新能源汽车轻量化领域铝合金焊接技术研究综述

汽车工业几十年的高速发展所带来的能源消耗和环境污染的问题日益突出，已经成为全球汽车工业亟需着手解决的时代命题。大力发展新能源汽车是应对汽车产业发展危机的有效方案，也是实现我国“双碳”目标的重要举措。但新能源汽车的发展，目前仍面临着诸多挑战，其中续航焦虑是新能源汽车推广的最大障碍。而新能源汽车与传统燃油车结构的不同，车身更重。在此背景下，新能源汽车的轻量化需求相比传统燃油车更加迫切。在当前汽车轻量化的手段中，最行之有效的是材料的轻量化。铝合金材料作为一种性能优异的轻合金材料，广泛应用于汽车的轻量化领域。因此，深入研究铝合金焊接技术，进而提升铝合金材料焊接质量，对新能源汽车轻量化的发展具有重要促进意义。

 01   新能源汽车轻量化的战略意义1.1 新能源汽车的轻量化对提升新能源汽车的续航里程具有重要意义

为响应我国的“双碳”发展战略，作为我国能源消耗大户的汽车行业，肩负着低碳排放的历史使命，责任重大。对此，近年我国大力发展新能源汽车产业，出台多项政策刺激和引导新能源汽车产业的发展。在多方的共同努力下，新能源汽车逐渐被广大消费者接受与青睐，近年在国内汽车消费市场的渗透率逐年提升。具中国汽车工程学会预测，到２０３５年中国汽车市场的大部分份额将被新能源汽车占据，且纯电动汽车将成为新能源汽车的绝对主力。对于纯电动汽车而言，因受制于目前电池技术，整车整备质量相较于传统燃油车反而显著增加，增量达１５％－４０％。整车的轻量化对提升续航里程有着非常显著的作用。据统计，在纯电动汽车的动力电池重量不变的前提下，整车整备质量每减轻１００公斤，续航里程可以增加１２－１３公里。

1.2 汽车的轻量化是汽车发展的三大趋势之一，推进新能源汽车的轻量化将助力提升我国的汽车产品的竞争力

汽车的轻量化除了可以显著降低能量消耗，提升电动汽车的续航里程外，对提升车辆的加速性能、操作稳定性、制动性能、行车噪音、行驶平顺性等也都有明显的助益。因此，顺应汽车行业的发展趋势，通过合理的轻量化材料的运用和结构设计，提升新能源汽车的轻量化水平，不仅可以提升汽车的各项性能指标，还可以有效控制汽车的生产成本，提高市场竞争力。

1.3 汽车产业作为一个产业链比较长的产业，新能源汽车的轻量化的发展可以带动产业上下游相关领域的转型升级汽车的轻量化涉及汽车生产、维修、回收等多个相关产业。汽车轻量化的快速发展必然会刺激汽车轻量化材料的研发和革新，对多材料混合运用技术如焊接、铆接等的发展也将有直接的强劲推动作用，对汽车的生产装备也会提出更高的要求。近年新能源汽车技术飞速发展，技术越来越成熟，与之配套的充电等社会公共设施也越来越健全，再加上新能源汽车因相较于传统燃油车更低的用车成本等优势，使新能源车越来越受到消费者的喜爱。新能源汽车的销量开始井喷式增长，在此背景下，新能源汽车轻量化旺盛的需求对汽车产业上下游相关领域转型升级的推动作用越来越强劲。

02    铝合金在新能源 汽车轻量化领域应用的优势

使用先进的制造工艺、对结构进行优化设计和应用轻量化的材料是目前汽车轻量化的三大技术手段。其中轻量化材料的运用是最直接、最有效的方式。相比其他工程材料，铝合金材料因具备诸多优势，因此一开始便便到了汽车工程师的青睐。具体而言，铝合金在新能源汽车的轻量化领域具有一下优势：

（１）铝合金材料可以广泛应用于新能源汽车的轻量化领域。铝合金具有较高的比强度和优良的加工成形性，可以应用于制造汽车的各种部件和零件。铝合金材料可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类型。其中，热交换器系统部件、车身骨架、车门等可以应用变形铝合金制造；而加速踏板、车轮、方向盘、电机外壳等可以应用铸造铝合金生产。因铝合金的优良性能，使铝合金在当前以及今后一段时期内都将是新能源汽车轻量化的主要选材。

（２）铝合金材料的广泛应用从某种程度上可以降低新能源汽车的生产制造成本。铝矿在地球上的储存量非常大，因此铝合金材料相较于镁合金材料、碳纤维材料等成本更低，此外铝合金具有良好的耐蚀性，且熔点低，可以实现非常高的回收利用率，可以实现新能源汽车生产材料的循环利用。

（３）铝合金材料相较于其他汽车轻量化材料减重潜力更大。当前主流的汽车轻量化材料有铝合金、高强度钢、镁合金、碳纤维材料等。但其中镁合金和碳纤维材料因价格、加工工艺等因素的制约，目前使用的并不多。而铝合金材料相较与高强度钢，比强度高，密度较小，减重潜力更大。

（４）铝合金材料制造工艺成熟，除铸造等成型工艺外，还发展出了焊接、铆接、螺接等多种连接方式。这些工艺目前都有成熟的在新能源汽车的生产制造过程中运用。因此，铝合金材料在众多汽车轻量化材料中脱颖而出，渐渐成为了汽车轻量化的主流材料。

03    新能源汽车轻量化领域铝合金材料焊接研究现状

铝合金在新能源汽车的轻量化中有着举足轻重的作用，但在生产和使用过程仍面临生产工艺、安全等挑战。汽车生产制造过程中各零部件的连接方式有焊接、铆接、螺接等，其中焊接因工艺简单、性价比高、性能优越以及方便自动化流水作业等优点，是当前汽车零部件连接采取的主要工艺方式。随着新能源汽车轻量化需求的日益旺盛，铝合金在新能源汽车的生产制造过程中的应用会越来越多。但要提高铝合金材料在新能源汽车生产制造中的运用量，就不得不对铝合金的焊接工艺进行更深入的研究，提高铝合金焊接的质量和效率，并有效降低成本。焊接作为一种成熟的连接方式，目前已经发展出多种技术路线，其中广泛应用于汽车生产制造中的有有激光焊接、非熔化极惰性气体保护电弧焊（ＴＩＧ焊）、熔化极惰性气体保护焊（ＭＩＧ焊）、搅拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等。

3.1 新能源汽车领域铝合金激光焊接

激光焊接在汽车生产制造过程中应用很广泛，具有焊接效率高，焊接变形小，焊接能量密度高的技术特点。在新能源汽车领域目前针对铝合金的激光焊接，国内外专家学者的研究主要聚焦在两个方向：一个方向是激光焊接工艺对铝合金焊接接头性能影响，如激光焊接工艺对铝合金焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能研究、接头的组织及性能研究等。另外一个方向是铝合金激光焊接过程中的缺陷，如铝合金激光焊接头显微组织的研究、铝合金激光焊接接头气孔、裂纹、变形的预测研究等。在国内外专家学者的共同努力下，铝合金材料激光焊接工艺得到了不断地改善，焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能得到了较大幅度的提升，焊接接头的缺陷率也得到了很好的控制，能较好的满足新能源汽车生产制造的工艺需求。此外，信息技术的快速迭代助推了工业机器人的快速发展，以视觉系统、机器人技术以及信息技术加持的远程激光焊接技术也在快速的发展。新能源汽车生产过程的铝合金材料激光焊接技术的自动化、智能化程度越来越高。

3.2 新能源汽车领域铝合金非熔化极惰性气体保护电弧焊（ＴＩＧ 焊）

非熔化极惰性气体保护电弧焊非常适用与薄板铝合金材料的焊接，技术也很成熟。采用ＴＩＧ焊接方法焊接铝合金不仅可以获得美观的连续鱼鳞状焊缝，还能自动同步清除铝合金焊接件表面的氧化膜，进而改善铝合金焊接接头的质量。但是，ＴＩＧ焊接有着天然的自身缺陷，它的钨电极承载电流的能力有限，当有承载大电流时，容易被熔化和蒸发，由此产生的钨电极微粒，也有掉入焊接熔池影响焊接质量的可能。除此之外，生产效率低、熔深浅、熔敷速度小等不能满足高效高质量的焊接要求的缺陷，也限制了ＴＩＧ焊接方法在新能源汽车领域的应用。为了适应新能源汽车工业快速发展对于铝合金焊接高质量、高效率的生产要求，近年不少学者对ＴＩＧ焊接进行了改进研究，成功研发出了双枪ＴＩＧ焊、热丝ＴＩＧ焊、Ａ－ＴＩＧ焊等焊接方法。双枪ＴＩＧ焊焊接电弧集中，相比如传统ＴＩＧ焊熔深得到明显增加，改变了传统ＴＩＧ不太适用于铝合金厚板材焊接的境况，而且在即使没有焊丝的情况下也能照常进行有效的焊接。热丝ＴＩＧ焊攻克了传统ＴＩＧ焊焊接效率不高的弊端，焊接速度在传统ＴＩＧ焊的基础上提高了一倍以上，而且焊接电弧稳定，没有较大波动，确保了铝合金焊接接头优良的性能，以及良好的焊接成形外观。而Ａ－ＴＩＧ焊则在焊接质量上进行了改善和提升，在相同的焊接速度下，Ａ－ＴＩＧ焊相较于传统ＴＩＧ焊可以采用更小的焊接电流，进而可以减少铝合金在焊接过程中的热变形，与此同时为增加铝合金焊接件的焊缝力学性能，Ａ－ＴＩＧ焊还改变了活性剂的组成，使铝合金焊接接头的组织性能得到提升。

3.3 新能源汽车领域铝合金熔化极惰性气体保护焊 （ＭＩＧ 焊）

得益于国内外专家学者的持续关注和深入研究，铝合金焊接技术得到不断提升，焊接方式也日益丰富成熟。在当前众多铝合金焊接技术中应用最广泛的是熔化极惰性气体保护电弧焊（ＭＩＧ焊）。采用ＭＩＧ焊焊接铝合金可以获得非常优质的焊接构件，因此在工程应用中ＭＩＧ焊很受工程师们的青睐。同时，ＭＩＧ焊也是专家学者们研究的焦点，近年研发出了不少铝合金ＭＩＧ焊新工艺。双脉冲ＭＩＧ焊、双极性脉冲ＭＩＧ焊以及ＣＭＴ焊便是铝合金ＭＩＧ焊新工艺中应用频率最高的。双脉冲ＭＩＧ焊是通过改进优化单脉冲焊接技术发展而来，具有可调参数多，可合理的控制输入能量，以及可对焊接工艺参数进行灵活的匹配等优点。使用双脉冲ＭＩＧ焊焊接铝合金材料可以获得稳定可靠的高质量的焊缝。在众多工业领域广泛应用的双极性脉冲ＭＩＧ焊则结合了反向接法脉冲ＭＩＧ焊（ＥＮ极焊）和直流正向接法脉冲ＭＩＧ焊（ＥＰ极焊）。而作为短路过渡焊技术的ＣＭＴ焊在焊接过程中，可以对输入的能量进行精确地控制，可以使熔池与焊丝快速分离，有效地减少飞溅。因具有以上优点，ＣＭＴ焊特别适合于超薄板的焊接，可以获得较高质量水平的超薄板焊件。

3.4 新能源汽车领域铝合金搅拌摩擦焊（ＦＳＷ 焊）

铝合金搅拌摩擦焊经过近３０年的发展，在厚铝合金板材焊接方面有了重大突破，已经可以高效率高质量的焊接１．２至６毫米的厚铝合金板材。铝合金搅拌摩擦焊经过几十年的发展革新，也从单一能场焊接发展出了多种复合能场焊机方式。铝合金搅拌摩擦焊的研究也吸引了国内外学者的关注，其中搅拌摩擦焊焊接接头的装配方式和焊接工艺参数是当下研究的重点。其中，在接头装配方式的选择上，有Ｔ型装配、对接、对－搭接和搭接等。

04   新能源汽车轻量化领域铝合金材料焊接研究展望

科技一般指科学技术。社会上习惯于把科学和技术连在一起，统称为科学技术，简称科技。实际二者既有密切联系，又有重要区别。实际二者既有密切联系，又有重要区别。科学解决理论问题，技术解决实际问题。

新能源汽车尤其是其中的纯电动汽车，因电池技术的瓶颈和自身结构的特殊性，车辆的迫切需要轻量化，以期通过减少自身重量从而增加续航里程。铝合金材料不仅性能优异且可实现再生循环利用，因此在汽车轻量化材料中具有明显的优势，越来越广泛的应用于新能源汽车的生产制造过程中。新能源汽车在生产制造中的铝合金使用量已经超过多数的传统燃油车。随着我国新能源汽车近几年的井喷式发展，必然会进一步拉动铝合金在汽车行业的广泛应用。因此关于提升铝合金焊接件的焊接质量的研究将会成为研究焦点。铝合金激光焊接、铝合金熔化极惰性气体保护焊（ＭＩＧ焊）、铝合金搅拌摩擦焊（ＦＳＷ焊）等铝合金焊接技术的研究将会更加深入，为新能源汽车轻量化中铝合金的应用，提供更加坚实的技术支撑，从而保障铝合金在新能源汽车的生产制造中充分发挥减重优势。

作者：杨 庆，王 哲，欧弘飞，黄志勇