汽車工程學會預測，到２０３５年中國汽（qì）車市場的大部分（fèn）份額（é）將（jiāng）被新能源汽車占據，且純電動汽車將成為新能源汽車的（de）絕對主力。對於純電動（dòng）汽車而言，因受製於目（mù）前電（diàn）池技術，整（zhěng）車整（zhěng）備質量（liàng）相較於傳統燃油車反而顯著增加，增量達１５％－４０％。整車的輕量化對提升續航裏程有著非常顯（xiǎn）著的作用。據統計，在純電動汽車（chē）的動力電池（chí）重量不變的前提下（xià），整車整備（bèi）質量每減輕１００公斤，續航（háng）裏程（chéng）可以增加１２－１３公裏。

1.2 汽車的輕量化是汽車（chē）發展的三大趨勢之一，推進新能源汽車的輕量化將助力提升我國的汽（qì）車產品的競爭力

汽車的輕量化除了可以顯著降低能量消耗，提升電動汽車的續航裏程外（wài），對提升車輛的加速性能、操作穩定性、製動性能、行車噪音、行駛平順性等也都有明顯的（de）助益。因此，順應汽車行業的發展趨勢，通過合理的輕量化材料的運用和結構（gòu）設計，提升新能源汽車的輕量化水平，不僅可以提升汽車的（de）各項性能（néng）指標，還可以有效控製汽車的（de）生產成本，提高市場競爭力（lì）。

1.3 汽車產業作（zuò）為一個產業鏈比較（jiào）長的產業，新（xīn）能源汽車的輕量化的發展可以帶動（dòng）產業上下遊（yóu）相關領域的轉型升級汽車的輕量化涉及（jí）汽車生產、維修、回收等多（duō）個相關產業。汽車輕量化的快速發展必然會刺激汽車輕量化材料的研發和革新，對多材料混合運用技術如焊接、鉚（mǎo）接等的（de）發展也將有直接的強勁推動作用，對汽車的生（shēng）產裝備也會提出更高（gāo）的要求。近年新能源汽車技術飛（fēi）速發展，技術越來越成熟，與之配套的充（chōng）電等社會公共設（shè）施也越來越健全，再加上新能源汽車因（yīn）相較於傳統燃（rán）油車更低的用車成本等優勢，使新能源車越來越受（shòu）到消費者的喜愛。新能源汽（qì）車的銷量開始井噴式增長，在此（cǐ）背景下（xià），新能源汽車輕量化旺盛的需求對汽車產業上下遊相關領域轉型升級的推動（dòng）作用越來（lái）越強勁（jìn）。

02    鋁合金在新能源 汽車輕量化領域應用的優勢

使用先進的（de）製造工藝、對結構進行優化設計和（hé）應用輕量（liàng）化的材料是目前汽（qì）車（chē）輕量化的三大技術手段。其（qí）中輕量化材料的運用是最直接、最有效的方式。相比其他工程材料，鋁合金材料因具（jù）備諸多優勢，因（yīn）此（cǐ）一開始便便到了汽車工程師的青睞。具體而言，鋁合（hé）金在（zài）新能（néng）源汽車的輕量（liàng）化領域具有一（yī）下優勢：

（１）鋁合金材料可以廣泛應用於新能源汽車的輕量化（huà）領域。鋁合金具有較（jiào）高的比強度和優良的（de）加工成形性，可以應（yīng）用於製造汽（qì）車的各種部件和零件。鋁合（hé）金（jīn）材料可分（fèn）為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類型。其中，熱交換器係統部（bù）件、車身骨架、車（chē）門等可以應用變形鋁合金製造；而加速踏板、車輪（lún）、方向盤、電（diàn）機外殼等可以應用鑄造鋁合金生產。因（yīn）鋁合金的優良性能，使鋁合金在當（dāng）前以及今後一段時期內都將是新能源汽車輕量化的主（zhǔ）要選材。

（２）鋁合金材料的（de）廣泛應用從某種程度上可以降低新能源汽車的生產製造成本。鋁礦在（zài）地球上的儲存量非常大，因此（cǐ）鋁（lǚ）合金材料相較於鎂合金材料、碳纖維材料（liào）等成本更低，此外鋁合金具有良好的耐蝕（shí）性，且熔點低，可以實現非常高的（de）回收利用率（lǜ），可以實現新能源汽（qì）車生產材料的循環利用。

（３）鋁合（hé）金材料相較於（yú）其他汽車輕量（liàng）化材料減重潛力更大。當前主流的汽車輕量化（huà）材料有鋁合金、高強度鋼、鎂合金、碳（tàn）纖維材料等（děng）。但其中（zhōng）鎂合金和碳纖維材料因價格（gé）、加工工藝等因素的製約，目前使（shǐ）用的並（bìng）不多。而鋁合金材料相較（jiào）與（yǔ）高強度鋼，比強（qiáng）度高，密（mì）度較小，減（jiǎn）重（chóng）潛力更大。

（４）鋁合金材料製造（zào）工藝成熟，除鑄（zhù）造（zào）等成型工藝外（wài），還發展出了焊接、鉚接、螺接等多（duō）種連接方式。這些工藝目前都有成熟的在新（xīn）能源汽車的生產製造過程中運用。因此，鋁合金（jīn）材（cái）料在眾多汽（qì）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（néng）源汽車輕量化領域鋁合金材料焊接研究現狀

鋁合金（jīn）在新能源汽車的輕量化中有著舉足輕重的作用，但在生產和使用過程仍麵（miàn）臨生產工藝、安（ān）全等挑戰。汽車生產製造過程中各零部（bù）件的連接方（fāng）式有焊接、鉚接、螺（luó）接等，其中焊接因工藝簡單、性價比高、性能優越以及方便自動化流水作（zuò）業等優（yōu）點，是當前（qián）汽車零部件連接采取的主要工藝方式（shì）。隨著新能源汽車輕量（liàng）化需求的日益旺盛，鋁合金在（zài）新（xīn）能源汽車的（de）生產製造過程中的應用會越來越（yuè）多。但（dàn）要提（tí）高鋁合金材（cái）料在新能源汽（qì）車生產製造中的運用量，就不得不對鋁合金的焊接工藝（yì）進行更深入的研究，提高鋁合（hé）金（jīn）焊接的質量和效率，並有效降低成本。焊接作為一種成熟的連接方式，目（mù）前已（yǐ）經發展出多種技術路線，其中廣泛應用於汽車生產製造中的有有激光焊接、非熔化極惰（duò）性氣體（tǐ）保護（hù）電弧焊（ＴＩＧ焊）、熔化極惰性氣體保護焊（ＭＩＧ焊）、攪拌摩（mó）擦焊（ＦＳＷ焊）等。

3.1 新能源（yuán）汽車領域（yù）鋁合（hé）金激光焊接

激光焊接在（zài）汽車（chē）生產製造過程（chéng）中應用很廣（guǎng）泛，具有焊接效率高，焊接變形小，焊接能量密度高的技術特點。在新能源汽車領域目前針對鋁合金的激光焊接，國內外專（zhuān）家學者（zhě）的研究主要聚焦在兩個（gè）方向：一個方向是激光焊接工藝對鋁合金焊接接頭性能（néng）影（yǐng）響，如激光焊接工藝對鋁合金焊接接頭（tóu）的（de）力（lì）學性能和耐腐蝕性能研究、接頭的組織及性能研究等。另外一個方向是鋁合金激光焊接（jiē）過程中（zhōng）的缺陷，如鋁合金激光焊接頭顯（xiǎn）微組織的研究、鋁合金（jīn）激光焊（hàn）接接（jiē）頭氣孔、裂紋、變形的預測研究等。在國內外專家學者的共同努力（lì）下，鋁合（hé）金材料激（jī）光焊接工藝（yì）得到了不斷地改善，焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能得到了較大幅（fú）度的提升，焊（hàn）接接頭（tóu）的缺陷率也得（dé）到了很好的控（kòng）製，能較好的滿足（zú）新能源汽車生產製造的工藝（yì）需求。此外，信息技術的快速迭代助推了工業（yè）機（jī）器（qì）人的快速發展，以視覺係統、機（jī）器人技術以及信息技術加持的遠程激光焊接技術也在快速（sù）的發展。新能源汽車生產過程的鋁合金材料激光焊接技術的自（zì）動化、智（zhì）能化程（chéng）度越來越高。

3.2 新能源汽車領域鋁（lǚ）合金非（fēi）熔化極惰性氣體保護電弧焊（ＴＩＧ 焊）

非熔化極惰性氣體保護電弧焊非常（cháng）適用與薄板鋁合金材料的（de）焊接，技術也很成熟。采用ＴＩＧ焊接方法焊接（jiē）鋁合金不僅可以獲得美觀的連續魚鱗狀焊縫，還能自動（dòng）同步清除鋁合金焊接件表麵（miàn）的氧化膜，進而改善鋁合金焊接接頭的質量。但是，ＴＩＧ焊接有著（zhe）天（tiān）然的自身缺陷，它（tā）的（de）鎢電極（jí）承載電流的能力有限，當有承載大（dà）電流（liú）時，容易被熔化和蒸發，由此產生的鎢電極微粒，也有掉入焊（hàn）接熔池影響焊接質量（liàng）的可能（néng）。除（chú）此之外，生產效率低、熔深淺、熔敷速度小等不能滿足高效高（gāo）質（zhì）量的焊接要（yào）求的缺陷，也限製了ＴＩＧ焊接方法在新能源（yuán）汽車領域的應用。為了適應新能源汽車工業快速發展對於鋁合金焊接高（gāo）質量、高效（xiào）率的生產要求，近年不少學者對（duì）ＴＩＧ焊接進行了改進研究，成功研發出了雙槍ＴＩＧ焊、熱絲ＴＩＧ焊、Ａ－ＴＩＧ焊等焊接方法。雙槍ＴＩＧ焊焊（hàn）接電弧集（jí）中，相比如傳統ＴＩＧ焊熔（róng）深得到明顯增加，改變了傳統ＴＩＧ不太適（shì）用於鋁合金厚板材焊接的境（jìng）況，而且在即使沒（méi）有焊絲的情況下也能照常進行有效的焊接。熱絲ＴＩＧ焊攻克了傳統ＴＩＧ焊焊接效率不高的弊端，焊接速度（dù）在傳統ＴＩＧ焊的基（jī）礎上提高了一倍以上，而（ér）且焊接電弧穩定，沒有較大波動，確保了鋁合金焊接接頭優良的性能，以及良好的焊接成（chéng）形外觀。而Ａ－ＴＩＧ焊則在焊接質量上進行了改善和提升，在（zài）相同的焊接速（sù）度下，Ａ－ＴＩＧ焊相較於傳統ＴＩＧ焊可以采（cǎi）用更小的焊接電流，進而可以減少鋁合金在焊接過程中的熱變形，與此同時為增加鋁合金焊接件的焊縫力學性能，Ａ－ＴＩＧ焊還改（gǎi）變了活性劑的組成，使鋁合金焊接接頭的組織（zhī）性能得到提升。

3.3 新能源汽車領域鋁合金熔化極惰性氣體保（bǎo）護焊 （ＭＩＧ 焊）

得益於國內外專（zhuān）家學者（zhě）的持續關注和深入研究，鋁合金焊接技（jì）術得到不斷提升，焊接方（fāng）式也日益豐富成熟。在當前（qián）眾（zhòng）多鋁合金焊接技術中應（yīng）用最廣泛的是熔（róng）化極惰性氣體保護電弧焊（ＭＩＧ焊）。采用ＭＩＧ焊（hàn）焊接鋁合金可以獲得非常優質的焊接構件，因此在工程應用中ＭＩＧ焊很受工程師們的青睞（lài）。同時，ＭＩＧ焊也是專家學者們研究的焦點，近（jìn）年研發出了不少鋁合金ＭＩＧ焊新工藝。雙脈衝ＭＩＧ焊、雙極性脈衝（chōng）ＭＩＧ焊以及ＣＭＴ焊便是鋁合金ＭＩＧ焊新工藝中應用頻（pín）率最高（gāo）的（de）。雙脈衝ＭＩＧ焊是通過改進優化單脈衝焊接技術發展而來，具有（yǒu）可調參數多，可合（hé）理的控製輸入能量，以及（jí）可對焊（hàn）接工藝參數進行靈活的匹配等優點。使用雙（shuāng）脈（mò）衝ＭＩＧ焊焊接鋁合金材料（liào）可以獲得穩定可靠的高（gāo）質（zhì）量的焊（hàn）縫。在眾多工業領域廣泛應用（yòng）的雙極性脈衝ＭＩＧ焊（hàn）則結合了反（fǎn）向接法脈衝ＭＩＧ焊（hàn）（ＥＮ極焊）和直流正向接法脈衝ＭＩＧ焊（ＥＰ極焊）。而作為短路過渡焊（hàn）技術的ＣＭＴ焊在焊接過程中，可以對輸入（rù）的能量進行精確地（dì）控製，可以（yǐ）使熔池與焊絲快速分離，有效地減少飛（fēi）濺。因具（jù）有以上優點，ＣＭＴ焊特別適合於（yú）超薄板的焊接，可以獲得較高質量水平的超薄板焊（hàn）件。

3.4 新能源汽車領域鋁合金（jīn）攪拌摩擦焊（ＦＳＷ 焊）

鋁合金攪（jiǎo）拌摩擦（cā）焊經過近３０年的（de）發展，在厚鋁合金板材焊接方麵有了重大突破，已經可以高效率高質（zhì）量的焊接１．２至６毫米的厚鋁合金（jīn）板材。鋁合金攪拌摩擦焊經過幾十年的發展（zhǎn）革新，也（yě）從單一能場焊接發展出了多種複合能場焊（hàn）機方式。鋁合金攪拌摩擦焊的研究也吸（xī）引了國內外（wài）學（xué）者的關注，其中攪拌摩（mó）擦焊焊接接（jiē）頭的裝配方（fāng）式和焊接工藝參（cān）數是當下研究的（de）重點。其中，在接頭裝（zhuāng）配方式（shì）的選擇上，有Ｔ型裝配、對接（jiē）、對（duì）－搭接和搭接等。

04   新能源汽車輕量化領域鋁合金材（cái）料焊接研究展望

科技一般指科學技術。社會上習慣於把科學和技術連在一（yī）起，統稱為科學技術，簡稱科技。實際二者既有密切聯（lián）係，又有重要區別。實際二（èr）者既有密切聯係，又有重要區（qū）別。科學解決理（lǐ）論問題，技（jì）術（shù）解決實際問題。

新能（néng）源汽車尤其是其中的純電（diàn）動汽車，因電池技術（shù）的瓶頸（jǐng）和自身結構的特殊性，車輛的迫切需要（yào）輕量化，以期（qī）通過減少自身重量（liàng）從而（ér）增加續航裏程。鋁（lǚ）合金（jīn）材料不僅（jǐn）性能優異且可實現再生（shēng）循環利用，因此在汽車（chē）輕量化材料（liào）中具有明顯的優勢，越來越廣泛的應用於新能源汽車的生產製造過程中。新能源汽車在（zài）生產製造中的鋁（lǚ）合金（jīn）使用量已經超過多數的（de）傳統燃油車。隨著我國新能源汽車（chē）近幾年的井噴（pēn）式發展，必然會進一步拉動鋁（lǚ）合金在汽車行業的廣泛應用。因此關於提升鋁合金焊接件的焊接質量的研究將會成為研究焦（jiāo）點。鋁（lǚ）合金激光焊接、鋁合（hé）金熔（róng）化極惰性氣體保護焊（ＭＩＧ焊）、鋁合金攪拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等鋁合金焊接技術的研究將會更加深入，為新能源汽車（chē）輕量化中鋁合金的應用，提供更加堅實的技術支撐（chēng），從而保障鋁（lǚ）合金在新能源汽車的生產製造中（zhōng）充（chōng）分發揮減重優勢。

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