身份证号：13052219840721XXXX
摘要：随着汽车工业的快速发展及人们需求的不断提高，为满足安全、环保、节能等指标要求，汽车整车越来越多的采用了轻金属材料。铝合金以其超低的密度及优良的性能，成为汽车白车身轻量化材料的首选。但因铝合金导热性高、热膨胀性高，导致铝合金采用传统焊接方式时接头性能较差，焊接接头变形量大，而激光能量高度集中，可保证铝合金焊接接头性能，且变形量小，因此铝合金板材多采用激光焊接方式。
关键词：改良铝合金车身；激光搭接焊；焊缝表面；质量
1 铝合金激光焊接简介
1.1 激光焊接原理简介
激光焊接技术是以激光为热源，以两层搭接板件为例，使上层板件熔透，下层板件部分熔化，将两层板的部分金属液态化，待金属冷却后形成稳定的连接，在汽车行业，多用于顶盖，外覆盖等部位的连接。
2.2 铝合金的应用
在汽车工业中，汽车车身常用的铝合金板材系列为5系及6系，其中5系铝合金，抗拉强度高，疲劳强度好，多用于车身的强度结构件；6系铝合金深拉延后表面质量更好，同时在涂装电泳烘干过程中会发生性能硬化，进一步提高材料强度，主要用于车身外覆盖件区域。
2.3 铝合金板材特点
铝合金在汽车轻量化应用中有着很高的优势：a.车身减重节能效果显著：铝的密度为2.7 g/cm3，为钢铁的1/3，以1.5 t整车为例，白车身重量大约为500 kg，汽车整车重量每减少1%,每百公里油耗大约降低0.3～0.6 L,每百公里CO2排放减少约10 g。b.加工及防腐性能优良：铝的力学性能好，机械加工性能比钢铁高4.5倍，铝合金表面极易形成耐腐蚀性的氧化膜，对于汽车制造来讲，既实现了整车的轻量化，又提升了车身的耐腐蚀性能。
2.4 铝合金白车身激光焊接焊接缺陷
因为激光焊接工艺在铝合金车身上的大范围应用，同时基于铝合金材质特性，铝合金在激光焊接时产生缺陷较多，其中影响焊缝性能的缺陷有咬边、气孔、裂纹等，在现场调试中，优先解决此类缺陷问题，但基于铝合金车身对外观质量的高标准要求，在解决基础缺陷问题后，仍将对后续焊缝背部凸出、表面毛刺等问题进行外观优化，主要针对焊缝背部凸出、表面毛刺等表面质量问题进行试验验证及研究。
3 铝合金实验方案
3.1 实验方案
本次实验将分别针对焊缝背部凸出及表面毛刺两类表面缺陷进行形成原因分析，将针对焊接边距、板件油污、焊接功率、焊接速度、焊接频率、气体保护、铝合金材料成分各个造成影响的因素分别进行试验并分析并得出结论。
3.2 影响因素实验
3.2.1 焊接边距
焊接边距，即焊缝距离板件搭接止口的距离。分别将边距设定为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，采用同一组焊接参数进行焊接，研究边距对激光焊接表面质量的影响。焊接后，对焊接试板背部凸出进行测量，实验表明，激光焊缝背部凸出高度随着边距的增大而减小，当边距不小于4 mm时，焊缝背部凸出消失。
3.2.2 油污
选取使用酒精擦拭过的无油污试板及有油污的试板，采用同一组焊接参数，以无油污及有油污状态分别进行5组焊接试验，研究油污对激光焊接表面质量的影响。在焊接后，发现焊缝背部凸出与有无油污有着明显的关系
实验表明，当试板存在有油污时，激光焊缝出现焊缝背部凸出缺陷，当试板无油污时，激光焊缝无焊缝背部凸出缺陷。
3.2.3 激光功率
分别将激光功率设定为2460 W、2520 W、2580 W、2640 W、2700 W、3240 W、3720 W、4 200 W，其他参数保持一致，研究激光功率对激光焊接表面质量的影响。
实验表明，激光焊缝熔深随着激光功率增大而变大，激光功率在此组参数组合中（满足激光焊最低熔深标准前提下，即下层板最小熔深≥0.45 mm），增长到4 200 W时，出现焊缝背部凸出。
3.2.4 焊接速度
分别将焊接速度设定为40 mm/s、50 mm/s、60 mm/s，其余参数保持一致，研究焊接速度对激光焊接表面质量的影响
实验表明，激光焊缝熔深随着焊接速度增大而变小，焊接速度在此组参数组合中降低至30 mm/s时，出现焊缝背部凸出。
3.2.5 激光摆动频率
分别将激光摆动频率设定为100 Hz、200 Hz、300 Hz，其余参数保持一致，研究激光摆动频率对激光焊接表面质量的影响在焊接后，发现焊缝表面质量随着激光摆动频率变化产生了较为规律的变化。
实验表明，激光焊缝表面质量随着激光摆动频率减小而变差并出现毛刺，当降低至到100 Hz时，出现了较为严重的毛刺现象。
3.2.6 气体保护
分别对气体保护采取不送气、垂直焊缝送气及沿焊接轨迹送气，研究保护气体对激光焊接表面质量的影响
实验表明，激光焊缝表面质量的质量排序为：沿焊接轨迹送气试板优于垂直焊接轨迹送气试板，垂直焊接轨迹送气试板优于不送气试板。在焊接过程中，当送气管置于焊缝后方，平行送气，焊接效果较好，保护气可使焊缝颜色变亮，同时改善焊缝凹凸不平的状态。
3.2.7 板材成分
分别采用两组搭接，第一组：上层板为5182，下层板为S600，第二组上层板为S600，下层板为5182，进行激光焊接，研究板材成分对激光焊缝表面质量的影响。焊接后，发现不同的搭接方式产生的焊缝表面质量存在差异
实验表明，第一组的激光焊缝表面质量明显优于第二组的表面质量，后者焊缝出现毛刺现象，通过分析两种板材成分,5182材料Mg含量较高（w(Mg)=4.04%），而Mg元素非常活跃，当遇热时气化并升华，造成激光焊缝表面质量不稳定，当其含量较大时，焊缝表面出现毛刺并变黑。
4 结论
通过铝合金激光焊接实验，结合铝合金白车身实际焊接过程中产生的问题，得出以下结论：
产品结构设计约束：激光焊缝背部凸出高度会随着焊缝与板材边距增大而减小，当焊缝与板材边距≥4 mm时，背部凸出消失，因此产品设计阶段，焊接工艺需提出约束条件，要求激光焊接焊缝距铝合金板材边距≥4 mm。
板件材料选型约束：将5系铝合金进行激光焊接时，会导致激光焊缝表面质量变差，需在产品选择板材时避免5系铝合金在表层进行激光焊接。
前序质量约束：冲压件油污会造成铝合金焊缝表面质量缺陷，需对冲压件提出油污质量要求，要求冲压件在进行激光焊接前，必须去除板材表面油污，保持焊接面清洁。
以常见的1.5 mm+1.5 mm铝合金板件搭接组合为例，在满足激光焊最低熔深标准前提下，即下层板最小熔深≥0.45 mm，焊接关键工艺参数设定要求建议如下：
a.当其他参数一定时，激光焊缝熔深随着激光功率增大而变大，设定功率为3 000～4 000 W时，焊接质量较好。b.当其他参数一定时，激光焊缝熔深随着焊接速度增大而变小，设定速度为40～60 mm/s时，焊接质量较好。c.激光焊缝表面质量随着激光振动频率减小而变差，设定振动频率为300 Hz时，焊接质量较好。
d.在焊接过程中，当送气管置于焊缝后方，平行送气，焊接效果较好。
参考文献
[1] 张明军, 陈根余, 李时春,等. 车用铝合金与镀锌钢光纤激光搭接焊试验研究[J]. 中国激光, 2011, 38(006):134-139.
[2] 陈勰. 汽车白车身激光焊接质量影响因素研究[D]. 湖南大学, 2011.
[3] 李永强, 赵贺, 张伟华,等. 预热铝合金搭接激光焊[J]. 机械工程学报, 2009(02):257-260.